Аксиоматические основы геоэкологии

Представление о биосфере как о сложной материальной системе является необходимой предпосылкой для разработки геоэкологических моделей, на основе которых могут решаться теоретические и практические задачи пространственной организации окружающей среды для целей обеспечения экологической безопасности человечества. Современный уровень географических и экологических знаний позволяет принять ряд аксиом и положений в качестве базиса, на котором можно продолжить разработку теории геоэкологии. Аксиомы геоэкологии вытекают из общегеографических (Петров, 1984, 1993; Преображенский, 1987) и обладают достаточно высокой достоверностью и значительностью, чтобы лечь в основу теории геоэкологии.

Порядок рассмотрения теоретических основ геоэкологии устанавливается исходя из требований системного анализа: сначала формулируется аксиома о целостной системе, затем даются положения об ее элементах, о системообразующих отношениях, о структуре и иерархии систем и, наконец, об их границах.

Аксиома В. И. Вернадского о биосфере. Теория геоэкологии опирается на реальные свойства предметов и явлений, генеральная совокупность которых принадлежит биосфере. Сущность ее постулируется аксиомой В. И. Вернадского: биосфера представляет собой целостную экологическую систему, в которой живое вещество взаимодействует с элементами лито сферы, гидросферы, атмосферы и техносферы. Руководствуясь этой аксиомой, биосферу определяют как экосистему высшего ранга.

Аксиома В. И. Вернадского имеет фундаментальное значение для развития теории геоэкологии. Из нее вытекают важные положения об элементах, системообразующих отношениях и структуре биосферы, которые составляют основу познания экологических факторов окружающей среды.

Положение о составе элементов. Природа элементов биосферы двойственна. С одной стороны - это объединение множеств элементов биосферы, литосферы, гидросферы, атмосферы и техносферы; с другой - это хорологические (пространственные) единицы, биогеоценозы (экосистемы) и образуемые ими биохоры более высокого таксономического ранга.

Аналитический состав элементов биосферы формально определяется следующим образом:

Действительно, в любой экосистеме - на суше или в океане -присутствуют хотя бы в незначительных количествах и в своеобразной форме элементы любой геосферы. Например, в ак-вальных ландшафтах вещество литосферы представлено растворами и взвесями минеральных веществ; в субаквальных ландшафтах вещество атмосферы присутствует в виде растворенных в воде газов. Внешне безжизненные пустыни тропиков или полярных стран, высокогорий несут в себе множество диаспор живого вещества, подтверждая мысль В. И. Вернадского о " всюдности жизни". Все шире в биосфере распространяются элементы техногенеза, оказывающие прямое или косвенное воздействие на естественные экосистемы, возникают новые природно-хозяйственные системы.

Рис, 14.13. Три начала геосистемы, по А. А. Крауклису (1979). Стрелками обозначено взаимодействие частей геосистемы

Характеризуя системообразующую роль элементов различных геосфер, А. А. Крауклис (1979) раскрывает содержание трех начал геосистем, которое с равным основанием можно отнести к трем началам экосистем (рис. 14.13).

Инертное начало, к которому относятся главным образом минеральный субстрат и рельеф, выступает как " скелет" экосистемы. Оно придает ей фиксированное местоположение на земной поверхности и известную пространственную обособленность, связывая с геологическим прошлым данного участка.

Мобильность в экосистему вносят, с одной стороны, энергия Солнца и процессы, возбуждаемые силовыми полями Земли и космического пространства, а также скрытые в самой экосистеме источники разных видов энергии; с другой - источником мобильности является вещество, у которого силы молекулярного сцепления относительно слабы и которое пребывает в экосистеме в основном в виде потоков. Это, главным образом, воздушные и водные массы. К мобильной части принадлежат также атомы, молекулы и другие микротела остальных компонентов, мигрирующих между разными частями экосистемы.

Мобильная составляющая, таким образом, выполняет обменные и транзитные функции, связывает внутренние части экосистемы и объединяет последнюю с ее внешним окружением. Она ослабляет зависимость экосистемы от унаследованных факторов данного местоположения, постоянно размывает и передвигает пространственные границы. Сочетание инертности и мобильности придает экосистеме одновременно свойства дискретного и континуального образования - системы с " пульсирующими" во времени контурами внешних и внутренних связей. Биота частично принадлежит обеим рассмотренным выше составляющим, но, кроме того, еще выполняет и самостоятельные функции. В деятельности биоты особое значение имеют чисто биологические качества этой формы проявления материи - прежде всего высокая избирательность по отношению к внешним условиям, способность к самовоспроизведению, размножению, росту.

Именно в активности и пластичности основная сила биоты как самостоятельной части геосистемы. Взаимодействуя с остальными компонентами, биота выступает как важнейший внутренний фактор саморегуляции, восстановления, стабилизации. Оптимальное насыщение геосистемы биотой, как свидетельствует практика, - первостепенное условие и способ успешного управления экосистемами и рационального использования их природного потенциала.

Системообразующая роль элементов неравнозначна. В. И. Вернадский ведущую роль отводил живому веществу: " На земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом" (Вернадский, 1960, с. 21).

Оценивая роль элементов в формировании геосистем, Н. А. Солнцев (1949) ранжирует их в определенный ряд. На первом месте стоит земная кора с ее структурными формами, омоложенными новейшими тектоническими движениями, затем следуют поверхностные воды, метеорологические условия, и, наконец, завершающим звеном этого ряда являются почвен-но-растительные комплексы и животный мир.

Рассматривая роль элементов окружающей среды как экологических факторов, В. В. Мазинг (1969) предлагает следующий иерархический ряд. На первое место в ряду факторов, влияющих на главное звено экосистем - растительный покров, он ставит количество теплоты (сумму солнечной радиации) как фактор, определяющий широтную зональность. На второе место - количество осадков и их сезонное распределение. Аналогичное значение имеет деление зон по степени гумидности (океаничности) и аридности (континентальности). Третье место в ряду факторов занимает водный режим, зависящий, кроме вышеназванных факторов, от стока и свойств почв. Наряду с водным режимом почв отмечается их богатство и характер минерализации (засоления).

Подчеркивая значение сильных элементов, мы вместе с тем должны отдавать должное роли слабых взаимодействий, без которых целостность и устойчивость системы невозможна. Сильные воздействия не всегда играют решающую роль в управлении системой. Одно из правил кибернетики гласит, что вовремя и к месту приложенное слабое воздействие может оказаться решающим в управлении системой.

Познание элементного состава экосистем отвечает аналитическому пути их моделирования. В ходе исследования из генерального множества элементов, отображающего реальное пространство биосферы, руководствуясь эвристическими решениями или мнениями экспертов, формируют операционное признаковое пространство, которое представляет собой перечень наиболее существенных элементов и их свойств, присущих конкретным биогеоценозам. Заметим, что для разработки моделей экосистем главным является исследование изменчивости признаков, характеризующих объекты. В этом смысле справедливо утверждение Д. Харвея (1974), что элементы системы суть состояние вещей, а не сами вещи.

Сравнив элементный состав биогеоценозов, можно говорить об их различии или сходстве в экологическом отношении. Несмотря на сложность и уникальность экосистем, реальны системы, пересечение свойств которых дает возможность выявлять область общих элементов. Наличие общих свойств позволяет находить классы изоморфных экосистем, в пределах которых имеют место единые методы описания их структуры, состояния и поведения. Инвариантные структуры, присущие изоморфным системам, представляют собой наиболее ценный фонд для разработки геоэкологических моделей. Понятие об инварианте рассматривается как ключевое в познании всех экологических закономерностей.

Исследование экосистем допускает прием сознательного отбрасывания отдельных элементов, экологическая роль которых с точки зрения конкретной задачи геоэкологии несущественна. Этот принцип отвечает принципу ограничения разнообразия информации У. Эшби. Его еще называют принципом " бритвы Оккама", который гласит: не следует делать посредством большего то, чего можно достичь посредством меньшего. Руководствуясь этими принципами, процедуру выявления инварианта экосистемы можно существенно упростить.

Положение о системообразующих отношениях. Обязательным атрибутом биосферы, как следует из аксиомы Вернадского, являются связи или отношения, заданные на множестве ее элементов X, т. е.

R = {R _ij },

где R _ij - отношение между любыми элементами х _i и x_j.

Связи между элементами составляют характерную черту экосистемы любого ранга (рис. 14.14). Простейшей формой отношений являются отношения ряда, связывающие элементы необратимой связью. Это типичный пример жестко детерминированных причинно-следственных отношений. Например, антициклональный режим атмосферной циркуляции обусловливает сухость климата, что в свою очередь ведет к снижению биологической продуктивности.

Параллельные отношения отражают воздействие элементов x_i и x_j на некоторый другой элемент х_k (рис. 14.14, а). Например, богатство почв (x_i) и благоприятный режим увлажнения (x_j) повышают урожайность сельскохозяйственных культур (x_k).

Отношения обратной связи составляют характерную черту саморегулируемых систем. Они отражают ситуацию, при которой один элемент, влияя на другие, одновременно опосредованно воздействует сам на себя (рис. 14.14, б). Обратная связь может быть положительной или отрицательной. Например, высокая биопродуктивность степных экосистем способствует накоплению гумуса в почве, что повышает ее плодородие и ведет к дальнейшему увеличению продукции растительной массы.

В основе саморегуляции экосистем лежат отрицательные обратные связи. Положительные обратные связи, подобные рассмотренным, вызывают гипертрофированное развитие определенных процессов. Так, интенсивное нарастание фитомассы в степи ведет к уплотнению дернины и, в конечном счете, к обеднению видового состава и снижению продуктивности сообщества. Высокая продуктивность степных экосистем в естественных условиях поддерживается благодаря воздействию на растительный покров копытных животных. Стада травоядных постоянно обкусывают и разбивают дернину копытами. Вместе с тем, если поголовье станет слишком большим, наступит пасторальная дигрессия пастбища, продуктивность растительности снизится, часть животных погибнет от голода. Таким образом, продуктивность растительности и поголовье копытных поддерживается в естественных условиях на оптимальном уровне.

Комбинирование различных форм связей приближает нас к отображению структуры реальной гео- или экосистемы во всей ее сложности (рис. 14.14, в).

Характерная черта структурообразующих связей - их каузальность: всякий природный процесс, хозяйственная деятельность человека являются причиной, вызывающей изменение связанных с ними элементов. Поэтому важным дополнением к рассмотренным выше формам отношений служит анализ основных типов причинно-следственных связей.

Каузальные (причинно-следственные) цепи А→ В→ С→ ... задаются последовательностью отношений ряда. Для анализа каузальных цепей большое значение имеет принцип транзитивности, заключающийся в том, что если первый член отношения сравним со вторым, а второй с третьим, то первый сравним с третьим. Принцип транзитивности позволяет выводить свойства конечного члена каузальной цепи из свойств ее начального члена. На этом строится практика фитоиндикации различных компонентов окружающей среды. Например, карбонатная горная порода определяет карбонатность элювия, на котором развиваются почвы с высокими показателями pH, что обусловливает появление во флоре специфичных кальцефильных растений. Пользуясь принципом транзитивности, мы можем рассматривать кальцефильные виды в качестве индикатора карбонатных горных пород.

Множественность причин. Этот тип отношений является композицией параллельных отношений и отношений ряда (рис. 14.14, г). Например, гидрогеологические условия (х_а) оказывают влияние на минерализацию вод в реке (х_b); сток промышленных отходов (х_r) также оказывает свое влияние на минерализацию вод (x_s). Объединение химических особенностей вод, формирующихся под воздействием различных причин (х_bUx_s), определяет общую минерализацию водоема (х_z).

Множественность следствий. Это отношение представляет композицию ряда и параллельных отношений (рис. 14.14, д). Например, промышленное предприятие (х_а) осуществляет выброс отходов в окружающую среду (х_b); в результате происходит загрязнение почвы (x_f), вод (х_т) и воздушного бассейна (x_p); суммарное воздействие полютантов вызывает накопление опасных для здоровья веществ в растениях (x_t); употребление человеком (х_п) в пищу продуктов растениеводства и животноводства, содержащих вредные вещества, грозит его здоровью.

Положение о каузальном (причинно-следственном) характере отношений является фундаментальным для теории геоэкологии. Связи типа ряда или каузальных цепей, к анализу которых легко применим принцип транзитивности, позволяют построить наиболее простые и ясные геоэкологические модели. Однако ввиду сложности структуры реальных геосистем отношения между ее элементами наиболее полно раскрываются с помощью моделей множественных причин и множественных следствий. При моделировании подобных структур невозможно проследить и учесть абсолютно все связи, в результате характер экологического воздействия отдельных факторов носит не жестко детерминированный, а вероятностный характер.

Важные аспекты взаимодействия природных систем с окружающей средой раскрывает принцип симметрии П. Кюри. Его главные положения заключаются в следующем. Симметрия рассматривается как состояние пространства, характерное для среды, где происходит данное явление (Кюри, 1959, с.2). По сути дела, все сводится к положению, согласно которому углубленное изучение реальных систем требует хорошего знакомства с той средой, в которой они образовались. На вопрос, как отражается влияние среды на формирующемся в ней объекте, П. Кюри отвечает следующим образом: симметрия порождающей среды как бы накладывается на симметрию тела, образующегося в этой среде. Получившаяся в результате форма тела сохраняет только те элементы своей собственной симметрии, которые совпадают с наложенными на него элементами симметрии среды (Шафрановский, 1985, с.5). Применительно к объектам геоэкологических исследований принцип симметрии П. Кюри проявляется, например, в узоре растительного покрова, характер которого контролируется факторами внешней среды, и прежде всего рельефом.

При системном анализе принцип симметрии П. Кюри может быть использован для объяснения формирования структуры природной системы под воздействием факторов окружающей среды. В этом случае результатом наложения факторов окружающей среды на структуру системы будет сохранение таких системообразующих элементов и связей между ними, которые совпадают с определенными элементами среды. Например, состав и структура растительного сообщества, как правило, адекватны экологическим условиям. Другими словами, растительное сообщество и среда симметричны.

Наряду с симметрией П. Кюри придавал особое значение явлениям дисимметрии - исчезнувшим элементам собственной симметрии данного объекта. По его убеждению, для предсказания новых явлений дисимметрия более существенна, чем сама симметрия.

Положение о структуре экосистем. Структура биосферы порождается ее элементами и отношениями между ними. Для геоэкологии важное значение имеет исследование функциональных и хорологических структур биосферы.

Основное назначение функциональных моделей - охарактеризовать структуру потоков вещества, энергии и информации в конкретных системах. Широкие возможности для генетических, функциональных и экологических интерпретаций открывают математические модели, раскрывающие корреляционные связи между элементами. Можно с уверенностью утверждать, что структура корреляционных связей в системе тесно связана с особенностями ее функционирования. Высокие коэффициенты корреляции между элементами системы являются, как правило, следствием четко выраженных генетических, функциональных и экологических связей.

Аксиома В. Б. Сочавы об иерархической структуре биосферы: биосфера представляет собой систему, организованную в виде множества подсистем различной размерности.

Для реализации хорологического подхода в геоэкологических исследованиях весьма существенным является исследование пространственных структур - биохор, порождаемых композициями биогеоценозов. Применительно к решению задач геоэкологических исследований, следуя рекомендации Б. В. Виноградова (1977), условимся различать пять иерархических уровней биохор и отвечающих им подразделений географической оболочки - геохор:

- микрохоры и мезохоры - биогеоценозы, входящие в состав морфологических единиц ландшафта, размером 10^-1—10^-2 км²;

- макрохоры - биогеографические (геоботанические) районы, охватывающие территорию конкретных ландшафтов, размером 10-10² км²;

- мегахоры единицы биогеографического (фитогеографического) и природно-хозяйственного районирования размером 10³-10⁵ км²;

- гигахоры - главнейшие элементы биосферы и географической оболочки: океаны и материки, биоклиматические пояса размером более 10⁶ км².

Принцип иерархической определенности - один из главнейших в теории геоэкологии. Следуя ему, необходимо четко задавать иерархический уровень, на котором должны вестись исследования экосистем и разрабатываться модели экологических связей.

Переход от одного структурного уровня к другому сопровождается качественным изменением свойств системы. Практическое значение этой закономерности заключается в том, что использование модели ограничивается тем рангом системы, для которого она разработана.

Аксиома В. С. Преображенского о границах экосистем. Биосфера как планетарная система обладает свойствами континуальности и дискретности. Каждая экосистема занимает определенную площадь и объем и отделена от соседних систем естественными или антропогенными границами. В каждом конкретном случае границы между системами могут быть линейными или расплывчатыми, четко выраженными или затушеванными, стабильными или подвижными, однако они объективно существуют независимо то того, обнаружены они или нет.

Л. С. Берг писал, что охарактеризовать и выделить какой-либо географический ландшафт можно лишь тогда, когда мы установим границы, отделяющие один ландшафт от другого. Проведение естественных границ есть начало и конец каждой географической работы (Берг, 1958). В равной мере это высказывание можно отнести к геоэкологическим исследованиям.

Вопросы для самостоятельных занятий

1. Системообразующая и экологическая роль элементов геосфер.

2. Принципы ограничения разнообразия при выделении инварианта экосистемы.

3. Три начала геосистемы.

4. Формы отношений и причинно-следственных связей между элементами экосистем.

5. Действие принципа симметрии П. Кюри в экологии.

6. Иерархические уровни экосистем и принцип иерархической определенности в геоэкологических исследованиях.

7. Границы гео- и экосистем.

8. Свойства континуальности и дискретности географической оболочки и биосферы.

Глава 15