Аксиоматические основы геоэкологии

Современный уровень географических и экологических знаний позволяет принять рад аксиом и положений в качестве базиса, на ко­тором можно продолжить разработку теории геоэкологии. Аксиомы геоэкологии вытекают из общегеографических.

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. Предлагаемая система аксиом и положений является той методологической базой, на кото­рую опирается географ при решении геоэкологических задач.

Аксиома В. И. Вернадского о биосфере.Теория геоэкологии ис­ходит из реальных свойств предметов и явлений природы и хозяйства, генеральная совокупность которых принадлежит биосфере. Сущность биосферы постулируется аксиомой В. И. Вернадского: биосфера пред­ставляет собой целостную экологическую систему, в которой живое вещество взаимодействует с элементами литосферы, гидросферы, ат­мосферы и техносферы.

Руководствуясь этой аксиомой, биосферу рассматривают как эко­систему высшего ранга, а фитосферу, где условия среды в большой мере определяются растительностью,— как подсистему биосферы. Аксиома В. И. Вернадского имеет функциональное 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 единицы, т, е. биогеоценозы (экосистемы) и образуемые ими биохоры более высокого таксономического ранга.

Аналитический состав элементов биосферы формально определяется так:

Х биос ∩ Хri≠ 0,i= 1, 2, 3, 4,

где Х биос— множество элементов биосферы;Хr— множество элемен­тов географической оболочки;Хr1— множество элементов литосфе­ры;Хr2— множество элементов гидросферы;Хr3— множество эле­ментов атмосферы;Хr4— множество элементов техносферы.

Действительно, в любой экосистеме — на суше или в океане — присутствуют, хотя 5ы в незначительных количе­ствах и в своеобразной форме, элементы любой геосферы. Например, в аквальных ланд­шафтах вещество литосферы представлено растворами и взвесями минеральных ве­ществ; в субаквальных ланд­шафтах вещество атмосферы находится 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 техногеогенеза, оказывающие прямое или косвенное воздействие на естественные экосистемы, возникают новые природно-хозяйственные системы.

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

Инертное начало, которое представлено главным образом мине­ральным субстратом и рельефом, выступает как «скелет» экосистемы. Оно придает ей фиксированное местоположение на земной поверхно­сти и известную пространственную обособленность, связывая ее 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 — вещество, у которого силы молекулярного сцепления относительно слабы и которое пре­бывает в экосистеме в основном в форме потоков. Это преимуще­ственно воздушные и водные массы. К мобильному началу принад­лежат также атомы, молекулы и другие микротела остальных компонентов, мигрирующих между разными элементами 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.

Биотическое начало частично принадлежит обеим рассмотренные выше составляющим, но, кроме того, выполняет и самостоятельные функции. В фиксирующей и мобилизующей деятельности биоты помимо механических и физико-химических свойств 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 заключена 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 для 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».

Оценивая роль элементов в формировании геосистем, Н. А. Солнцев 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, завершающим звеном этого ряда явля­ются почвенно-растительные комплексы и животный мир.

Рассматривая элементы окружающей среды как экологические факторы, В. В. Мазинг предлагает следующий иерархический ряд. На первое место среди факторов, влияющих на главное звено эко­систем — растительный покров, он ставит количество тепла (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 занимает водный режим, зависящий от вышеназван­ных факторов, а также от стока и свойств почв; одновременно с водным режимом почв отмечаются их богатство и характер мине­рализации (засоления).

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 помогает выявлять область общих элементов. Нали­чие общих свойств позволяет находить классы изоморфных экоси­стем, в пределах которых действуют единые методы описания их структуры, состояния и поведения. Инварианты 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, 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 этим принципом, 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 ={ Rij },

где Rij— отношение между любыми элементамиxiиxj. Связи между элементами — это характерная черта экосистемы любого ранга.

Простейшей формой являются отношения, соединяющие элемен­ты необратимой связью. Это типичный пример жестко детерминиро­ванных причинно-следственных отношений. Так, антициклональный режим атмосферной циркуляции обусловливает сухость климата, что в свою очередь ведет к снижению биологической продуктивности.

Параллельное отношениеотражает воздействие элементовxiиxjна некоторый другой элементxk(рис. а). Например, богатство почв (xi) и благоприятный режим увлажнения (xj) повышают урожайность сельскохозяйственных культур (xk).

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

В основе саморегуляции экосистем лежат отрицательные обратные связи. Положительные обратные связи, подобные рассмотренной вызывают гипертрофированное развитие определенных процессов. Так, интенсивное нарастание фитомассы в степи ведет к уплотнение дернины, а 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, то наступит пасторальная дигрессия пастбища, продуктивность растительности снизится, часть животных погибнет от голода. Таким образом, продуктивность растительности и поголовье копытных сохраняются в ее естественных условиях на оптимальном уровне.

Комбинирование различных форм связейприближает нас к отображению структуры реальной экосистемы во всей ее сложности (рис. 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 аксиомам отношений служит анализ основных типов причинно-следст­венных связей.

Каузальные (причинно-следственные) цепиА -» 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 третий сравним с первым. Прин­цип транзитивности позволяет выводить свойства конечного члена каузальной цепи из свойств ее начального члена. На этом строится практика фитоиндикации различных компонентов природной среды. Например, карбонатная горная порода определяет карбонатность элювия, на котором развиваются почвы с высоким рН, что обус­ловливает появление во флоре специфичных кальцефильных расте­ний. Пользуясь принципом транзитивности, мы можем использо­вать кальцефильные виды в качестве индикатора карбонатных гор­ных пород.

Множественность причинкак тип отношений является компо­зицией параллельных отношений и отношений ряда (рис. г). На­пример, гидрогеологические условия (xa) оказывают влияние на ми­нерализацию вод в реке (xb); сток промышленных отходов (xr) также оказывает влияние на химизм вод (xs). Объединение химических осо­бенностей вод, формирующихся под воздействием различных причин (xbUxs), определяет общую минерализацию водоема (xz).

Множественность следствий представляет композицию связей ряда и параллельных отношений (рис.д). Например, промышлен­ное предприятие (xa) осуществляет выброс отходов в окружающую среду (xb), в результате происходит загрязнение почвы (xf), вод (xm) и воздушного бассейна (xp); суммарное воздействие поллютантов вы­зывает накопление опасных для здоровья веществ в растениях (xt); употребление человеком (xh) в пищу продуктов растениеводства и животноводства, содержащих вредные вещества, грозит его здоровью. Загрязнение почв может приводить к изменению их физических свойств (xu). Загрязнение атмосферы снижает ее прозрачность, что ведет к поглощению и рассеянию солнечной радиации (xv).

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 простые и ясные гео­экологические модели. Однако ввиду сложности структуры реальных экосистем отношения между ее элементами наиболее полно раскры­ваются с помощью моделей множественных причин и множественных бедствий. При моделировании подобных структур невозможно про­следить и учесть абсолютно все связи, в результате экологическое воздействие отдельных факторов носит не жестко детерминированный, а вероятностный характер.

Важные аспекты взаимодействия природных систем со средой раскрывает принцип симметрии П. Кюри. Его суть — в следующем. Симметрия рассматривается как состояние пространства, характерное для среды, где происходит данное явление. 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 так: симметрия порождающей среды как бы накладывается на симметрию тела, возникающего в этой среде. Получившаяся в результате форма тела сохраняет только те элементы своей собственной симметрии, которые совпадают с элементами сим­метрии среды. Применительно к объектам ботанико-географических исследований принцип симметрии П. Кюри проявляется, например, в узоре растительного покрова, характер которого контролируется фак­торами среды и прежде всего рельефом.

При системном анализе принцип симметрии П. Кюри может быть использован для объяснения формирования структуры природной си­стемы под воздействием факторов природной среды. В этом случае результатом наложения факторов 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 диссимметрии — исчезнувшим элементам симметрии данного объ­екта. По его убеждению, для предсказания новых явлений диссимметрия более существенна, чем сама симметрия. Изложенные поло­жения принципа симметрии системы и среды могут использоваться при интерпретации экологических связей в процессе геоэкологических исследований.

Положение о структуре. Структура биосферы порождается ее элементами и отношениями между ними. Для геоэкологии важное значение имеет исследование функциональных и хорологических аспектов структуры 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, устанавливающие корреляции между элементами. Можно с уверенностью утверждать, что структура корреляционных связей в системе отражает особенности 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 геоэкологии весьма существенно изучение пространственных структур — биохор, порождаемых композициями биогеоценозов. Применительно к решению за­дач геоэкологии, следуя рекомендации Б. В. Виноградова, условимся различать пять иерархических уровней биохор и отвечающих им под­разделений географической оболочки — геохор:

— микрохоры и мезохоры — биогеоценозы, входящие в состав морфологических единиц ландшафта, размером 0,01-0,1км²;

— макрохоры — биогеографические (геоботанические) районы, охватывающие территорию конкретных ландшафтов, размером 10—100 км²;

— мегахоры — единицы биогеографического (фитогеографического) и природно-хозяйственного районирования размером 1000—100000 км²;

— гигахоры — главнейшие элементы биосферы и географической оболочки, т. е. океаны и материки, биоклиматические пояса размером более 1000000 км².

Принцип иерархической определенности — один из главнейших в теории геоэкологии. Следуя этому принципу, необходимо четко за­давать иерархический уровень, на котором должны вестись изучение 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 конкретных случаях границы между системами могут быть линейными или расплывчатыми, четко выраженными или за­тушеванными, стабильными или подвижными, однако они объек­тивно существуют независимо от того, обнаружены они или нет. Л. Г. 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. В равной мере это высказывание можно отнести к геоэкологиче­ским исследованиям.