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

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.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 связей приближает 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) 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 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 причин как 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.