Геосистема як предмет ландшафтної екології

Становлення концепції геосистеми. З 60-х років ХХ ст. у фізичній гео­графії та екології великої популярності набув системний підхід. Предмети своїх досліджень (ПТК та екосистеми) географи та екологи почали трактувати як системи, знаходити їх системні властивості і описувати в термінах системного підходу. Щоб підкрес­лити системний характер предмета ландшафтознавства – ПТК, В. Б. Сочава у 1963 р. ввів термін «геосистема». Під нею він ро­зумів ПТК, але як об’єкт, який має всі основні властивості систем і тому має досліджуватись насамперед як система. Між терміном «геосистема» в такому трактуванні і ПТК принципової різниці не­має. За В. Б. Сочавою, геосистема являє собою «особливий клас ке­рованих систем; земний простір усіх розмірностей, де окремі ком­поненти природи знаходяться в системному зв’язку один з одним і як певна цілісність взаємодіють з космічною сферою та люд­ським суспільством».

Хоч дефініцію геосистеми В. Б. Сочава сформулював надто загально, з його праць чітко визначаються ключові позиції кон­цепції геосистеми, яку розвивали його численні послідовники. Основні положення цієї концепції:

-геосистема – матеріальний об’єкт; її складають природні елементи, а антропогенні та людина розглядаються як зовнішнє середовище;

-геосистемою вважається як елементарна ландшафтна одиниця (фація), так і геосфера в цілому;

-геосистема виділяється як об’єм простору, у межах якого геокомпоненти мають специфічний характер усіх типів зв’язків;

-геосистема – категорія динамічна і проявляється за де­який проміжок часу.

Важливий імпульс для розвитку концепції геосистеми дав ви­хід у 1971 р. книги Р. Чорлі та Б. Кеннеді «Фізична географія: системний підхід». У ній було проголошено ідею про множинність типів систем, які мають бути предметами фізико-географічного аналізу. До цих типів вони віднесли системи морфологічні, кас­кадні, системи типу «процес – відгук», керовані (контрольовані). Геосистеми в трактуванні школи В. Б. Сочави за цим поділом на­лежать до типу морфологічних. Натомість М. О. Гвоздецький (1973) та К. М. Дьяконов (1975) запропонували вважати за геосистеми території, в межах яких діє односпрямований потік пев­ної речовини, наприклад води, тобто надавали їм тільки каскад­ного змісту. Як геосистеми в такому трактуванні розглядаються окремі схили, річкові басейни І—III порядків тощо.

Д. Л. Арманд ⁵⁶ (1975) надавав геосистемам функціонального значення і розумів під ними процеси, які пов’язують між собою окремі регіони або геокомпоненти. Як геосистеми він розглядав атмосферну циркуляцію, кругообіги води, органічної речовини тощо. Геосистеми Арманда належать до систем «процес — відгук» та керованих. Конструктивною рисою концепції Д. Л. Арманда є принцип виділення геосистем за певним процесом.

З кінця 70-х років ХХ ст. усе більшого поширення набуває трактуван­ня геосистеми не як матеріального об’єкта, а як його моделі, абстрагованого відображення, розумової конструкції. Таке розумін­ня геосистеми поділяють німецькі геоекологи, О. Д. Арманд та багато інших.

Згодом під терміном «геосистема» почали розуміти будь-яку територіальну систему як природного, так і соціального поход­ження. Геосистеми можуть бути неоднакових типів і виділяти їх можна за різними принципами (за різними системоутворюючими відношеннями). Таке трактування геосистеми поділяють О. Д. Ар­манд, В. О. Боков, В. С. Преображенський, та ін­ші географи; схиляється до неї також І. Крхо, поділяючи геосисте­ми на природні та соціальні. Цю ж пропозицію було зафіксовано в тлумачному словнику «Охорона ландшафтів».

Ландшафтна екологія як природнича наука розглядає лише природні геосистеми. Виходячи з домінуючого та виправданого з методологічної точки зору трактування геосистеми як загального поняття, можна подати таке її широке визначення: геосистема – клас полігеокомігонентних природних систем, які виділяються з реального тривимірного фізичного простору як його певний об’єм (реальний чи уявний), у межах якого протягом деякого інтервалу часу природні елементи й процеси завдяки існуючим між ними та з зовнішнім середовищем відношенням певного типу (генетико-еволюційним, позиційним, речовинно-потоковим та ін.) упорядкову­ються у відповідні цим відношенням структури з характерними ін­варіантними ознаками та динамічними змінами.

Загальні властивості геосистем. До основних загальних власти­востей геосистем належать: територіальність-просторовість, поліструктурність, складність, цілісність, відкритість, динамічність, стійкість, стохастичність.

Територіальність-п росторовість — це особливість геосистем, яка відрізняє їх від багатьох систем інших класів, зокрема екосистем. Із зовнішнього середовища геосистеми виді­ляються як певні ділянки території. Кожну геосистему можна описати метричними показниками (площею, лінійними розмірами) і топологічними (характеризують положення даної геосистеми що­до інших геосистем або об’єктів іншої природи). Територіальність геосистем дає можливість ефективно використовувати картографічні методи при їх виділенні, зображенні та аналізі.

Фактично геосистеми виділяються не стільки як територіальні (двовимірні), скільки як просторові системи. Проте просторовість властива багатьом класам систем і взагалі не потребує залежності характеристик системи від місцеположення та розмірів території. Структурні, динамічні та інші особливості геосистеми дуже за­лежать від того, яку саме ділянку земної поверхні (території) вона займає. Тому цю її властивість доцільно називати територіальністю-просторовістю.

До геосистем належать природні системи лише певного просторового інтервалу. Лінійні розміри геосистем найменших розмірів – декілька метрів, а географічної оболонки, якщо її вважати за геосистему, – 10⁷-10⁸ м по горизонталі та 10³ -10⁴ м по вертикалі. Таким чином, аналіз геосистем виконується в просторовому інтервалі від 10° до 10⁸ м. Як довів В. О. Боков, порівняно з величинами, відомими в природі (найменші досліджені відстані становлять 10^{-22 м, розміри найбільших галактик – 1021 м), це дуже малий діапазон – тільки 10-31} % інтервалу відомих у природі лінійних відстаней.

Розмір геосистеми визначає особливості факторів її формування та динаміки, багато інших особливостей, а також методи дослідження. На цій підставі розробляється концепція просторової розмірності геосистеми. Згідно з нею різні ранги геосистем можна узагальнити до значно меншого числа розмірностей. Щодо числа цих класів єдиної думки у ландшафтних екологів та ландшафтознавців немає.Найдоцільніше виділення 6 класів (рівнів) просторового геосистемного аналізу:

1) субтопічний (просторовий масштаб 10°–10¹ м²);

2) топічний (10²-10⁴ м²);

3) хоричний (10⁴–10⁸ м²);

4) регіональний (10⁷–10¹²) м²);

5) субглобальний (10¹⁰–10¹⁴ м²);

6) глобальний (10¹⁴–10¹⁶ м²).

Ландшафтна екологія досліджує геосистеми лише перших чотирьох просторових рівнів, залишаючи субглобальний та глобальний аналіз вченню про геосистеми, землезнавству та глобальній екології. Таким чином, просторовий масштаб ландшафтної екології вужчий: 10°-10⁶ м.

Поліструктурність.Під структурою системи розуміють характер поєднання її елементів певного типу відношеннями. Оскільки в тій самій системі можуть бути відношення різних типів, то й поєднання ними елементів також буде неоднаковим, тобто в одній системі може бути кілька різнихструктур. Такі системи називаються поліструктурними. Ними, наприклад, є суспільні системи (у них виділяють статево-вікову, етнічну, професійну та інші структури, які не збігаються). Ці відношення визначають спосіб поділу системи на її елементи (декомпозицію системи), їх склад та поєднання у підсистеми.

Визначення типу відношень, які вважаються структуроформуючими, тобто відносно яких виділяється структура геосистеми, залежить від аспекту аналізу останньої. Найбільш загальними аспектами аналізу геосистем є:

1) вертикальний (синонім – топічний), де елементами є різні фізичні тіла геокомпонентів; а відношеннями – вертикальні потоки різних речовин та енергії, генетико-еволюційні та ін.;

2) територіальний (синонім – хоричний), елементами якого є геосистеми нижчого рангу, ніж досліджувана, а відношеннями – горизонтальні потоки між ними, позиційні залежності, генетико-еволюційні та ін.;

3) часовий (сино­нім – динамічний), елементи якого виділяються як окремі інтервали часу, а відношення – як послідовність їх змін.

Відповідно виділяються вертикальний, територіальний та ча­совий класи структур геосистеми.

Кожен із загальних аспектів аналізу геосистеми реалізується у більш конкретних формах. Так, у рамках територіального аспекту досліджуються такі різні типи відношень, як зв’язок геосистем потоками води, повітря, міграцією тварин, їх позиційні, генетико-еволюційні зв’язки тощо. Відповідно до цих типів відношень виді­ляються й різні типи територіальних структур геосистеми. Послі­довна конкретизація аспекту аналізу геосистеми веде до конкрети­зації поняття її структури. Схему класифікації структур геосистем показано на рис. А.9 (додаток А).

Ефективним підходом структурного аналізу геосистем є мо­дульний. Модуль системи виділяється як сукупність усіх її елемен­тів, пов’язаних безпосередніми відношеннями з якимось одним елементом або їх деякою фіксованою групою. На рис. А.8 (додаток А) добре видно це визначення. Будь-який модуль є моноцентричною структурою. Класична модель екосистеми — типовий приклад модуля, виділеного з геосистеми. Взагалі в геосистемі можна виділити як мінімум стільки модулів, скільки в ній є елементів, тобто в межах однієї геосистеми можна аналізувати багато різних екосистем – ґрунту, певного виду рослин чи всього фітоценозу або ґрунтово-рослинного комплексу тощо.

С к л а д н і с т ь. Складними вважаються системи, сформовані багатьма елементами різних типів, між якими існують різнорідні зв’язки. Ознакою складності системи вважають також неоднознач­ність її реакції до зовнішніх впливів. Усі ці ознаки притаманні геосистемам. Так, елементи їх вертикальних структур різні за фазовим станом (тверді, рідинні, газові), хімічним складом, наяв­ністю та формою органічного життя, функцією, положенням у геосистемі тощо. Зв’язки між ними також різноманітні і проявляються в таких процесах, як потоки різних речовин і енергії, конкурентних та інших відношеннях. Аналогічні властивості територіальних та часових структур геосистем.

Ц і л і с н і с т ь – властивість системи, яка проявляється в тому, що вилучення знеї певного компонента призводить до її карди­нальної перебудови або взагалі загибелі, а сам цей компонент окремо від системи існувати не може або ж він якісно змінюється. Геосистеми мають риси цілісності. Так, позбавлення геосистем ґрунту призводить до їх трансформації в цілому – вони не можуть мати і рослинності, практично щезає трофічна структура, фор­муються специфічні водний, радіаційний, геохімічний та інші ре­жими. Такої ж радикальної трансформації зазнає територіальна структура геосистеми. Наприклад, вилучення з неї елементів ло­кальної ерозійної сітки (геосистем лощин, ярів, балок) призводить до інтенсивного заболочення вододілів, зміни гідрологічного і ландшафтно-геохімічного режимів геосистеми в цілому.

Своєрідність прояву цілісності у геосистемах полягає в тому, що з вилученням із їх структури певних елементів геосистема стає іншою (іншого типу), але не замінюється системою якогось іншо­го класу (на «негеосистему»). У цьому відношенні цілісність гео­системи значно нижча, ніж цілісність біосистем (наприклад, окре­мого організму), технічне вилучення деяких елементів з яких призводить до їх розпаду (загибелі або поломки). У геосистемах може й не бути деяких геокомпонентів (ґрунтів, рослин), проте системні зв’язки між тими, що є, і тут зберігаються.

Більш «сильним» виявом цілісності систем є їх емерджентність (синонім – холістичність), тобто притаманність системі таких вла­стивостей, якостей та функцій, яких не має жоден з її елементів і які не можуть виникнути при їх механічній суміші, а тільки за умо­ви їх взаємодії. Як приклад таких холістичних проявів геосистеми можна навести продуційний процес (продукування біомаси – ре­зультат складної взаємодії усіх геокомпонентів), круговороти різ­них субстанцій, здатність геосистеми до самоочищення тощо.

В і д к р и т і с т ь. Відкритими є системи, частина елементів яких мають зв’язки з елементами, що не належать до її структури. Елементи останнього типу складають зовнішнє середовище гео­системи, а зв’язки, які йдуть від них до системи, називають вхід­ними, входами, зовнішніми сигналами. Крім вхідних, є й вихідні зовнішні зв’язки системи (синоніми —виходи, відгуки). Системи, які мають лише вхідні зовнішні зв’язки і практично не мають вихідних, називають напівзакритими. Закритими вважаються системи, у яких немає зовнішніх зв’язків, тобто які не залежать від зовнішнього середовища. Щодо геосистем останнього сказати не можна, оскільки такі вхідні потоки, як надходження сонячної радіації, атмосферні опади тощо — неодмінна умова їх існування. Проте як напівзакриті можна розглядати деякі типи геосистем, напри­клад, акумулятивного геохімічного режиму. Горизонтальними потоками води, вітру, речовини, біотичними міграціями одні геосистеми пов’язані з іншими. Геосистеми відкриті і до антропогенних навантажень.

Ступінь зв’язку геосистем із зовнішнім середовищем настільки тісний, що є важливі підстави вважати їх характерною ознакою слабкої виділеності із зовнішнього середовища. З цією особливістю пов’язана, зокрема, складність визначення вертикальних та горизонтальних меж геосистеми.

Д и н а м і ч н і с т ь. Динамічними називаються системи, значен­ня характеристик яких змінюються в часі. У різні проміжки часу геосистема може перебувати у неоднакових станах, тому її повний опис передбачає вияв цих станів та послідовності їх змін. Таким чином, геосистеми виділяються не тільки в просторі, але і в часі. Якщо з просторово-територіальної точки зору геосистема вичленовується як деякий територіально локалізований об’єм, то з часової— як певний інтервал часу, протягом якого геосистема виявляє свої основні особливості.

Важливою особливістю динаміки геосистем є те, що різні її характеристики змінюються в часі з різною частотою. Метеорологічні показники дуже мінливі, тоді як властивості геологічної основи геосистеми змінюються дуже повільно. Виділяють різні класи часових розмірностей геосистеми. Прийнято розрізняти добову, сезонну (річну) та багаторічну динаміку.

Ландшафтна екологія досліджує зміни геосистем в інтервалі від кількох хвилин до кількох десятків тисяч років, тобто у діапазоні 10²-10¹². Причому між просторовими та часовим масштабами ландшафтно-екологічного аналізу є певні відповідності.

С т і й к і с т ь у геосистеми проявляється в багатьох формах і дає їй змогу протистояти зовнішнім впливам, зокрема антропогенним, зберігати при взаємодії із зовнішнім середовищем свою цілісність та інші ознаки. Нестійкі в даних умовах геосистеми змінюються на більш стійкі типи, тому стійкість геосистеми значною мірою зумовлена генетико-еволюційно. У процесі еволюції шляхом пристосування геокомпонентів та контактуючих геосистем одна до одної формуються їх стійкі ландшафтно-екологічні взаємовідно­сини і структури. В умовах інтенсивного втручання людської діяльності в природу ця рівновага часто порушується. Розвиток деградаційних процесів у геосистемах (вимирання видів, ерозія та засолення ґрунтів, забруднення тощо) є не чим іншим, як ре­зультатом втрати ними стійкості до антропогенних навантажень. Тому оцінка стійкості геосистеми до зовнішніх факторів є однією з найважливіших прикладних проблем ландшафтної екології.

С т о х а с т и ч н і с т ь. Стохастичними називаються системи, залежність між характеристиками яких та їхні зв’язки із зовнішнім середовищем не жорстко детерміновані (функціональні), а стати­стичні, ймовірнісні. Причин цього багато; одна з них полягає у опосередкованості взаємодій між елементами геосистем: елемент Адіє на В, В – на С і т. д. Такі ланцюги зв’язків у геосистемі можуть бути дуже довгими. А чим довший ланцюг, тим менш тісни­ми, менш однозначними стають зв’язки між кінцевими елементами. На геосистему діє багато зовнішніх факторів суто стохастичної, ймовірнісної природи (наприклад, випадання опадів), що зумов­лює ймовірнісний характер її динаміки та еволюції.

Стохастичність геосистем проявляється у статистичному (коре­лятивному) характері зв’язків між її окремими ознаками (наприк­лад, між продуктивністю та гумусністю, сумою опадів тощо), від­сутності жорсткої прив’язаності одного типу геокомпонента до іншого (певного виду рослинного угрупування до лише одного пев­ного виду ґрунту), незбігові природних меж різних геокомпонен­тів, неоднозначності змін геосистем за певних антропогенних на­вантажень, імовірнісний характер динаміки, в тому числі прог­нозної тощо. Усе це береться до уваги при дослідженні геосистем методами теорії ймовірностей та математичної статистики.

Розділ. 8 Вертикальні структури геосистеми: склад та декомпозиція (топічна ландшафтна екологія)

Основні положення

П о н я т т я в е р т и к а л ь н о ї (т о п і ч н о ї) с т р у к т у р и. При аналізі вертикальної (синонім — топічної) структури геосистеми вважається, що вона однорідна в територіальному відно­шенні, але «по вертикалі» розкладається на різнорідні частини (рослинність – ґрунт – гірські породи тощо або різні яруси рос­линності – горизонти ґрунту – шари гірських порід тощо), які пов’язані між собою певними відношеннями. Структури подібного типу називають вертикальними, хоча ця назва не зовсім точно від­биває їх суть. Під складовими вертикальних структур мають на увазі не стільки різні за своїм висотним положенням шари гео­системи, скільки деякі її частини, специфічні в ній за функцією, фізико-хімічними та іншими характеристиками. Такі різні частини можуть займати в геосистемі спільний «висотний поверх» (як, наприклад, трав’яні рослини та наземні тварини), а деякі – прони­зувати весь її вертикальний розріз (гази, волога). Тому термін «вертикальна структура геосистеми» слід вважати дещо умовним.

При аналізі вертикальної структури геосистеми будь-яка з її складових розглядається як територіально однорідна, тобто при­пускається, що її характеристики на певній площі лишаються незмінними. Увага акцентується на тому, що зміна зна­чень цих параметрів визначається взаємодією між елементами вер­тикального розрізу геосистеми. Насправді ж припущення щодо несуттєвості внутрішньотериторіальних відмінностей може бути спра­ведливим хіба що для геосистеми елементарного рівня – фації. Проте це не виключає можливості аналізу вертикальних структур і геосистем вищих таксономічних рангів, якщо необхідно зосередити увагу не на їх внутрішньотериторіальних відмінностях, а на взаємодії компонентів природи або деяких інших частин їх вертикальної будови. Такий підхід, наприклад, використовується при аналізі водного балансу геосистем річкових басейнів, теплового та інших балансів ландшафтних зон тощо.

К о н ц е п ц і я м н о ж и н н о с т і в е р т и к а л ь н и х с т р у к т у р. Щоб виділити вертикальну структуру геосистеми, необхідно визначити множину її елементів і тип відношень (зв’язків) між ними. Внутрішньогеосистемні зв’язки надзвичайно різноманітні. Багато з них зумовлені потоками різних речовин та форм енергії, деякі – фізико-хімічними, біохімічними взаємодіями, інші – відношеннями між популяціями організмів та їх окремими особинами, важливі також генетико-еволюційні зв’язки між різними геокомпонентами та їх частинами тощо. В основі цих відношень лежать різні закономірності, і тому аналіз кожного з них пов’язаний із специфічним аспектом розгляду вертикальної будови геосистеми, тобто приводить до виділення власної структури. Це означає, що у одній геосистемі можна виділити кілька вертикальних структур різних типів. Геосистема є поліструктурною у вертикальному відношенні.

Тип внутрішньогеосистемних відношень є основою виділення певної вертикальної структури геосистеми, оскільки визначає найдоцільніший спосіб її поділу на елементи; характер зв’язків між ними; варіанти групування елементів у більші структурні одиниці – підсистеми, компоненти, модулі (тобто способи декомпозиції вертикальної структури).

Оскільки внутрішньогеосистемних зв’язків дуже багато, то стільки ж має бути виділено й відповідних їм структур. Проте це не виключає можливості визначити деякі загальні типи вертикаль­них структур геосистеми. Така можливість ґрунтується на близь­кості багатьох процесів за їх фізичною суттю, характером пере­бігу, змінами геосистеми, які зумовлені цими процесами. Відпо­відно й способи структуризації вертикального розрізу геосистеми для таких зв’язків однотипні. З цієї точки зору всю множину внутрішньогеосистемних зв’язків умовно можна поділити на такі типи: генетико-еволюційні; зумовлені потоком енергії та її транс­формацією; зумовлені речовинними потоками (міграцією речовин); відношення тісного кореляційного або інформаційного зв’язку ха­рактеристик геосистеми.

Кожний з цих типів відношень визначає відповідний підхід до виділення вертикальних структур геосистеми (її структуризації). Ці підходи відрізняються принципом, покладеним в основу виділення структурних частин геосистеми (її елементів, компонентів тощо). Можна розрізняти принаймні три загальних підходи структуриза­ції геосистеми та відповідно три типи її вертикальних структур:

геокомпонентний (поділ вертикального розрізу геосистеми за ком­понентами природи і далі за їх генетично однорідними частинами);

речовинно-фазовий (структурні частини виділяються як тіла, од­норідні за фазовим станом, фізико-хімічними та іншими властиво­стями речовини);

просторово-об’ємний (вертикальний профіль гео­системи поділяється на деякі однорідні шари, точніше – об’єми).

Елементи вертикальних структур. Перш ніж ви­ділити елементи вертикальних структур геосистеми, необхідно визначити, який принцип оцінки однорідності взято за основу структуризації геосистеми (генетичний, речовинно-фазовий тощо) та який рівень детальності структурного аналізу геосистеми достатній для розв’язання поставленого завдання. Вирішення пер­шого з цих питань визначається тим із загальних типів вертикаль­ної структури геосистеми, який аналізується. Щодо другого питання, необхідно зауважити, що мета будь-якого конкретного дослідження геосистеми завжди безпосередньо або опосередковано виз­начає деяку граничну межу її структуризації, тобто задає такі об’єкти вертикальної структури геосистеми, аналіз внутрішньої будови яких для даного дослідження вже не має значення. Загальних критеріїв визначення таких об’єктів немає, їх обґрунту­вання залежить від досвіду фахівців.

Спроби віднайти якісь «об’єктивно існуючі» (незалежні від конкретного дослідження), ніби задані самою геосистемою, її не­подільні частини (ландшафтні «атоми», «кристали», «геоелементи» тощо), а також деякі «універсальні» критерії елементарності були як в екології, так і в ландшафтознавстві. Незважаючи на деякі цікаві в плані теорії результати цих спроб, визначення елементарного об’єкта системи залежить тільки від мети та бажаної детальності аналізу. Ним може бути і рослинність взагалі (при загальнотеоретичному аналізі геосистеми), і певна екологічна група видів рослин, і окремий вид, і окрема рослина, навіть її окремі морфологічні органи.