Оптимізація геосистем – це дії, спрямовані на переведення геосистем у стани, в яких вони здатні максимально ефективно виконувати задані функції, не зазнаючи при цьому небажаних змін протягом невизначено довгого часу.
Геосистему можна оптимізувати в різних напрямах – до максимально ефективного виконання нею деякої виробничої функції (наприклад, аграрної), максимізації її пейзажної привабливості, максимального збереження та відтворення первісного природного стану тощо.
Першим етапом оптимізації геосистем є визначення ландшафтно-екологічних пріоритетів розвитку регіону. Воно полягає у ранжуванні видів функцій у порядку їх значущості для даного регіону з урахуванням сучасної екологічної ситуації в ньому, специфіки його ролі в масштабі держави (спеціалізація у виробничому комплексі) та вищих одиниць ландшафтно-екологічного районування (унікальність природних умов, ступінь збереженості природних ландшафтів), загальних тенденцій та потреб соціально-економічного розвитку.
За ступенем значущості окремих функцій регіони можуть суттєво розрізнятися, проте в сучасних умовах для їх усіх найвищий пріоритет мають антропоекологічні функції (забезпечення та відтворення умов середовища, за яких немає загрози для здоров’я та самопочуття людини) та природоохоронні (збереження «живої» природи, стійкість антропізованих геосистем до процесів деградації – ерозії, засолення, дегуміфікації тощо).
Пріоритет другого порядку слід визнати за функцією, відповідно якій геосистем має найвищий природний потенціал. При однаково сприятливих природних умовах для виконання декількох функцій пріоритет слід віддати тій з них, яка пов’язана з меншим екологічним ризиком або надто важлива з економічної точки зору. Наприклад, для геосистеми, яка має високий агропотенціал та багаті ресурси горючих копалин, пріоритетною буде гірничовидобувна функція.
Ефективна реалізація пріоритетної функції здебільшого можлива при виконанні геосистемою деяких інших функцій, пов’язаних з нею. Так, рекреаційна функція виконується більш ефективно, якщо геосистема несе також естетичну, інформаційно-пізнавальну функції та деякі інші. Загалом кожна функція має характерний «кортеж» інших функцій, реалізація яких сприяє її ефективному виконанню. Таким чином, пріоритетність функцій визначається як ієрархія цілей оптимізації – функціями першого порядку є природоохоронна та антропоекологічна, другого – ті, що мають найвищий природний потенціал, третього – функції, що сприяють виконанню функцій 2-го порядку. Наприклад, для Південного берега Криму пріоритетність функцій така: природоохоронна та антропоекологічна – рекреаційна – естетична – інформаційно-пізнавальна – функція водопостачання – комунікаційна.
Визначення пріоритетності функцій є основою розробки регіональної екологічної політики, зокрема обґрунтування схем функціонального зонування регіону.
Крім встановлення ландшафтно-екологічних пріоритетів, оптимізація геосистем має ґрунтуватись на визначенні тих станів геосистем, які є для них оптимальними в природному та соціофункціональному відношеннях.
Із соціофункціональної точки зору оптимальними е стани, перебуваючи в яких геосистема здатна виконувати задану функцію максимально ефективно. Для визначення таких станів для кожної функції необхідно встановити деяку її характеристику, за величиною якої можна судити про ефективність функціонування геосистеми. Для більшості функцій таких характеристик є декілька. Так, для агрофункції ними можуть бути: врожайність, показники якості продукції (вміст клейковини в зерні, цукру у винограді тощо), собівартість продукції та ін. Завдання полягає у визначенні параметрів геосистеми, за яких значення показників ефективності її функціонування досягають максимуму або деякого запланованого рівня.
Для цього для кожної змінної геосистеми знаходять залежність між її значеннями та показником ефективності (наприклад, між запасами гумусу в ґрунті та врожайністю, вмістом солей у ньому та цукристістю винограду). Якщо ці залежності встановлені, то за ними можна визначити діапазони оптимальних значень характеристик геосистеми. Методи вирішення подібних завдань розроблені в лінійному програмуванні. На основі такого підходу виявлено оптимальні значення багатьох змінних геосистеми. Так, для агрофункції геосистем степової зони України оптимальна вологість ґрунту знаходиться в діапазоні 60 – 80 % найменшої вологоємності, оптимальні температури коливаються від 12 – 14 ° (для фази сходів та кущення) до 18 – 22 ° (фази колосіння та визрівання), глибина промочування геосистеми дощами та поливними водами 60 – 80 см, рН ґрунту 6,1 – 7,2, запаси гумусу – більше 600 – 650 т/га, потужність гумусових горизонтів 150 – 160 см, щільність ґрунту 1,10 – І,.45 г/см3, вміст водорозчинних солей – не більше 0,10 %, рівень прісних ґрунтових вод 120 – 160, мінералізованих – глибше 5 -10 см.
Області станів геосистеми, визначені за зв’язком її змінних з показником ефективності, є оптимальними з функціональної точки зору. Проте при визначенні цих областей не враховується виконання геосистемою ресурсозберігаючих та середовищевідновлювальних функцій. Оптимально ці функції виконуються, якщо геосистема знаходиться в області нормальних природно зумовлених станах. Тому з природноландшафтної точки зору критерієм оптимальності геосистем є нормальність її стану.
Нормальні стани геосистеми формуються за відсутності збурюючих факторів в умовах статистичного «шуму» – фонового коливання інтенсивності багатьох факторів її динаміки.
Важливим критерієм оптимальності геосистем є їх стійкість до антропогенних впливів – оптимальними є лише ті області станів, знаходячись у яких геосистема характеризується низькою ймовірністю відмов та високою ймовірністю відновлення. Тобто оптимальними слід вважати локально стійкі, стани геосистеми. Цей критерій вимагає визначення оцінок стійкості геосистем у станах, які є оптимальними в природному та функціональному відношеннях. Якщо ці стани нестійкі, а відтак пов’язані з екологічними ризиками та конфліктними ситуаціями, за оптимальні з ландшафтно-екологічної точки зору їх вважати не можна. У цьому разі як оптимальні визначаються стани геосистеми, знаходячись у яких вона виконує господарську функцію з дещо меншою ефективністю, ніж максимально можлива, проте її стійкість при цьому забезпечується на бажаному рівні.
Оптимальна ландшафтно-екологічна організація території зводиться до обґрунтування такої територіальної диференціації функцій (на практиці – схеми угідь), за якої максимально повно реалізуються природні потенціали геосистем, виключені конфліктні ситуації між її функціональним використанням та природними особливостями, забезпечується з заданою високою ймовірністю стійкість як окремих геосистем, так і ЛТС в цілому. Оптимально організована територія має бути не тільки високопродуктивною та безконфліктною, але й естетично привабливою.
Задоволення усіх цих вимог – складна ландшафтно-екологічна проблема, хоч можна назвати окремі регіони, територіальна організація яких близька до оптимальної. Здебільшого це території національних парків, де оптимуму досягнуто певною мірою стихійно – шляхом адаптації (тривалого історичного пристосування) форм господарювання місцевого населення до особливостей природного ландшафту.
Оптимізація організації території виходить з визначених для неї ландшафтно-екологічних пріоритетів. Визнаючи природоохоронну функцію за пріоритетну для будь-якого регіону, при його.ландшафтно-екологічній оптимізації першочерговим завданням є визначення оптимального співвідношення природних та господарських угідь.
З ландшафтно-екологічних позицій слід визначити не тільки оптимальне співвідношення угідь, але й мінімально необхідну площу окремої ділянки природної рослинності (біоцентру) та оптимальну структуру їх розміщення по території. Таким чином, проблема оптимальної організації природного каркасу ландшафту включає 3 важливі завдання: виявити оптимальне процентне співвідношення природних та господарських угідь; визначити мінімально необхідну площу окремого біоцентру; спланувати оптимальну біоцентрично-сітьову ЛТС.
Визначення оптимального співвідношення площ природних та господарських угідь. Оскільки основний негативний наслідок зведення лісів та розорання степів – інтенсифікація ерозійних процесів, необхідну лісистість («цілинність») території можна розрахувати, виходячи з кореляційної залежності між лісистістю та коефіцієнтом стоку. О.О.Молчанов (1960) наводить фактичні дані про цю залежність для різних водозбірних басейнів території колишнього СРСР. Виходячи з цих даних та визначивши значення коефіцієнта стоку, при якому лімітується ерозія (воно близьке до 10-15 %), отримано, що для досягнення таких значень стоку в степу лісистість має складати 10 %, а в лісостепу-15 %. Оптимальну лісистість можна орієнтовно визначити також за максимальною величиною приросту підземного стоку в складі водного балансу. З досвіду його визначення видно, що в межах України величини оптимальної лісистості зменшуються з північного заходу та півночі на південний схід та південь від 39-40 до 16-17 %. Для зони мішаних лісів оптимальна лісистість складає 23/40 %, лісостепу – 17-23, степу 15-17 %.
Мінімальний розмір біоцентру можна встановити з біоекологічної, фізико-географічної та агроекологічної точок зору. З біоекологічних позицій оптимальна площа біоцентру має бути такою, щоб забезпечувалось ефективне самовідтворення популяцій та гарантувалось їх існування протягом невизначено довгого часу. Для цього необхідні площі в кілька сотень і тисяч квадратних кілометрів, що зараз для більшості регіонів недосяжне. Тим не менше, з встановлених залежностей між площею біоцентру та його видовим складом, віковою структурою популяцій випливає, що для різних угруповань існують деякі критичні значення площі, нижче якої різко зменшується їх видова насиченість та інші фітоценотичні показники. За даними європейських ландшафтних екологів, для багатьох типів рослинності такою площею є 200 м2. Цю величину орієнтовно" можна прийняти за мінімально необхідну площу окремого біоцентру. Проте стійкість популяційної структури угруповань таких ареалів мала і завжди є високий ризик їх деградації.
З фізико-географічної точки зору мінімальний розмір ділянки з природною рослинністю (насамперед лісовою) має бути таким, щоб вона могла впливати на мезоклімат. Цей фактор особливе значення має для регіонів з недостатнім зволоженням. Для різних ландшафтних зон розмір лісових масивів, при якому вони впливають на збільшення атмосферних опадів, коливається від кількох до десятків квадратних кілометрів. Біоцентри, площею менші за 1 км 2, мезоклімату регіону практично не змінюють.
З агроекологічної точки зору біоцентр, вкраплений у структуру агроландшафту, має оптимізувати прилеглі поля за рахунок птахів, комах, рептилій, що живуть у ньому. При цьому можна і не вимагати від такого біоцентру стійкості його популяційної структури, допускається їх певна деградація, яка може лімітуватися: штучно (підсадкою дерев, чагарників тощо). Ділянки з насадженою природною рослинністю площею 0,5-1 га в степовому ландшафті забезпечують біологічний захист та запилення агроценозів у радіусі 2 км. Біоцентри меншої площі такої оптимізуючої ролі не відіграють.
Обґрунтування оптимальної територіальної структури природних угідь ґрунтується на концепції біоцентрично-сітьової ЛТС. В оптимально організованій території всі біоцентри мають бути зв’язаними біокоридорами в єдину мережу. При невідповідності параметрів існуючої ЛТС умовам території слід створити нові біоцентри та біокоридори. Оптимальним місцеположенням останніх є балки та лощини. Крім стабілізації біоцентрично-сітьової ЛТС, створені тут лісонасадження та залужені схили виконують також протиерозійну та водозахисну функції.
Території, не зайняті природною рослинністю та забудовою, мають бути диференційовані на угіддя відповідно до природних потенціалів та оцінок стійкості геосистеми до антропогенних впливів. Причому останній критерій має пріоритетне значення перед високим потенціалом геосистеми.
