 |
Устойчивость природных систем
|
|
|
|
Развитие и науки и производства в последние десятилетия доказало справедливость теории Мальтуса об ограниченности ресурсов природы. Выявлено, что среда обитания человека хрупка и уязвима, а цели его деятельности противоречивы и не всегда соответствуют целям систем природы (в большинстве случаев они им противоположны).
Нет сомнений, что дальнейшее развитие процессов природопользования немыслимо без определения устойчивости биосферы как системы в целом и входящих в неё экосистем более низкого иерархического уровня, а также составляющих их компонентов. Это очень важно при решении вопросов нормативного характера: составлении ГОСТов, выработке экологических нормативов и законов, регламентирующих природопользование. Наиболее остро проблема устойчивости встаёт при решении вопросов освоения новых земель, при проведении мониторинга, крупномасштабных мероприятий, так или иначе изменяющих структуру и компонентный состав природной среды (переброски стока рек, мелиорации, сведение лесов). Кроме того, проблема устойчивости систем – одна из центральных проблем системного анализа и математического моделирования. Следовательно, нам необходимо остановится на ней более подробно.
В связи со сложностью поставленной задачи осветим вначале некоторые общие вопросы.
Для любого содержательного эмпирико-теоретического исследования необходимы три предпосылки: объект исследования, цели исследования и «цели» объекта, ограничения. Чтобы определить конкретный объект нашего исследования, вначале определим некоторую цепочку дефиниций, понимая систему как множество объектов вместе с отношениями между ними (то есть структурой) и между их атрибутами – свойствами (Ackoff, 1960; Bertalanfy, 1962; Кафаров, 1985; Клир,1990).
|
|
|
Не вступая в противоречие с общей теорией систем, где они подразделяются не по их физической, химической, биологической природной сущности, а по способу их функционирования, определим, что изучаемая нами природная среда относится к классу открытых целенаправленных адаптивных систем (Geins, 1972; Клир, 1990), одна из подсистем которой (биота) относится к целенаправленным самовоспроизводящимся системам. Собственно, такое общее определение системы практически совпадает с классической дефиницией экосистемы, принятой в науках биологического профиля. Экосистемой называется функциональная система, включающая в себя сообщество живых организмов и среду их обитания (Фёдоров, Гильманов, 1980).
Однако при таком определении на принципы выделения экосистемы не накладывается никаких ограничений. Более того, размеры экосистемы не ограничены ни снизу, ни сверху. Экосистемой может быть и колония бактерий и бассейн р. Оби. Такое определение из-за излишней общности с трудом может быть применено в задачах конкретного типа. Более конкретным и практически эквивалентным экосистеме является понятие биогеоценоза (БГЦ) – участка биосферы, через который не проходит ни одна существенная биоценотическая, геоморфологическая, гидрологическая и почвенно-геохимическая граница (Тимофеев-Ресовский, 1975; Светлосанов, 1990; Реймерс, 1990). Собственно такое понятие экосистемы близко по смыслу и размерам
Лито-педо-фитону О.Б.Виноградова (1988), элементарному ландшафту Б.Б.Полынова (1954), элементарному почвенному ареалу В.М.Фридланда (1972), педофитоаэроценозу Н.А.Журавлёвой (1994).
Не вдаваясь в схоластический спор по поводу дефиниций, определим, что нашим объектом исследования будет являться иерархическая квазистационарная адаптивная целенаправленная природная система, включающая в себя сообщество живых организмов и среду их обитания вместе с их отношениями (структурой) и атрибутами (свойствами), обладающая минимумом внутренних горизонтальных границ и имеющая собственную историю развития.
|
|
|
Общие положения теории устойчивости экосистем и их компонентов
Именно так понимают экосистему и многие современные экологи, особенно специалисты в области математической экологии (Tasley, 1936; MacArtur, 1955; Margalef, 1968; Свирежев, Елизаров, 1972; Свирежев, Логофет, 1978; Свирежев, 1984).
Пространственно-временная изменчивость является всеобщим фундаментальным свойством материи, следствием её движения. В экосистемах как объекте исследования экологии это следствие двух макроформ: биотической и абиотической. Можно сформулировать следующим образом основную закономерность экологии как науки.
Современное состояние экосистемы и ландшафта в целом, их движение во времени обусловлены древними и современными процессами (эндогенными и экзогенными) геологической, физико-географической, биологической природы и современными процессами антропогенного происхождения.
Указанные процессы имеют разные режимы во времени, обладают пространственной структурой и различием в разных точках географического пространства. Из этого можно предположить, что продукты данных процессов (состав, структура, состояние ландшафтов и экосистем) обнаруживают значительные различия в разных точках пространства и изменяются во времени. Пространственно-временная изменчивость основных свойств экосистемы и ландшафта наследует черты пространственной структуры и временного режима комплекса процессов биотической и косной природы. Неизменна только территория: её ландшафтное и экосистемное заполнение изменяется в зависимости от процессов, происходящих в литосфере и в географической оболочке. Какова история этих процессов, такова и история ландшафтного заполнения территории. Современное состояние экосистем в ландшафте определяется современной геоситуацией – исторически сложившейся обстановкой, совокупностью факторов в данной точке топографического пространства Земли (Трофимов, Солодухо, 1986). Таким образом, экосистемы имеют прошлое, настоящее и будущее – историю развития.
|
|
|
Пространственно-временную изменчивость состава и свойств экосистем формируют парагенезы процессов разных уровней от молекулярно-ионного до биосферного. Выявление неоднородности и изменчивости всегда сопровождает процедуру классифицирования объектов природы. Классификация обычно представляет собой иерархическую систему признаков-оснований, в которой таксономические единицы отвечают классам объектов природы, однородных в некотором отношении (Арманд, 1975; Воронин, 1984). Здесь важно найти иерархию основных процессов, свойственных экосистемам, и их пространственную структуру, которая определяет величину разброса показателей состава и свойств экосистем и биосферы в целом. Чем более однороден процесс по структуре, тем меньше разброс свойств исследуемого объекта. Экосистемы разных уровней иерархии, изменчивость их состава и структуры есть продукт взаимодействия всех процессов биосферы, поэтому на первом этапе изучения важно выделить наиболее важные, оказывающие наибольшее влияние на их пространственно-временную организацию. Несомненно, наиболее значимыми процессами всех природных систем являются процессы обмена энергией, массой и информацией (ЭМИ-обмен). В приведённой ниже схеме надтипового подразделения экосистем изменчивость именно этих процессов поднята на наиболее высокий уровень (рис. 8). Мы понимаем под изменением информации в природной системе изменение биоразнообразия, что согласуется с исследованиями многих современных учёных (Арманд, 1983; Пузаченко, 1992; Пузаченко, Пузаченко, 19962).
Подразделение экосистем на каждом уровне приведённой классификации можно проводить по смене знака производных.
Общие положения теории устойчивости экосистем и их компонентов. Стр. 2
После определения объекта исследования необходимо уточнить поставленную цель - устойчивость экосистем. Несмотря на относительную молодость понятия устойчивости экосистем и их компонентов, эта проблема успела обрасти терминологией, большей частью заимствованной из техники и общей теории систем. Устойчивость, стабильность, инертность, инвариантность, равновесие, надёжность упругость, пластичность, саморегуляция, самоорганизация, гомеостазис, гомеорез, динамическая и позиционная устойчивости - вот далеко не полный терминологический аппарат, которым оперируют исследователи, затрагивая проблему устойчивости природных систем (Дьяконов, 1974; Дашкевич, 1984; Росновский, 1993), что отражено на схеме надтипового разделения экосистем (рис. 4.1).
|
|
|
Рис. 4.1. Схема надтипового разделения экосистем
Определения устойчивости экосистем и природных комплексов можно найти в работах А.Д. Арманда (1992), З.В. Дашкевича (1984), М.Д. Гродзинского (1987), И.А. Беха (1992). Все эти определения сходятся в одном: устойчивость системы - это её способность сохранять свои свойства и параметры режимов в условиях действующих внутренних и внешних возмущений. Такое определение совпадает с определением устойчивости в общей теории систем и кибернетике (Кафаров, 1989; Клир, 1990; Bertalanffy, 1960).
Наиболее острые дискуссии вызывает применение к системам природы терминов гомеостаз, устойчивость, стабильность. Одни авторы считают их синонимами (Недорезов, Сидько, 1995; Свирежев, Логофет, 1978), другие склонны различать области их применения (Бех, 1992; Голубець, Царик, 1992, Емельянов, 1994).
Общие положения теории устойчивости экосистем и их компонентов. Стр. 3
На наш взгляд, перенос терминов из других областей знания в экологию и расширительное их толкование без объяснения точного смысла не совсем корректно. Термин «гомеостаз», введённый в своё время в физиологию У.Кенноном (1929), относится к конкретному организму и понимается как регулируемое постоянство внутренней среды и совокупность механизмов и связей организма, определяющих это постоянство. Устойчивость определяет поведение объекта (или каких-либо его свойств) при известной внешней нагрузке (воздействии). Устойчивость природных объектов подразделяется на две взаимодополняющие категории: упругость – как свойство объекта возвращается в точно исходное состояние после прекращения действия нагрузки; пластичность – способность накапливать результаты внешних воздействий до некоторых пределов, не меняя при этом кардинально своих свойств и структуры. В математическом смысле упругость – это устойчивость по Ляпунову (устойчивость при действии малого параметра); пластичность – это устойчивость по Лагранжу (ограничение на решение дифференциальных уравнений поведения системы сверху и снизу). Устойчивость характерна для элементарных экосистем (биогеоценозов) и их компонентов. Примерно к такому же выводу пришли и исследователи, занимающиеся устойчивостью лесных экосистем (Бех, 1992; Голубець, Царик, 1992).
|
|
|
Это тоже конкретное понятие, имеющее смысл при определении конкретного воздействия на исследуемый объект природы (Гродзинский, 1988; Росновский, 1990, 1993, 1996, 1997).
Термин «стабильность» следует относить к системам природы более высокого уровня иерархии. Рассматривая трансформацию таёжных лесов, И.А.Бех (1992) предлагает считать стабильность лишь формой устойчивости. В некотором смысле термин близок по смыслу к «надёжности геосистем» в понимании А.Д. Гродзинского (1987).
Общие положения теории устойчивости экосистем и их компонентов. Стр. 4
Система высокого уровня иерархии (массив леса, поймы, бассейн и т.д.) будет стабильна, если она состоит из подсистем, устойчивых к различным внешним воздействиям. В процессе своего развития система высокого уровня иерархии (СВИ) отбирает элементарные экосистемы, наиболее приспособленные к данным условиям существования и функционирования (системный дарвинизм). На каждом этапе развития экосистемный состав СВИ будет различен. Таким образом, понятие "стабильность" более статистическое, чем устойчивость, что позволяет предложить для его исследования методы теории надёжности. Общая схема предлагаемой иерархии понятий гомеостаза, устойчивости и стабильности приведены на рис. 4.2.
Рис. 4.2. Схема иерархии понятий стабильности, устойчивости и гомеостаза
Общие положения теории устойчивости экосистем и их компонентов. Стр. 5
Из схемы видно, что реальным компонентом экосистемы низкого уровня иерархии (биогеоценоза) мы считаем отдельный организм, а не популяцию. Популяция и биогеоценоз, таким образом, являются системами не разного уровня иерархии, а разного типа интеграции: видового (биологического) и биогеоценотического. Это соответствует имеющимся в литературе данным (Войтенко, 1985; Гладышев, 1990). Об этом же свидетельствует различие целей этих систем. Основная цель систем видовой (биологической) интеграции – максимизация продолжительности жизни и репродукции (Войтенко, 1985), что достигается популяционным разнообразием, охватывающим максимально широкий диапазон колебаний внешних факторов. Главной целью систем биогеоценотической интеграции является оптимизация процессов энерго- и массообмена в каждой точке географического пространства. Однако цель систем биологической интеграции также достигается оптимизацией энерго- и массообмена организма с окружающей средой.
Таким образом, именно энерго- и массообмен является связующим (интегрирующим) звеном обеих вышеназванных систем. Мы вывели свойство репродукции из области гомеостаза организма, поскольку оно помимо качеств отдельного организма во многом зависит от качества окружающей среды и экосистемы в целом. Эти обстоятельства свидетельствуют о некоторой двойственности отдельного организма. С одной стороны, он входит в систему биологической интеграции, выполняя функции поддержания оптимального биологического разнообразия и сохранения вида; с другой стороны, организм выполняет функции оптимизации энерго- и массообмена в системах биогеоценотической интеграции (экосистемах).
Ограничив понятия экосистемы, гомеостаза, стабильности и устойчивости, можно ввести дефиницию понятия окружающей среды, поскольку любая система лишь относительно изолирована и имеет внешние входы и выходы – внешние каналы связи (Ackoff, 1960; Клир, 1990; Hall, Fagen, 1956). Примем для начала определение А.Д.Холла и Р.Е.Феджина (Hall, Fagen, 1956), тем более что его придерживается и признанный специалист в области системологии Дж. Клир (1990).
Для экосистемы окружающая среда есть совокупность всех объектов, изменение свойств которых влияет на систему, а также тех объектов, чьи свойства изменяются в результате поведения системы. В частности, окружающей (внешней) средой для экосистемы уровня биогеоценоза будут газовый состав атмосферы, климатические параметры, подстилающие породы, а также другие окружающие экосистемы и деятельность человека. Собственно устойчивость экосистем и будет определяться взаимодействием конкретной экосистемы с её окружающей средой.
Приведённое выше определение внешней среды вызывает естественный вопрос: когда природный объект считается принадлежащим окружающей среде, а когда он принадлежит выделенной экосистеме? Если объект взаимодействует с системой таким образом, как сказано в определении, то не является ли он сам частью системы?
Ответ на этот вопрос не является очевидным. В некотором смысле экосистема вместе с окружающей её средой составляет мир вещей, интересующих нас для решения определённой задачи.
Разделение этого мира на две составляющие может быть проведено достаточно произвольными способами, ведь почти любая природная система является частью (подсистемой) системы более высокого иерархического уровня. В конечном итоге это разделение будет зависеть от намерений исследователя, типа задачи и уровня генерализации (Клир, 1990; Hall, Fagen, 1960).
Учитывая вышесказанное, можно хотя бы предварительно определить, что же можно понимать под устойчивостью экосистемы к внешним воздействиям. Устойчивость экосистемы определённого уровня иерархии (в нашем случае уровня биогеоценоза) – это её способность сохранять внутреннюю пространственную и компонентную структуру, а также оптимальную амплитуду колебаний собственных свойств (оптимальный режим энерго- и массообмена) в условиях изменения пространственной и компонентной структуры и амплитуды колебаний свойств внешней среды.
Согласно данному определению устойчивость экосистемы можно разделить на внутреннюю и внешнюю.
обеспечивающую относительное постоянство внутренних связей и компонентного состава экосистемы,
обеспечивающую оптимальное состояние внешних каналов связи с окружающей средой.
Внешняя устойчивость экосистемы ответственна и за связи с другими окружающими её экосистемами, за устойчивость пространственного расположения экосистемы. Нарушение каналов связи с другими экосистемами приводит к скрытой или явной агрессии одной из них по отношению к другой. Естественно, эта агрессия направлена в сторону экосистемы с более слабой внутренней устойчивостью. Следовательно, внутренняя и внешняя устойчивость экосистемы взаимосвязаны: нарушение одной из них приводит к нарушению другой. При этом надо помнить и об иерархии экосистем. Для экосистемы высокого иерархического уровня (например, излучина поймы, лесоболотный массив и т.д.) часть внешних каналов связи каждой из отдельных составляющих её экосистем будут выполнять функции внутренних связей системы более высокого уровня и будут ответственны за внутреннюю пространственную структуру системы более высокого ранга (Почвообразование и антропогенез…, 1992; Росновский, 1993, 1997).
|
|
|
