Оглавление

ЦИКЛЫ РАЗВИТИЯ И ЭВОЛЮЦИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ГЕОСИСТЕМ
В.И. Шишлов
Институт оптического мониторинга СО РАН, Томск

        Рассмотрим циклические процессы развития геосистем и механизмы изменчивости циклов при эволюционных преобразованиях экосистем и межсистемных отношений в многоуровневой системе с элементами хорологической и структурно-функиональной организации с позиций системно-эволюционного подхода к изучению объектов организованной сложности [1]. Условия разрешимости сложных проблем самоорганизации и изменчивости динамики открытых многосвязных систем (требования полноты и согласованности) приводят к необходимости использования в рамках системно-эволюционной парадигмы единства геосферных циклов энергопреобразования, энергомассопереноса и информационного обмена новой методологии изучения сложно-организованных систем на основе применения принципа единого цикла согласованных процессов многоуровневой макросистемы, принципа относительной согласованности внутрисистемных и межсистемных отношений, принципа относительной полноты информации.
        Единая система отношений элементов и процессов геосферы предстает как единство связанных процессов и явлений в подсистемах разного уровня, а в пределах хорологических единиц совокупности климатических, гидрологических процессов, явлений биогеоценотической, биологической и биосоциальной жизни связаны единой системой отношений с элементами подсистем, в которых они существуют. В рамках единой системы отношений можно выделить циклы упорядоченного взаимодействия процессов и явлений, в ходе которых реализуются последовательные цепи процессов с определенными результатами на выходе (например, процессы погодообразования – поля метеопараметров, гидроклиматические процессы – режим водообмена, запасы влаги). Выходные результаты обеспечивают будущие процессы другого уровня или поддерживают условия их существования. Так, погодный режим и параметрические поля поддерживают условия существования биогеоценотических явлений. Тесные связи и взаимообусловленность процессов определяют изменчивость состояний геосистем и приземной атмосферы в зависимости от всей совокупности совместно протекающих процессов с учетом их сопряженности. Все объекты геосферы выполняют (в широком смысле) энергопреобразующие функции. Энергопреобразующие системы (ЭПС) связаны в рамках единой системы природных циклов энергомассопереноса и образуют самоорганизованные многоуровневые системы направленной поддержки процессов в подсистемах геосферы, биосферы и социосферы. Климатическая система (ЭПС I уровня) обеспечивает энергомассоперенос в рамках геосферы, реализует круговорот элементов и поддерживает атмосферные условия и среду, необходимую для функционирования явлений других уровней (биогеоценотических и биотических). Энергия, получаемая в климатической системе, поглощается атмосферой и объектами суши, в том числе биосистемами. Автотрофные экосистемы, в которых фитоценозы (ЭПС II уровня) превращают энергию излучения и косного вещества в биомассу, обеспечивают поддержку энергомассопереноса в рамках биосферы. Они реализуют круговорот биогенных элементов и поддерживают газовый состав атмосферы и среду жизни, необходимую для существования живых биосистем. Получаемая в фитоценозах энергия живого вещества распределяется между гетеротрофными биосистемами-потребителями. Природно-хозяйствнные системы (ЭПС III уровня) обеспечивают энергомассоперенос в рамках социосферы, реализуют круговорот элементов жизнеобеспечения биосоциальных систем и поддерживают условия существования высокоорганизованных форм жизни в рамках социума (ЭПС IV уровня).
        Циклы развития природной экосистемы (ПЭ), содержащей экотоп (Э1), фитоценоз (ФЦ), зооценоз (ЗЦ) и микробоценоз (МЦ), при ограниченных колебаниях местного климата (МК) в существенной мере определяется сукцессией растительного сообщества, в ходе которой осуществляется последовательная смена одних биоценозов другими и изменяется соотношение доминирования видов [2]. Сукцессионные смены определяются различным выживанием видов в условиях конкретной абиотической среды, особенностями преобразования среды эдификатором и создания ценотической среды, а также взаимодействием “конкуренция-сосуществование” на популяционном уровне. Сукцессия представляет собой направленный процесс, который генетически обусловлен свойствами видов. В генотипе каждого растительного вида зафиксирована амплитуда внешних условий, в которых он может существовать, и его собственное воздействие на внешние условия [2]. Вид может поселиться на определенном местообитании и, изменяя его строго определенным образом, создает новое местообитание с ценотической средой, более пригодной для другого вида. Другой вид, отношения которого согласованы с новой ценотической средой, поселяется на данном местообитании. Таким образом, сукцессионные смены происходят при возникновении состояний внутрисистемной несогласованности элементов экосистемы через интервалы времени, соизмеримые с циклом жизни вида.
        Для сукцессии характерна тенденция возрастания роли ценотической среды, создаваемой сообществом, на каждой последующей стадии и уменьшения зависимости сообществ от факторов топографического масштаба: характера почвообразующей породы, грунтов (Г), рельефа и гидрологии. Конечным результатом сукцессии являются более медленно развивающееся климаксовое сообщество, после разрушения которого цикл развития повторяется. Повторяемость и подобие циклов развития сукцессии реализуются при неизменных внешних условиях, так как конкурентный отбор заново воссоздает одну комбинацию видов, наиболее согласованную с данным экотопом, определяемым климатом, что соответствует принципу согласованности внутрисистемных и межсистемных отношений. Существенную роль играет также обмен генетической информацией между поколениями и сохранение генотипов.
        Пространственно-временные изменения и преобразования растительного сообщества в естественных условиях происходят при изменении его отношений с другими подсистемами геосферы под воздействием внешних факторов. Ареал сукцессионной системы (ботанико-географический район) ограничен в пространстве той территорией, где климат обеспечивает существование всех ее видов и их конкурентный перевес над видами других систем. Экзогенные изменения местообитаний (при изменении проточности болотных массивов, многолетней засухе) вызывают перемещение растительных ассоциаций в пределах района (топографические смены).
        При изменениях климата сукцессионная система может мигрировать вслед за перемещением границ климатического района (географическая смена). Передвижение границ района может происходить лишь при изменении климата в сторону, благоприятную для растительности одного из соседних районов [2]. Если при быстром изменении климата миграция невозможна, то фитоценоз погибает, освобождая площадь для новой экосистемы, возникающей в результате филоценогенетических преобразований сообщества при образовании новых видов или переселении видов из других районов.
        Эволюционные преобразования геосистем в процессе антропогенной деятельности с целью повышения выполнения требуемых социально-экономических функций: создание агроценозов (АЦ), животноводческих комплексов (ЖК) и сельскохозяйственных угодий на основе преобразованных фитоценозов (ФП), - нарушают естественные связи между компонентами экосистемы, которые обеспечивали организацию самоподдержки биотических процессов в рамках биологического круговорота биогенных элементов, возобновление основных ее структур и вещественно-энергетического состава. Вновь созданные экосистемы требуют антропогенной поддержки (АП), которая реализуется в настоящее время на основе обширной информации и системы знаний с использованием новых типов энергопреобразующих систем, технологий, техники, средств химической подкормки и защиты растений. Однако недостаток экологических знаний, несовершенство технологий производства удобрений и хозяйственных мероприятий привело к химическому загрязнению преобразованных почв (Пп), отдельных элементов гидросферы и пищевых цепей.
        Структурные нарушения природных экосистем и хозяйственные воздействия часто приводят к нарушению нормального хода сукцессии, либо ее прерыванию. В частности, в горно-таежных лесах Алтая, Саян цикл сукцессионного развития хвойных лесов прерывается из-за нарушения естественного лесовозобновления при чрезмерной пастбищной нагрузке. Анализ биотических и хозяйственных связей кедрового леса позволил выделить две проблемные ситуации возобновления кедра. Первая ситуация (ограничение прорастания семян в зоне заселения) обусловлена трансформацией экологической ниши и ограничением площади реализуемой ниши популяции кедра. Хозяйственные факторы в первую очередь влияют на экотоп в зоне заселения семян, изменяя свойства почвы, гидротермические условия, режимы водного обмена и газообмена в почве, в результате чего в условиях .конкуренции и воздействий внешних факторов прорастает лишь незначительная часть семян. Вторая проблемная ситуация связана с выживанием самосева кедра в условиях совместного воздействия природных и хозяйственных факторов. Действие травостоя проявляется в угнетении самосева кедра. Отпад и гниение мокрой травы вызывает поражение гнилью и микроорганизмами самосева кедра. Травоядные животные, поедая траву, поражают и самосев кедра. Хозяйственные воздействия (заготовка кормов, сбор дикоросов) вызывают механические повреждения побегов. В совокупности все эти факторы ограничивают выживание самосева кедра. Суть проблемы - несогласованность отношений систем разного уровня.
         При формировании техногенных геосистем (ТГ), содержащих технические объекты (ТО) и жилые зоны (ЖЗ), разделенные санитарными зонами (СЗ), системы поддержки жизнеобеспечения (СПЖ) с энергетическими объектами и коммунальным хозяйством, коммуникационные системы (КС), антропогенное влияние на природные экосистемы расширялось за счет загрязнений (З), распространяемых через атмосферу и гидросферу. На рисунке приведены структуры и связи экосистем территориального природно-хозяйственного комплекса (ТПХК)
         Изменения атмосферных условий (загрязнения химически активными газами, аэрозолями, кислотные дожди) под влиянием техногенных процессов и совокупность гидрогеологических, геохимических, гидрохимических, биологических и микробиологических изменений приводят к нарушениям возобновления вещественно-энергетического состава среды и регулирующих функций организмов. Изменения среды (например, в зоне влияния выбросов химического предприятия) приводят к гибели растительности. Загрязнения атмосферы окислами серы, азота, кислотные дожди нарушают регулирующие функции листового аппарата древесных растений, что приводит к их усыханию и гибели. Так, кислотные дожди стали причиной деградации и частичной гибели хвойных лесов в Европе.

Структурная схема территориального природно-хозяйственного комплекса

        Глобальный характер воздействия атмосферных загрязнений на биоту и многообразие антропогенных изменений условий жизни биоценозов свидетельствуют о том, что антропогенная деятельность становится доминирующим эволюционно значимым фактором развития геосистем различного масштаба с тенденцией мозаичной конвергенции на основе направленных изменений составных элементов и сближения их признаков.
         Развитие природно-хозяйственных систем осуществляется в ходе процессов освоения природных ресурсов, создания производственной базы, соответствующей инфраструктуры и сопровождается структурной перестройкой природного комплекса, замещением его отдельных элементов объектами техносферы, что коренным образом изменяет структуру функциональных отношений геосистемы и ее биосферные функции. Направленность развития и характер эволюционно значимых преобразований элементов геосистемы, в том числе и биоценозов, определяется ее отношениями с подсистемами в рамках многоуровневой иерархии эколого-социально-экономических отношений и операционной средой, которые в существенной мере зависят от полноты информации о свойствах конкретных объектов и явлений, уровня научного знания и степени его практического воплощения.
         Стадийность преобразования геосистем зависит от множества факторов и в первую очередь от технологий освоения и переработки ресурсов. Подобные стадии характеризуются одинаковым соотношением доминирования процессов. На завершающих стадиях процесса расширенного освоения территории формируется целостная система мезомасштабного уровня с мозаичной структурой, например, Кузбасс, нефтегазодобывающий комплекс Тюменской области. В рамках таких ТПХК и в зоне их влияния на огромных территориях нарушена жизнь биоценозов.
         Сокращение биомассы и продуктивности продуцентов, а также и консументов, уменьшение биоразнообразия свидетельствуют о том, что период накопления биомассы живого вещества в биосфере и экстенсивного развития сообществ организмов закончился. Развитие природно-хозяйственных комплексов на основе техногенных систем, несогласованных с биотой, может иметь поступательный (в ограниченных пределах) характер, но не является прогрессивным по критериям межсистемной согласованности (в том числе экологической), роста совершенства, непрерывности коэволюции доминирующих биосистем.

Литература

  1. Кабанов М.В., Комаров В.С., Шишлов В.И. Проблемы анализа и моделирования региональных природно-климатических изменений // Региональный мониторинг атмосферы. Часть 4: Природно-климатические изменения. - Томск: МГП “РАСКО”, 2000. - С.200-255.
  2. Разумовский С.М. Закономерности динамики биоценозов. - М.: Наука, 1981. - 231 с.

Оглавление