Еволюція і динаміка геосистем
Визначення деяких понять і термінів
Визначення деяких понять і термінів сформульовано Комісією з уніфікації ландшафтної термінології при Президії географічного товариства СРСР (надалі буде називатися Комісія, 1963 р.).
Серед природних систем людини в навколишньому середовищі особливу роль відіграють географічні системи або геосистеми - це поняття ввів А. Г. Ісаченко. Термін "Геосистема" більше за інших, відповідає рівню уявлень про те об'єкті, до якого ми його відносимо (Комісія, 1963 р.). Що таке Геосистема? Геосистема - це природно-географічні єдності всіх можливих категорій, від планетарної геосистеми (географічної оболонки або географічного середовища в цілому) до елементарної геосистеми (фізико-географічної фації) (Согава, 1978 р.). Геосистеми - матеріальні вираження цілісності географічної оболонки та окремих її ділянок.
Їм властиві якісно своєрідні закони зміни та розвитку - приватні прояви особливої географічної форми руху матерії (Трусов, 1961). Геосистеми вельми разномаштабни, тому цілком природно їх поділ за розмірності: довжині, площі, об'єму, маси, часу. У теорії розмірності допускається узагальнення в дуже великі класи. Стосовно до геосистемах це має свої особливості, а точніше має потребу у своєму математичному апараті та відповідних фізичних критеріях. Ми підходимо до цього емпірично і розрізняємо три рангу геосистем:
планетарна Геосистема (географічна оболонка) - вищий природна єдність;
основна Геосистема (ландшафт), що представляє найбільш дробове підрозділ географічної оболонки, яка досить повно характеризує помісні особливості структури географічного середовища;
елементарні геосистеми (фізико-географічної фації), що представляють недовговічні, швидко трансформуються комплекси, усередині яких природні умови практично однорідні (Согава. 1986 г)
Фація - найбільш дробове і, як правило, найменш довговічне підрозділ географічного середовища (елементарна Геосистема), яка не перетинається не одним істотним природним кордоном (Комісія, 1963 г).
Ландшафт - основна Геосистема, всередині фізико-географічної області (країни), що представляє ділянка земної поверхні, на якому виявляється специфічна для нього складна система фацій утворюють територіальні поєднання (урогіща, група урогіщ), динамічні та різного роду факторальние ряди. (Комісія, 1963 р) У ландшафті, як у фокусі, поєднуються регіональний та типологічний показники природи. Як основна таксологіческая одиниця географічного середовища ландшафт в рівній мірі є категорією систематики геосистем і районування території.
Тіснота зв'язків між компонентами геосистеми може бути поставлена на перше місце в ряду логічних критеріїв вчення про геосистеми, так як характеризує дуже важливу особливість структуру цих систем. При порушенні норми тісноти (допустимої жорсткості детермінації) Геосистема як така неминуче розпадається. Ця обставина має глибокий сенс, тому що з одного боку, визначає можливість тривалого існування геосистеми як цілого і, з іншого - не обмежує деякі відхилення режимів, її компонентів. Компонентами ландшафту (і будь-якої геосистеми) є складові його "природно - історичні тіла" - якісно особливі види матерії (клімат, морфологічний комплекс з притаманною йому геологічної основою, води, грунт, рослинність та інше). Вони характеризуються кожен своєю формою руху матерії - по відношенню до географічної формі руху (знаменує розвиток географічного середовища), менш складною, нерідко нижчої або побічної. (Комісія, 1963 г). Кожен компонент геосистеми представлений підрозділами різного рангу, що сформувалися в процесі історичного розвитку цього компонента при взаємодії з іншими, нерідко розвиваються в іншому темпі. Кожен компонент геосистеми може мати свій вік. Еволюція геосистем як певних структур йшла шляхом вироблення "свободи зв'язку" між компонентами. Там, де складалися умови жорсткої детермінації, Геосистема не стабілізувалася.
Поряд з обмеженою детермінацій в геосистемах діє різний ступінь причинності між складовими її процесами і явищами. Н. Вінер звертаючи увагу також на те, що зв'язки в межах організації в одних випадках грають більш важливу роль, в інших другорядну. При цьому, на думку Н. Вінера, слід вважати, що причинність є щось, що може бути присутнім в більшій чи меншій мірі, а не тільки бути чи не бути. Все це разом узяте ніколи не дозволяє випускати з уваги, що геосистеми є діалектичне ціле з різноманітними зв'язками та суперечностями.
Еволюція і динаміка геосистем.
Еволюція і динаміка. Еквіфінальное і змінна стан геосистем
Ландшафтна сфера і вся складова її ієрархія геосистем формувалася в процесі історичного розвитку, і тому вивчення більшої частини пройденого ними шляху відноситься до компетенції полегеографіі та геології. Процес еволюції ландшафтної оболонки, який ми мислимо як зміну одних інваріантів геосистем іншими, протягом геологічних періодів йшов у певному напрямку в результаті саморозвитку геосистем і впливу на них змінюються зовнішніх умов. Змінюють один одного інваріанти являють собою етапи еволюційного процесу. Самі вони на всьому протязі еволюції були представлені множинам змінних станів, кожне з яких треба розглядати як тимчасове перетворення інваріанта - основної категорії, на певному відрізку еволюції залишається відносно незмінною.
Всі перетворення умовно незмінного інваріанта геосистеми розглядаються як її динаміка. Безумовно, в широкому сенсі динаміка не віддільна від еволюції, а еволюція від динаміки. Для кожного інваріанта час, що минув з моменту його виникнення в процесі еволюції ландшафтної сфери ми вважаємо віком геосистеми, а час існування кожного з змінних станів одного інваріанта на певній ділянці поверхні - довговічністю геосистеми. Таким чином, вік геосистеми - це тривалість її існування в еволюційному ряду в якості певного структурно-динамічного типу. Як правило, чим вище рангом підрозділ природного середовища, тим більше його вік. При цьому вік окремих підрозділів одного й того ж рангу (наприклад геомов) може істотно відрізнятися.
Дуже часто про давність тієї чи іншої геосистеми судять на основі віку одного з рельєфу. Однак, знання віку одного компонента буває недостатньо. Треба розрізняти вік геосистеми і такий окремих її складових. Вік геосистеми визначається тим терміном, протягом якого взаємовідношення між її компонентами продовжують більш-менш подібними. Окремі компоненти при цьому можуть бути старше. Встановлення віку геосистем вимагає аналізу зв'язків між компонентами геосистем в часовому розрізі, тобто необхідно скласти уявлення про еволюцію системних зв'язків у тому чи іншому інтервалі геологічного літочислення. Однак це справа майбутнього, яке послідує за вивченням сучасних геосистем, їх інваріантів і змінних станів, а також за впровадженням методів системного аналізу в полеогеографію.
Питання довговічності геосистем цілком відносяться до сфери фізичної географії. Вони вирішуються методами польових ландшафтних досліджень. Довговічністю біогеоценозів однієї і тієї ж фації в різних геохорах може бути неоднаковою. Поняття довговічності найчастіше застосовується до виділимо фації або до біогеоценозах. При цьому мається на увазі період часу, протягом якого той чи інший біогеоценоз утримує за собою певну територію, що нерідко можна встановити порівняно точно. Довговічністю відрізняються багато корінних біогеоценози та інші корінні геомери, яким властивий і щодо більший вік. Поряд з етімнекоторие серійні біогеоценози недовговічні, хоча і відносяться до серійних фаціям, що має великий вік.
Поняття довговічності застосовується також до груп і класів фацій і до геомам. Оцінка віку і довговічності геосистеми в одиницях часу (відносних і абсолютних) становить одну з найближчих, поки не вирішених завдань вчення про геосистеми. В даний час в цьому плані ми можемо спиратися переважно на порівняльно-географічні спостереження, бо досі не вироблено застосовуваної методики літочислення для датування динамічних трансформацій геосистем.
Динамічний критерій у ландшафтознавства має досить тривалу історію, але він зміцнився й набув значення у всіх розділах цієї науки лише після того, як почала отримувати визнання теорія відкритих систем у новому її тлумаченні даному Л. Берталанфі (Bertalanffy, 1950), У. Ембі (Ashby , 1958) та інші. Системний підхід виправдовує себе при вивченні підрозділів природного середовища всіх рівнів і особливо плідний там, де системна організація геомеров і геохор вже в даний час може бути вивчена з застосуванням точних методів. Зараз цього можна досягти лише на типологічному рівні. Необхідною передумовою для правильного розуміння динамічної природи геосистем служить уявлення про їх інваріантному і перетворюється засадах. Інваріантний початок зберігається незмінним за всіх динамічних перетвореннях. Перетворені частина геосистем (вже перетворена і потенційно доступна перетворення) знаходиться в динамічному стані.
"Інваріант" - певною мірою абстрактне поняття, а "динамічний стан" - конкретне втілення модифікації геосистем з її повідовимі морфологічними і функціональними особливостями. Динаміка на відміну від еволюції виявляється в межах певної структури геосистеми. Між поняттями "динаміка" і "структура" існує безпосередній зв'язок - вони взаємообумовлені. З іншого боку, згідно з трактуванням деяких філософів, структура - це інваріантний аспект системи. Якщо йти за цією формулою, то структура геосистеми і є Інваріантний початок.
Динаміка проявляється в рамках певного "кадру" в еволюційному ряду розвитку геосистеми. Останній можна для образності порівняти з кінематографічної стрічкою. Кожен кадр такої стрічки відповідає певному інваріанти і містить таке собі безліч змінних структур. Перехід одного інваріанта в інший (зміна кадру) - це вже прояв еволюційного розвитку природного середовища, для якого динамічні явища представляють одну з рушійних сил.
Ландшафтної сфері властиво безліч динамічних станів, повну типізацію яких в даний час ми ще можемо запропонувати. Всі ж раціонально відрізнити два види станів:
1) еквіфінальное 2) змінна.
До еквіфіальним геосистемах відноситься корінні, умовно-корінні і квазі (помилково) корінні.
Корінні геосистеми - це стійкі геомери і геохори з міцно сталими внутрішньосистемні і зовнішніми зв'язками. Це поняття відповідає загальновідомого поданням про клімакс, або заключному природному комплексі. Условнокоренние геосистеми зазвичай близькі до корінних і відрізняються від останніх лише тим, що за браком часу ще не прийшли в рівновагу як всередині себе, так і з зовнішнім середовищем. Рослинність условнокоренних геосистем відповідає поняттю плезіоклімакса за Г. Госсену (Gaussen, 1954) або потенційної рослинності по Р. Тюксену (Tuxen, 1957). Квазікоренние геосистеми в порівнянні з корінними видозмінені в результаті гіпертрафіі або гіпотрофії одного з компанентов системи (наприклад, надлишку вологи та нестачі кисню на торф'яних болотах, скупчення солей в грунтах солончаках та інші).
Всі геосистеми еквіфінального виду - корінні, условнокоренние і квазікоренние - являють собою свого роду материнські ядра численних серійних геосистем, ряди яких виходять від еквіфінала, коли сукцесія починає прогресувати, і сходять до нього, коли корінне (або умовно-, чи квазі-) стан починає відновлюватися.
Природа серійних рядів багато в чому залежить від причин, що викликали відхилення від еквіфінального стану, виявлення яких нерідко представляє труднощі.
Різного типу факторальние, динамічні та інші ряди серійних геосистем відповідають сукцессіонним рядах у розуміння екологів, вони укладають серію змінюють один одного станів в ході спонтанного розвитку або в результаті впливу людини. Кожній геосистеми властиві ритми мінливі по роках, вони входять до поняття її стану і повинні враховуватися при його визначенні. Стан геосистеми - це не моментальний знімок геосистеми; воно може виявлятися в інтервалі, наприклад близько 10 років, якщо при цьому не діють які - які обставини, що подовжують або вкорочують цей строк.
Необхідно мати на увазі, що в будь-який час скільки - небудь значну ділянку ландшафтної сфери складається з багатьох різноякісні геосистем - не тільки за морфологічними і функціональними особливостями, а й по динамічному стану. Так, майже кожну геохору, наприклад мезогеохору, ми можемо розглядати як мозаїку геомеров з різними динамічними тенденціями. От, того, як поєднуються динамічні категорії геомеров в межах геохори, залежать багато її суттєві особливості. Корінні, квазікоренние і різних ступенів серійні біогеоцінози межують один з одним, і що утворюються при цьому рубежі нерівнозначні в структурно - динамічному відношенні. Так, у разі спонтанних геомеров можуть бути виявлені наступні види примикання їх один до одного (Сагава, 1967):
Геосистема, що відноситься до корінної фації, примикає до геосистеми інший корінний фації;
Геосистема тієї ж категорії примикає до серійної геосистеми, що знаходиться з нею в одному ряді розвитку;
Геосистема тієї ж категорії примикає до серійної геосистеми іншого ряду розвитку;
серійні геосистеми одного і того ж ряду розвитку примикають один до одного (в цьому випадку нерідко рубежі нечіткі і створюється враження континууму);
контактують серійні геосистеми різних рядів розвитку.
Існують і інші види примикання геомеров один до одного, наприклад контакти перерахованих категорій геосистем з квазікореннимі, зокрема з різними короткочасно - і длітельнопроізводнимі модифікаціями. Зі сказаного випливає, що аналіз рубежів геосистем можливий тільки з урахуванням динамічного стану контактують один з одним біогеоценозів.
Саморегуляція геосистем.
Поряд із повсюдно очевидними тенденціями до зміни структури геосистем, при найближчому аналізі виявляється властиве їм стабілізуючий початок, який разом з іншими причинами визначається процесами соморегуляціі. Таким чином, поняття про нього повинно входити складовою частиною в змісті поняття про динаміки геосистем взагалі і зокрема тієї її категорії, яку І. І. (1968) назвав стабілізуючою динамікою. Розуміння стабілізуючою динаміки відповідає скоєному поданням про гомеостазі. Цей термін, як відомо, введено в ужиток фізіологами для позначення відносної динамічної сталості внутрішнього середовища і стійкості основних фізіологічних функцій організму. Але останнім часом термін "гомеостаз" починає отримувати і більш широке тлумачення, а саме в кібернетики по відношенню до будь-якого саморегулюючої явищу. У цьому сенсі термін "гомеостаз" може застосовуватися і до геосистемах. (Сочавою, 1978)
Стабілізуюча динаміка природного середовища - надзвичайно суттєва особливість фізико-географічного процесу. Вона сприяє тому, що вдова і родові ознаки фацій і геомов утримуються в часі, незважаючи на численні впливу ззовні на структуру геосистеми.
Гомеостаз - одне з найголовніших умов, що визначають відновлючі природних ресурсів і властивостей навколишнього середовища (самоочищення повітряного басейну, водних мас, грунтів та інше). Вивчення механізму стабілізуючою динаміки має велике практичне значення, якщо ми хочемо раціонально керувати відтворенням природних багатств. Стабілізуюча динаміка геосистем не менш значуща, ніж перетворювальна, проте до цих пір вона мало вивчена.
Під саморегулюючої геосистеми розуміється приведення її у стійкий стан в процесі функціонування - кругообігу субстанції і випромінювання тепла, життєдіяльності біоти та інше. Саморігуляція забезпечує відносна рівновага всієї системи. Саморігуляція і визначається нею стабілізуючі початок забезпечує відносна рівновага всієї системи. Саморегуляція і визначається нею стабілізуючий початок - це найважливіший фактор організації геосистем. Сморегуляція утримує на деякий період часу змінні структури геосистем в серійному ряду розвитку. Довговічність серійних фацій (а також їх рослинних, грунтових та інших компонентів) багато в чому залежить від притаманного їм стабілізуючого початку.