2.8.Загальні властивості геосистем
Мета: вивчити загальні властивості геосистем, основні терміни.
План:
1.Загальні властивості геосистем.
2.Основні типи структур геосистеми.
До основних загальних властивостей геосистем належать: 1) територіальність-просторовість, 2) поліструктурність, 3) складність, 4) цілісність, 5) відкритість, 6) динамічність, 7) стійкість, 8) стохастичність.
Територіальність-просторовість — 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 змогу 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 рангів -— 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 (Наазе, 1973). Згідно з нею, різні ранги геосистем можна узагальнити до значно меншого числа класів розмірностей. Щодо числа цих класів єдиної думки у ландшафтних екологів та ландшафтознавців немає. Виділяють 6-ть 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).
Поліструктурність. Під структурою системи здебільшого розуміють характер поєднання її елементів певного типу відношеннями. Оскільки в тій самій системі можуть мати місце відношення різних типів, то й поєднання ними елементів також буде неоднаковим, тобто в одній системі може бути кілька різних структур. Такі системи називаються поліструктурними. Ними, наприклад, є суспільні системи (у них виділяють статево-вікову, професійну, етнічну та інші структури, які не збігаються). Ці від ношення 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 виступають 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. .
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. 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 грунтово-рослинного комплексу тощо.
Складність. 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, трофічних, конкурентних та інших відношеннях. Аналогічні властивості територіальних та часових структур геосистем.
Складність геосистем зумовлює специфічні підходи до їх аналізу. Взаємодія між багатьма різнотипними елементами, навіть за умови точних вимірів значень кожної з їх багатьох характеристик, призводить до значної похибки при оцінці деяких інтегральних та безпосередньо не вимірюваних показників складної системи (таких, наприклад, як ступінь ефективності, стійкість, прогнозні оцінки). Л. Заде назвав це принципом несумісності — неможливості сумістити значну складність системи з високою точністю її опису —точно можна описати лише її окремі елементи та зв'язки, але не всю систему як ціле. З цього принципу, зокрема, випливає, що адекватними суті геосистеми методами її математичного аналізу є слабкоформалізовані методи — теорії нечітких множин, лінгвістичної змінної, теорії графів, катастроф та деякі інші.
Цілісність — властивість системи, яка проявляється в тому, о вилучення з неї певного компоненту 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 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 «не геосистему»). 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 поламки). 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.
Рис. 3. Основні типи структур геосистеми
Відкритість. 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, бо 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 тісна, що є поважні підстави вважати їх характерною рисою слабку виділеність із зовнішнього середовища. З цією особливістю пов'язана зокрема складність визначення вертикальних та горизонтальних меж геосистеми.
Динамічність. 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 й у 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.: 1) добову, 2) сезонну (річну), 3) багаторічну динаміку (Сочава В.Б., 1978, Н.Л. Беручашвілі, 1985 та ін.).
Ландшафтна екологія досліджує зміни геосистем в інтервалі від кількох хвилин до кількох десятків тисяч років, тобто у діапазоні 102—1012 с (Боков В.О., 1983). Причому між просторовими та часовим масштабами ландшафтно-екологічного аналізу є певні відповідності.
Стійкість 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 риси. 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 й 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.
Стохастичність. 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 А діє 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, імовірнісної природи (наприклад, випадання опадів), що зумовлює імовірнісний 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 геокомпоненту до іншого (певного виду рослинного угруповання 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.