3.1.1. Уровни методологического обеспечения лесоведения

Определяются пять уровней методологического и методического обеспечения лесоведения:

Философские методы

1. Системный анализ (всеобщий метод науки).

2. Методология лесоведения. Специальные методы

3. Методические основы лесоведения.

4. Методические основы разделов лесоведения (биогеоценотических, лесотипологических исследований, исследований особенностей возобновительных и лесообразовательных процессов и формирования лесов различного целевого назначения (в том числе ландшафтообразующего формирования лесов и др.).

5. Методики исследований по темам разделов лесоведения.

Приведенная классификация уровней методического обеспечения лесоведения позволяет более точно определить перспективные направления методических разработок лесоведения как сложной интегральной науки.

Общенаучной философской методологией исследований является теория системного анализа

3.1.2.1. Системный анализ

Системный анализ позволяет выбрать оптимальное решение при использовании множества вариантов.

Системный анализ – направление методологии научного познания и социальной практики, в основе которого лежит исследование объектов как систем. Теоретическую и методологическую основу системного анализа составляют системный подход и общая теория системного анализа (Философский словарь, 1987).

Системный подход – методологическое направление в науке, основная задача которого состоит в разработке методов исследования и конструирования систем разных типов и классов.

Системный подход позволяет получать более глубокие знания, чем предметно-центрический подход. Главное в системном подходе – глубокий анализ и многомерный синтез знаний о действительности и о предмете, так как любой предмет рассматривается как система. Системный подход допускает вариативность его применения в конкретных науках, давая лишь общую ориентацию.

Система в общем плане – множество объектов, на котором реализуются определенные отношения с заранее заданными свойствами, а в более узком смысле – совокупность элементов, своими связями обеспечивающих ее целостность.

3.1.2.2. Свойства лесных экосистем

Биологические системы – биологические объекты различной сложности (клетки и ткани, органы, системы органов и организмы, биоценозы и экосистемы, вплоть до биосферы в целом), имеющие, как правило, несколько уровней структурно-функциональной организации. Представляя собой совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих элементов, биологические системы обладают свойствами целостности, относительной устойчивости, а также способностью к адаптации по отношению к внешней среде, к развитию, самовоспроизведению и эволюции.

Любая биологическая система является динамической – в ней постоянно протекает множество процессов, часто сильно различающихся во времени. В то же время биологические системы – открытые системы, условием существования которых служит обмен энергией, веществом и информацией как между частями системы (или подсистемами), так и с окружающей средой. Важнейшая особенность биологических систем заключается в том, что такой обмен осуществляется под контролем специальных механизмов реализации генетической информации и внутренного управления, которые позволяют избежать «термодинамической смерти» путём использования энергии, извлекаемой из внешней среды. Устойчивость стационарных состояний биологических систем (сохранение постоянства внутренних характеристик на фоне нестабильной или изменяющейся внешней среды), а также способность их к переходу из одного состояния в другое (свойство неустойчивости стационарных состояний биологических систем) обеспечиваются многообразными механизмами саморегуляции. В основе саморегуляции биологических систем лежит принцип обратной связи, отрицательной или положи­тельной [1].

Под экосистемой понимают любое сообщество живых организмов в совокупности со средой обитания. Другими словами, экосистема – это функциональное целое биотических и абиотических (живых и неживых) компонентов и условий их существования. Глобальной экосистемой является биосфера. К мезоэкосистемам относят лес, части леса. К микросистемам в лесу относят сгнивший пень, ствол дерева в стадии разложения, и др. В качестве синонима экосистемы часто используют термин «биогеоценоз», хотя определение биогеоценоза несколько иное чем экосистемы. Различают природные, природно-антропогенные и антропогенные системы (искусственное насаждение, вырубка и др.). Выделяют три группы организмов, слагающих экосистему: продуценты, создающие органику, консументы, питающиеся органикой и редуценты, превращающие органические вещества в неорганические – микроорганизмы, грибы» [2].

Растительное сообщество, лес, лесонасаждение, древостой, дерево, корни, ствол, крона, лист, клетка и т.д. являются сложными экосистемами.

Наиболее представленным на планете наземным ти­пом растительности является лес. По определению ФАО, лес – это «сообщество или экосистема биотических и абиотических ком­понентов, состоящая преимущественно из древесной и кустарнико­вой растительности, произрастающей более или менее сомкнуто». Преобладающие в России бореальные леса охватывают Северное полушарие поло­сой разной ширины между 45° и 70° с. ш.; Доминантной подсистемой в лесу выступает древостой, который формирует особую среду и отли­чается характерным типом обмена веществом и энергией. Вследствие жесткого прикрепления к почве деревья стремятся во много раз уве­личить свою поверхность. Они создают в надземной и подземной сферах разветвленные структуры, которые позволяют усваивать рас­сеянный в атмосфере кислород и рассредоточенные в почве влагу и питательные вещества. Деревья отличаются большой продолжи­тельностью жизни. Эти особенности обусловливают применение специфических методов исследования популяций древесных растений. Количественные методы их изучения разработаны лишь для чистых древостоев и только в отдельных слу­чаях затрагивают смешанные и разновозрастные сообщества.

«Лес – это экосистема, существующая в пространстве и времени и состоящая из ряда подсис­тем. В экосистемах происходит постоянное саморегулирование отношений между ее компонентами. Равно это относится к лесным экосистемам, в которых саморегулирование протекает на всех иерар­хических уровнях (от клеточного уровня до лесного пояса Земли в целом). В природе изменения в системе осуществляется не хаотично, а в определенном направлении» [37].

С.Н. Сеннов [22] так определил основные свойства лесной экосистемы:

Связи внутри лесной экосистемы могут быть пищевы­ми, энергетическими и информационными. Больше всего изучены пищевые связи. Считается, что они играют основ­ную роль. Изучается, главным образом, биокруговорот эле­ментов питания; а критерием его оценки является прирост стволовой массы, с которым коррелирует прирост всей био­массы древостоя. Меньше изучены процессы поступления энергии в экосистему, ее преобразования и вывода. Еще меньше изучены информационные связи. Информация — набор сведений об окружающем мире, который восприни­мается живой системой в сигнальном закодированном виде. Считается, что при этом существенную роль играют лими­тирующие факторы роста, напряженность конкуренции, длина светового дня, перепады температур.

Лесная экосистема обладает свойством целостности. Внутри ее не проходит ни одной существенной границы в характеристиках биоценоза и почвы. На внешнее воздей­ствие она отвечает всеми компонентами, здесь нет особых воспринимающих устройств.

Лесная экосистема обладает свойством устойчивости – способностью к саморегуляции, к сохранению функциональ­ных связей при внешнем воздействии, в конечном счете спо­собностью к существованию. Устойчивость проявляется либо гомеостазом – особой прочностью и стабильностью, либо адаптацией, т. е. некоторой трансформацией, иногда крат­ковременной. При чрезмерном воздействии система разру­шается. В лесохозяйственной практике важно знать порог устойчивости системы. Объясняется устойчивость сложностью внут­ренних связей и другими упомянутыми выше свойствами, а также согласованием внутренних свойств и внешних усло­вий в результате сукцессии, эволюции. Устойчивостью объ­ясняется осцилляция экосистемы или колебательный харак­тер отклика на внешнее воздействие – например, измене­ние прироста древостоя после рубки ухода.

Одной из причин устойчивости экосистемы является ее видовое и генетическое разнообразие. Для устойчивости нужен некоторый критический уровень сложности. Чем больше связей внутри экосистемы, тем сильнее проявляет­ся действие механизмов компенсации при любом измене­нии. В лесоводстве давно известно, что сложные и смешан­ные древостой устойчивее чистых и простых, что естест­венные древостой с их разновозрастностью и групповым размещением деревьев устойчивее искусственных.

Кроме того, лесная система является открытой, веро­ятностной и динамичной. Открытость – отсутствие чет­ких границ, подверженность внешнему воздействию. Ве­роятностной ее называют потому, что отклик на внешнее воздействие нельзя предсказать точно. А динамичность – нерерывное изменение в пространстве и во времени.

Из курса экологии известно, что при внешнем воздействии на экосистему ее равновесие смещается в том направлении, в котором это воздействие уменьшается. Любая тенденция к изменению состояния экоси­стемы усиливает действие функций, препятствующих такому изменению. Высшая цель экосистемы: увеличение суммарного потока энергии, проходящего через нее, и производства органического вещества. Все это в полной мере относится и к лесной экосистеме.

Системные свойства популяции в значительной мере обеспечиваются конкурентными отношениями. Конкурен­ция определяет структуру ценозов, является формой связи с местообитанием.

«Экосистема тайги отличается сравнительно малой ин­тенсивностью биокруговорота, малым приростом и накоп­лением мертвой древесины, малой поглотительной способ­ностью и повышенной кислотностью почвы, значительным превышением фитомассы над зоомассой. Однако отсутст­вие леса в бореальных условиях приводит к резко отрица­тельным экологическим последствиям.

Сложную многоступенчатость лесной экосистемы, ото­бражающую разные уровни организации (дерево, древостой, фитоценоз, биоценоз), называют свойством иерархичности» [22].

Пришло понимание того, что полученная в процессе формирования древостоя пространственная и размерная структура (включая и наследственную компоненту) изменяется по своим законам, нарушаемым внешними воздействиями. Понятие «динамика древостоев» более точно отражает суть явления, чем понятие «рост древостоев», поскольку одновременно наблюдаются и рост, и отпад деревьев. Для анализа процесса динамики древостоев не менее важными, чем характеристики роста деревьев, оказываются механизмы дифференциации и элиминации отдельных особей, а также темпы их отпада [13].

«Формируется цель саморегулирования – повышение уровня организованности. С позиции принципов общей теории систем происходит работа создания (накопления) негэнтропии. При этом система противодействует влиянию факторов, ведущих к ее дезорганизации. Посредством саморегулирования достигается при­ведение системы к определенному поведению (состоянию). При этом обеспечивается сохранение структуры и режима деятельности систем, в том числе лесных экосистем.

Механизм саморегулирования (гомеостаз), основанный на обратных связях, эволюционно прибли­жает экосистемы к оптимальному состоянию (к динамическому, т. е. колеблющемуся в известных пределах равновесию). Механизм саморегулирования биологических систем приобретался в процессе их эволюционного развития.

Посредством актов саморегулирования в природе решается задача оптимизации систем. При­чем варианты решения по отношению даже к определенным факторам среды обитания могут быть различны. Посредством обратных связей система производит контроль каждого решения и стимули­рует поиск нового способа. Появление каждой новой обратной связи многократно увеличивает коли­чество вариантов решения оптимизации систем. Соответственно исчезновение каждой существующей обратной связи, наоборот, многократно уменьшает количество этих вариантов. Обратные связи возни­кают в системе между ее подсистемами (компонентами) и элементами, а также между системой и ее окружением (другими системами). В качестве элементов лесной экосистемы можно рассматривать виды лесной флоры и фауны, которые в совокупности представляют ее биоразнообразие.

В качестве окружающей среды выступает рельеф, почва, атмосфера – внешние лесу системы, представляющие топологическое разнообразие.

Таким образом, только благодаря чрезвычайной разветвленности структуры, флористическому и фаунистическому богатству, а также ландшафтной мозаичности в лесу наблюдается обилие разно­образных положительных и отрицательных обратных связей, обеспечивающих целесообразный эво­люционный процесс» [37].