CC BY
150
УДК 911.2:504.05
ГЕОСИСТЕМНЫЙ ПОДХОД В ИЗУЧЕНИИ ПРИРОДНЫХ И АНТРОПОГЕННО-НАРУШЕННЫХ КОМПЛЕКСОВ
© Н.Д. Давыдова
Ключевые слова: геосистемный подход; моделирование; взаимосвязи; функционирование; обмен вещества; нормирование; качество среды.
Показано, что применение геосистемного подхода в изучении природных и антропогенно -нарушенных комплексов позволяет применять новейшее оборудование для получения количественной информации и на ее основе моделировать физико-географические процессы (обмен веществом и энергией, геохимические и продукционные процессы и др.), устанавливать нагрузки и нормировать их, прогнозировать сценарии развития геосистем, управлять качеством природной среды.
ВВЕДЕНИЕ
Исследование природных и нарушенных антропогенными факторами комплексов (геосистем) на территории Сибири ведется нами на базе «Учения о геосистемах», разработанного В.Б. Сочавой [1-2] и соответствующему в своей основе некоторым принципам общей теории систем, которая предусматривает применение методов количественного анализа и математического аппарата для описания физико-географических процессов. Впервые термин геосистема был предложен В.Б. Сочавой в 1963 г. на русском языке [3]. В дальнейшем он используется в литературе на разных языках: английском [4], французском [5], немецком [6].
Развитие геосистемного направления в физической географии было заложено в трудах многих ученых естествоиспытателей [7-10], которым для понимания того или иного природного явления требовалось анализировать много факторов, т. е. проводить многофакторный анализ. На комплексные исследования в географии обратил внимание А.А. Григорьев [11] и первым осознал, что в основе взаимосвязей, взаимодействия и взаимообусловленности компонентов географической оболочки земного шара лежит обмен вещества и энергии так же, как между оболочкой и элементами космоса (солнечной радиации).
Геосистемный подход предусматривает изучение на основе существующих идей не только структуры, но и функционирования геосистем - установление факторов, влияющих на их развитие, выявление связей между факторами и компонентами геосистем, а также оценки тесноты взаимосвязей [2]. В идеале - стремление создать модель ландшафтообразующего процесса. Применение математических методов с использованием ЭВМ потребовало больших массивов данных по многим показателям и соответственно привлечения исследователей разных специальностей, что стало возможным с постановкой наблюдений на опытных участках (полигонах-трансектах) физико-географических стационаров. Геосистемный метод в различных модификациях получил широкое применение в географии [12-15].
Цель исследования - показать теоретическое и практическое значение геосистемного подхода в географических исследованиях на примере некоторых регионов Сибири.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
В работе анализируются материалы двух объектов исследования. Первый объект - степи Юго-Восточного Забайкалья, которые занимают обширную территорию, являясь естественным продолжением степей Монголии и Китая. Первые результаты комплексных исследований были получены под руководством академика В.Б. Сочавы (1962-1980 гг.) на полигон-трансекте Ха-ранорского степного физико-географического стационара Института географии СО РАН (рис. 1), расположенного в Юго-Восточном Забайкалье [2]. Для целей сбора количественных данных был применен метод комплексной ординации (МКО), предусматривающий проведение наблюдений синтопно и синхронно по целому ряду показателей и отбор проб по компонентам геосистем для исследования методами лабораторного анализа [2, 13].
Второй объект - природно-техногенные элементарные ландшафты территории, находящейся в сфере влияния пылегазовых эмиссий тепловой электростанции, расположенной в северной части Назаровской котловины (Красноярский край) [16].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В степных геосистемах на основе количественных данных прежде всего выявлялись связи между показателями частных процессов. Была сделана попытка найти связи биологической продуктивности с геохимическими показателями [17], а также связь биоты с радиационным балансом и влажностью почв [18]. Далее задача усложнялась, и был проведен статистический анализ взаимосвязей групп факторов природной среды с зеленой фитомассой в период ее максимального продуцирования и, наконец, создана модель степной фации центральноазиатского типа [18]. Модель представ-
N
s
v
Рис. 1. Топогеосистемы (фации) Харанорского полигон-трансекты. I—VI - физико-географические фации: I - элювиальная хамеро-досово-типчаковая (Chamaerhodos trifida Ledeb., Festuka lenensis Drob.) на черноземе бескарбонатном слаборазвитом поверхностнокаменистом вершины сопки; II - трансэлювиальная осоково-ирисово-пижмовая (Iris ensata Thunb., Tanacetum sibiricum L.) на черноземе мучнисто-карбонатном с пониженным вскипанием, маломощном, малогумусном склона северной экспозиции; III - элювиально-аккумулятивная разнотравно-осоково-вострецовая (Carex drymophila Turcz., Leymus pseudoagropyrum Tzvel.) на луговочерноземной бескарбонатной, мощной, малогумусной почве днища пади; IV - трансэлювиально-аккумулятивная вострецово-ковыльная (Stipa baicalensis Rosh.) на черноземе мучнисто-карбонатном глубоковскипающем среднемощном, малогумусном, легкосуглинистом нижней части южного склона; V - трансэлювиальная разнотравно-ковыльно-чиевая (Stipa baicalensis Rosh., Achna-therum sibiricum (L.)) на черноземе мучнисто-карбонатном высоко вскипающем, маломощном, малогумусном средней части склона; VI - элювиальная ковыльно-пижмовая (Stipa baicalensis Rosh., Tanacetum sibiricum L.) на черноземе мучнисто-карбонатном глубоко вскипающем, маломощном, малогумусном, древней поверхности выравнивания
лена в виде графа, отражающего синтез многочисленных анализируемых взаимосвязей. Узловые значения в этой графической схеме имеют критические компоненты фации: эффективная радиация, циркулирующая влага, продуктивность степного травостоя. Они являются главными ограничителями моделируемой геосистемы. Каждая из них принадлежит к особой категории блоков, названных на схеме модели: I - метеоэнергетика, II - эдафическая среда, III - биота. В их ареалах размещаются многие структурные элементы фации, имеющие по отношению к критическим компонентам значения влияющих факторов и в свою очередь зависимые от них.
Авторы созданной модели считают, что, зная критические компоненты и воздействуя на них, человек может на научной основе управлять тем или иным процессом. В степях повышение продуктивности травостоя, влагооборота и увеличение коэффициента полезного действия радиации - это путь к усилению интенсивности ландшафтнообразующего процесса. Следовательно, модели подобного типа являются механизмом разумного преобразования природы, что органично вписывается в учение о ноосфере В.И. Вернадского.
Идея взаимосвязей как между компонентами геоси-ситем, так и между геосистемами в их сопряженных рядах, которые оцениваются количественно, прежде всего, посредством измерения потоков вещества развивается научным направлением - «Геохимия ландшафта» [19-20]. Природная среда - это сложная иерархия природных территориальных комплексов (ПТК) - открытых систем, сообщающихся между собой посредством перемещающихся потоков вещества с участием солнечной энергии. При изучении структуры и функционирования природных территориальных комплексов, их классификации всегда возникала необходи-
мость выделения наименьшей однородной единицы (своего рода кирпичика, молекулы), из которых складывались бы ПТК различного уровня и размерности. Реально существующие в природе гомогенные структурные единицы разными авторами назывались по-разному. Определение «единичная элементарная геосистема» (гомогенный физико-географический ареал -геомер) [2] по своему значению приравнивается к биогеоценозу [21], фации [22], элементарному ландшафту [10] и элементарной геохимической системе [23].
С позиций оценки вещественно-динамического состояния геосистем на основе сопряженности элементарных ландшафтов и их взаимосвязей элементарные геохимические системы (ЭЛГС) объединяются потоками вещества и энергии в каскадные ландшафтногеохимические системы (КЛГС). С помощью количественной оценки массообмена (рис. 2) в указанных системах представляется возможным раскрытие того или иного процесса или явления.
В степных ландшафтах с черноземами и каштановыми почвами кальций является типоморфным химическим элементом. В почвах Юго-Восточного Забайкалья на разной глубине почвенного профиля находится своеобразный кальциевый мучнисто-карбонатный горизонт, который считается реликтовым (плиоцен-плейстоценового периода) образованием [24]. Была сделана оценка этого явления с позиций перемещения потоков кальция в степной КЛГС (рис. 2).
Анализ промежуточных балансовых моделей показал, что в процессе биологического круговорота приходная и расходная части массобмена кальция не равноценны. Некоторая его часть не поступает в почву, а задерживается в составе неразложившегося органического вещества, представленного степным войлоком и ветошью. Положительное сальдо образуется преимущественно за счет привноса кальция с атмосферными
Рис. 2. Массобмен кальция в степной КЛГС склона южной экспозиции Харанорского полигон-трансекты (см. рис. 1). Компоненты элементарных ландшафтов (фаций): А - атмосфера; Б - растительность; П - почва; К - порода. Запасы и потоки обмена кальция, кг/га в год: 1 - расходуется на прирост фитомассы; 2 - освобождается в процессе минерализации; 3 - связывается в процессе гумификации; 4 - общий запас в метровом слое почв; 5 - привносится с атмосферными осадками; 6 - выносится вертикальным током почвенного раствора; 7 - перемещается из карбонатного горизонта вследствие испарения; 8 - запасы водорастворимых форм; 9 - переносится с жидким стоком; 10 - эолово-делювиальный перенос в составе мелкозема; 11 - сальдо баланса относительно метрового слоя почв; III-VI - фации)
осадками в годы с непромывным типом водного режима и обеднения почвенного профиля в годы с промывным типом водного режима (глубина промачивания 1,5—2,0 м). Исследуемая территория характеризуется чередованием лет с различным увлажнением (рис. 3), поэтому в отношении обмена кальцием система находится приблизительно в равновесном состоянии с небольшим положительным сальдо относительно почв и коры выветривания. Суммарное ежегодное поступление элемента составляет 15-35 кг/га, что не могло обеспечить столь высокие его запасы в почвах (только в метровом слое находится 2,7 105-5,5 105 кг/га). Расчеты показали, что на накопление такого количества элемента требуется времени на 1-2 порядка больше по сравнению с общепринятым возрастом черноземов. Таким образом, приведенные результаты свидетельствуют в пользу теории реликтового происхождения карбонатного горизонта в почвах Юго-Восточного Забайкалья.
По словам В.Б. Сочавы [1], современная география должна изучать природу, в т. ч. в связи с деятельностью человека, с учетом всех сторон его вмешательства в природный процесс. Решение вопросов качества природной среды и норм природопользования с позиций геосистемного подхода достаточно перспективно [1215, 25-26].
Исследование ландшафтов северной части Наза-ровской котловины, подверженной воздействию пылегазовых эмиссий тепловой электростанции (ТЭС), работающей на малосернистых бурых углях, показало превалирование потока в ландшафты твердой составляющей выбросов над газообразной. Большая часть газообразных веществ уходит в региональный перенос, т. к. в приземном слое повышенные концентрации вредных окислов в газообразной форме фиксируются редко.
Этому, вероятно, способствует также и окись кальция твердых аэрозолей, которая в присутствии водяных паров вступает в реакцию с двуокисью серы и окислами азота с образованием его солей (нитратов и сульфатов). Находясь в растворе или твердом состоянии, они выводятся из газового потока. Твердая составляющая эмиссий в атмосфере разделяется вследствие действия сил гравитации в зависимости от размера и веса частиц зольных веществ. Наибольшее ее количество от 700 до 500 т/км2 оседает в пределах 4-5 км. На удалении 1015 км от ТЭС нагрузки снижаются до 50 т/км2.
Следовательно, обогащение почв химическими элементами осуществляется преимущественно за счет твердой составляющей техногенного потока веществ и частично газообразной. Там, где больше всего выпадает твердого высококальциевого вещества, верхний слой почв (0-10 см) имеет щелочную реакцию среды (рНводн. - 8,0-8,2) и наибольшее содержание элементов-загрязнителей: Са - 8,5; Ее - 7,3; Мп - 0,190; Бг - 0,110; Ва - 0,131; 5общ. - 0,37 %. Ореолы с повышенным содержанием макро- и микроэлементов в почвах вытянуты в северо-восточном направлении. Их конфигурация отражает среднегодовую розу загрязнения.
В первичном распределении поллютантов кроме климатических факторов (направление и скорость ветра, температурные инверсии) основным дифференцирующим фактором является рельеф. Как правило, почвы положительных форм рельефа (вершинные и привершинные поверхности сопок и увалов) обогащены элементами-загрязнителями. Почвы нижних частей склонов и хорошо дренируемых сухих распадков содержат сравнительно меньшее их количество.
Вторичное перераспределение техногенного вещества в ландшафтах осуществляется за счет передвижения растворимой его части в миграционном водном по-
ч
П5
О
О
500 -г 450 -■ 400 -■ 350 -■ 300 4' 250 200 -■ 150 -■ 100 -■ 50 -■ 0
т 0
і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і і I
кг
•ЯГ
А4
9*?^ <£> Су5 к4
^ чс^ чс£> ^ ^ ^ ^
Годы
О
о
СО
X
ЕЇ
СО
О
СО
го
ЇГ
П5
а.
■Линейный (1)
■ Линейный (2)
■ Линейный (3)
Рис. 3. Динамика показателей гидротермических условий степей Онон-Аргунского междуречья: 1 - атмосферные осадки; 2 - запасы влаги в слое почвы 0-100 см; 3 - среднегодовая температура воздуха и их тренды
1
2
3
токе от элювиальных ландшафтов к супер- и субак-вальным. Однако процесс аккумуляции растворимых солей в условиях низкогорий выражен слабо. Расчлененность рельефа, достаточное количество атмосферных осадков (510 мм в год), щебенчатость и опесча-ненность почв обеспечивает периодический (весной и осенью) сброс солей в речную сеть преимущественно с поверхностным и боковым внутрипочвенным стоком по мерзлому грунту. В данном случае миграция веществ осуществляется по схеме проточной системы. По условиям накопления элементов в сопряженном геохимическом ряду выделяются элювиальные и су-пераквальные ландшафты: элювиальные обогащены за счет первичного распределения веществ, суперакваль-ные - за счет дополнительного вторичного их перераспределения в процессе водной миграции.
Аквальные ландшафты также имеют повышенное содержание поллютантов. Щелочноземельными элементами и в первую очередь соединениями серы и кальция обогащены все виды вод (до 500 мг/дм3): делювиальные, почвенные, болотные, атмосферные осадки, воды временных и местных водотоков.
От того, насколько подвижным становится техногенное вещество в природных условиях, зависит скорость самоочищения ландшафтов и их качество. Этот процесс можно оценить с помощью коэффициента (Ксп), представляющего собой отношение массы техногенного вещества или элемента, удаленного в результате миграции из почвы определенного объема за определенный отрезок времени (Мв), к массе вещества или элемента (кг/м2), привнесенных с техногенным потоком за этот же срок (Мтр):
1) Ксп = Мв/Мтр;
2)Мв = Мтр - (М -М);
3) Ксп = Мтр - (Мк - М,)/Мтр,
где М1 - запас вещества или химического элемента (кг/м2) в почве определенного объема при первом измерении; Мк - запас вещества или химического элемента в почве (кг/м2) при повторном измерении. М1-к = (% элемента (х)0В-Я)/10, где ОВ - объемный вес почвы, г/см3; Н - высота загрязненного слоя почвы или грунта, см. Расчет Мтр проводится по накоплению веществ на планшетах, или в снежном покрове. Для
расчета веществ, поступающих через атмосферу за зимний период, использовали влагозапас в снеге с площади пробоотбора и количество вещества в 1 дм3 снеговой воды по формуле: Q = О V / S, где Q - поступление веществ за зимний период, кг/м2, С - содержание веществ в снеговой воде, мг/дм3; V - объем снеговой воды с площади отбора снега, дм3; S - площадь опробования, м2. Поступление веществ за год рассчитывается с учетом розы ветров.
При оценке коэффициента самоочищения почв (Ксп) предлагается использовать следующие градации его значений: 1,0 - полное самоочищение; 0,75 - хорошее; 0,5 - среднее; 0,25 - слабое; < 0,25 - очень слабое.
Зная химический состав пылегазовых эмиссий, их массу поступления за определенный отрезок времени, самоочищающую способность почв и реакцию биотической составляющей на известный тип химического воздействия, можно проводить нормирование техногенных нагрузок и моделировать сценарии развития геосистем в условиях загрязнения [26].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Результаты исследования показывают, что геосистемный подход при изучении состояния компонентов элементарных ландшафтов и их сопряжений, находящихся в природных и природно-антропогенных условиях, достаточно перспективен. Он предусматривает получение массивов количественных характеристик по различным параметрам, что позволяет объективно проводить многостороннюю оценку изучаемого объекта, выявлять связи и тесноту взаимосвязей, моделировать сценарии физико-географических процессов, устанавливать и нормировать нагрузки. В конечном итоге это дает реальную возможность принимать аргументированные решения в вопросах качества природной среды и норм природопользования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Сочава В.Б. Введение в учение о геосистемах. Новосибирск: Наука, 1978. 319 с.
2. Топология степных геосистем / под ред. В.Б. Сочавы. Л.: Наука, 1970. 174 с.
3. Сочава В.Б. Спределепие некоторых понятий и терминов физической географии // Докл. Ин-та геогр. Сибири и Дальнего Востока. 1963. Вып. З. С. 5G-59.
4. Stoddart D.R. Organism and ecosystem as geographical models // Models in Geography. 1967. P. 511-548.
5. Bertrand G. Paysage et geographie physique globale // Revue geogra-phique des Pyrenees et Sud-Ouest. 1968. T. З9. Fasc З. P. 249-272.
6. Neef E. Entscheidungsfragen der Geographie // Peterm. Geograph. Mitt. 1969. Bd. 11З. H. 4. S. 277-278.
7. ГумбольтА. Картины природы. М., 1959. 269 с.
8. Берг Л.С. Избранные труды. М.: Изд-во АН СССР, 1958. Т. 2. 426 с.
9. Докучаев В.В. Избранные сочинения. М., 1948. Т. 1. 480 с.
1G. Полынов Б.Б. Географические работы. М., 1952. 250 с.
11. Григорьев А.А. G взаимосвязи и взаимообусловлеппости компонентов географической среды и о роли в них обмена веществ и эпергии // Изв. АН СССР. Серия геогр. 1956. № 4. С. 38-45.
12. Природные режимы степей Минусинской котловины. Новосибирск: Наука, 1976. 237 с.
13. Вещество в степных геосистемах. Новосибирск: Наука, 1984. 158 с.
14. Природа таежпого Прииртышья / А.Н. Антипов, Е.Г. Нечаева, Н.П. Дружинина и др. Новосибирск: Наука, 1987. 257 с.
15. Снытко В.А., Давыдова Н.Д., Дубынина С.С. Процессы трансформации криоксерофитных степей Юго-Восточного Забайкалья // География и природ. ресурсы. 2003. № 4. С. 20-26.
16. Природа и хозяйство района первоочередного формирования КАТЭКа. Новосибирск: Наука, 1983. 260 с.
17. Снытко В.А. Геохимия урочищ // Топология степных геосистем. Л.: Наука, 1970. С. 127-1З4.
18. Сочава В.Б., Дружинина Н.П., Лиопо Т.Н., Мартьянова Г.Н. Функциональные и статистические зависимости ландшафтнотопологического порядка // Топология степных геосистем. Л.: Наука, 1970. С. 135-158.
19. Перельман А.И. Геохимия. М.: Высш. шк., 1989. 341 с.
2G. Глазовская М.А. Геохимические основы типологии и методики исследований природных ландшафтов. М.: Изд-во МГУ, 1964. 230 с.
21. Сукачев В.Н. G соотношении понятий «географический ландшафт» и «биогеоценоз» // Вопр. географии. 1949. Сб. 16.
22. Исаченко А.Г. Ландшафтоведение и физико-географическое районирование. М.: Высш. шк., 1991. 365 с.
23. Глазовская М.А. Теория геохимии ландшафтов в приложении к изучению техногенных потоков рассеяния и анализу способности природных систем к самоочищению // Техногенные потоки вещества в ландшафтах и состояние экосистем. М.: Наука, 1981. С. 741.
24. Ногина Н.А. Почвы Забайкалья. М.: Наука, 1964. 313 с.
25. Александрова Т.Д. Нормирование антропогенно-техногенных нагрузок на ландшафты как научная задача // Научные подходы к определению норм нагрузок на ландшафты. М., 1988. С. 4-15.
26. Давыдова Н.Д., Волкова В.Г. Карты прогноза техногенной трансформации ландшафтов (методика составления, результаты) // Эко-лого-географическое картографирование и районирование Сибири. Новосибирск: Наука, 1990. С. 86-108.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, № 14-05-00183.
Поступила в редакцию 23 мая 2014 г.
Davydova N.D. GEOSYSTEM APPROACH IN THE STUDY OF NATURAL AND ANTHROPOGENICALLY DISTURBED COMPLEXES
It is shown that through the use of geosystem approach in the study of natural and anthropogenically disturbed complexes, it is possible to employ the latest equipment for obtaining quantitative information, and on its basis, to model the physical-geographical processes (matter and energy exchange, geochemical and productive processes, etc.), establish loads and standardize them, forecast scenarios of geosystem development, and to manage the natural environmental quality.
Key words: geosystem approach; modeling; interrelations; functioning; mass exchange; standardization; environmental quality.
Давыдова Нина Даниловна, Институт географии им. В.Б. Сочавы СО РАН, г. Иркутск, Российская Федерация, доктор географических наук, старший научный сотрудник, ведущий научный сотрудник, е-mai: [email protected]
Davydova Nina Danilovna, V.B. Sochava Institute of Geography SB RAS, Irkutsk, Russian Federation, Doctor of Geography, Senior Research Worker, Leading Research Worker, е-mai: [email protected]
1511
