Свойства геосистем

Геосистемы как разновидность больших систем обладают общесистемными свойствами, а также особыми свойствами, присущими только им.

Общесистемные свойства. Они характерны для всех известных сложных объектов, которые называют системами, а также проявляются в природных и квазиприродных системах.

Целостность (эмерджентность). Это способность систем проявлять полностью свои свойства только при взаимодействии элементов; это важнейшее свойство, наличие которого, согласно определению, позволяет отнести объект к системам. Оно означает, что систему невозможно познать, изучая лишь составные части и не учитывая взаимодействия между ними. Распространяя свойство целостности на геосистемы, отметим, что их нужно рассматривать как совокупности взаимосвязанных и взаимообусловленных элементов: компонентов природы или подсистем более низкого ранга. Так, невозможно достоверно судить о процессах в почве, не учитывая особенностей функционирования ландшафта в целом. С другой стороны, относительно замкнутые круговороты веществ на уровне ландшафта невозможно изучать, не имея информации о региональных и глобальных процессах.

Сложность. Свойство характеризуется числом элементов или возможных состояний системы. Важно понимать, что в соответствии с принципом «Вселенная бесконечно систематизировав

на» можно представлять систему, состоящую из элементов различных уровней существования материи, вплоть до атомного, элементарного и даже кваркового. В таком случае во всех природных системах число элементов очень велико. Но также важно помнить, что при изучении геосистем нужно оставаться на уровне изучения процессов, значимых для ландшафта, местности, урочища, фации, поэтому рассматривают уже укрупненные элементы — природные тела: потоки атмосферного воздуха, почву и ее горизонты, водные объекты, фитоценозы, популяции животных и колонии микроорганизмов, грунты и гидрогеологические системы. При моделировании стараются рассматривать по возможности меньшее число элементов. Наиболее рациональный путь упрощения модели — выделение и описание взаимодействия между подсистемами, включающими в себя множество элементов. Важная для природообустройства система «почва — вода — атмосфера — растение» состоит из четырех подсистем, каждую из которых можно описывать более или менее сложной моделью в зависимости от поставленных задач.

Разнообразие. Система жизнеспособна только тогда, когда состоит из разнообразных элементов и связей. Минимальное число разных элементов — два (плюс и минус, северный и южный магнитные полюса, мужской и женский пол). В геосистемах это свойство выражается в неоднородности и изменчивости свойств компонентов природы в пространстве [которые могут быть детерминированными (упорядоченными), тогда можно говорить о выделении контуров, о трендах, следовательно, о картировании неоднородностей, и стохастическими (случайными), т. е. когда какое-то свойство (плотность, пористость, коэффициент теплопроводности и т.п.) меняется из точки в точку, не подчиняясь какой-либо функциональной закономерности]. Внутренняя неоднородность и изменчивость свойств повышают устойчивость геосистемы, но затрудняют принятие технических решений, так как регулярное воздействие на среду со случайными параметрами приводит к стохастическим, вероятностным результатам; например, поле поливают одной нормой, а влажность в разных его частях может после полива отличаться на 10...20 %, случайная неоднородность усложняет текущие наблюдения (мониторинг), для репрезентативности их надо проводить в нескольких точках.

Структурность. Она характеризует организацию системы. Степень развития структуры является отражением сложности системы и разнообразия ее элементов, а также видов связей элементов между собой. В геосистемах структурность выражается в виде пространственно-временной упорядоченности (организованности), определенным расположением частей и порядком их соединения; различают вертикальную, или ярусную, структуру, указывающую на взаиморасположение компонентов, и горизонтальную, или латеральную, структуру, раскрывающую порядок расположения геосистем низшего ранга, поэтому нужно рассматривать как вертикальные, или межкомпонентные, связи, так и горизонтальные, или межсистемные, связи. Система без выраженной структуры неустойчива и подвержена случайным воздействиям, которые ее «расшатывают». Так ведет себя песчаная дюна, перемещаемая ветром. Система со сложной жесткой структурой устойчива, но не способна развиваться и усложняться. Оросительная система, состоящая из насосной станции, трубопроводов, дождевальной техники, выдерживает нормальные эксплуатационные нагрузки, но самовосстанавливаться она не может и уж тем более не; \ может самопроизвольно за счет внутренних факторов превратиться во что-то более совершенное. Системы со средневыраженной структурой занимают промежуточное положение; они обладают достаточной устойчивостью, но способны изменяться в некоторых пределах, а иногда и перестраиваться в другие системы со своей устойчивостью. Так, пожарище со временем превращается в луг, а он сменяется лесом. При создании квазиприродных и артеприродных систем разрушаются ранее существовавшие природные структуры и в них вносятся новые структуры, что делает их более «жесткими» и может снизить способность к развитию и адаптации. Природные структуры упрощаются человеком (монокультура взамен лугового разнотравья, планировка поверхности и ликвидация микрорельефа), системы становятся менее устойчивыми из-за меньшего разнообразия.

Четыре отмеченных свойства характерны для всех систем — от природных до политических. На этих свойствах основаны принципы целостности и необходимого разнообразия, которые позволяют создавать оптимальные техногенные подсистемы природообустройства с учетом наиболее общих закономерностей теории систем.

Свойства динамических систем. В природных системах связи имеют характер потоков вещества, энергии и информации. Это означает, что один элемент системы, например биота, влияет на другой (почву гидросферу и пр.) не с помощью рычага или шестеренки, а с помощью движущихся в пространстве и времени веществ, энергии, а часто и информации (изменение излучения Солнца передает живым организмам информацию о природных циклических изменениях). Все такие системы называют динамическими, для них характерны следующие свойства.

Функционирование. Внутри динамических систем (к ним относятся и геосистемы) идут интегральные, взаимосвязанные и взаимовлияющие непрерывные процессы обмена вещества, энергии и информации и их преобразования, которые совершенно условно, для нужд частных наук о природе, человек подразделяет на отдельные составляющие: физические, химические, биологические и т. д. В последнее время наметилась тенденция совместного рассмотрения некоторых процессов: геохимических, гидрофизических, биохимических и др.

Природообустройство ставит перед собой задачу управления потоками вещества и энергии в природе и гармонизации круговоротов, т. е. нахождения такого оптимального уровня воздействия, который не приводит к неблагоприятным изменениям в управляемой системе.

Единство, интегральность природных процессов представляет сложность для их моделирования. Например, при описании передвижения влаги в почве нужно учитывать, что этот процесс происходит не только под действием градиента напора, но и под действием поля температур, поля концентраций солей, электромагнитного поля, на состоянии которых отражается и само движение воды.

Открытость. Фундаментальная особенность динамических систем — постоянный, обмен веществом, энергией и информацией с окружающей средой. Геосистемы обмениваются энергией, веществом и информацией с другими геосистемами, при этом поток энергии пронизывает все элементы, без этого невозможно существование геосистемы. Чем более высокоорганизована система, тем строже она регулирует обмен веществом и энергией с окружающей средой. Нельзя понимать открытость как абсолютную, она не может быть полной, необходима некоторая изоляция. Возможность существования динамической системы объясняется некоторым преобладанием мощности внутренних связей над внешними, иначе система «размазывается» и перемешивается с окружающей ее средой.

Устойчивость. Это способность восстанавливать или сохранять структуру и другие свойства при резком изменении внешних воздействий. Устойчивость возможна как раз в силу некоторой изолированности от окружающей среды, неполной открытости системы, которая обсуждена ранее. Устойчивость геосистем и компонентов природы повышается с увеличением их внутренней неоднородности и разнообразия. Например, развитая почва, будучи высокоорганизованной системой, способна поддерживать постоянный газовый состав воздуха в порах, малоизменчивый температурный режим. Природную устойчивость геосистем следует отличать от устойчивости природно-техногенных комплексов, которая заключается в способности выполнять заданные социально-экономические функции. Подробнее устойчивость природных систем ищриродно-техногенных комплексов обсуждена ниже.

Динамичность. Способность обратимо изменяться под действием периодически меняющихся, т. е. «привычных» для данной геосистемы внешних факторов без перестройки структуры или с незначительной перестройкой; это обеспечивает геосистеме ее гибкость, «живучесть». Проявляется она при суточных, сезонных, годовых и многолетних циклах изменения солнечной радиации, свойств воздушных масс. Можно сказать, что совершенным техническим системам тоже присуща динамичность как способность противостоять периодическим воздействиям без разрушения, например способность бетона облицовки канала выдерживать неоднократное замораживание и оттаивание, «самозалечивающиеся» конструкции тела грунтовой плотины также обладают динамичностью.

Способность развиваться. Геосистемы эволюционно (но изменяются, т. е. происходит направленное необратимое изменение, приводящее к коренной перестройке структуры, т. е. к появлению новых геосистем; скорость изменения зависит от ранга геосистемы: быстрее изменяются фации, затем — урочища, местности; время изменения ландшафтов и их групп измеряется геологическими масштабами. Эволюционные изменения можно в лучшем случае замедлить; приостановить или повернуть вспять невозможно без значительного нарушения устойчивости геосистемы. Это свойство нужно для адаптации системы к окружающей среде, оптимизации внутренних и внешних связей.

Среди динамических систем выделяют природные, обладающие уникальными свойствами.

Особые свойства геосистем. Среди динамических систем выделяют природные, обладающие уникальными свойствами.

Продуцирование биомассы — важнейшее свойство геосистем, заключающееся в синтезе органического вещества первичными продуцентами, важнейшие из которых на суше — зеленые растения, извлекающие диоксид углерода из атмосферы, а из почвы с водными растворами — зольные элементы и азот при непременном использовании солнечной энергии. Человек энергично эксплуатирует это свойство в процессе природопользования и регулирует при обустройстве природы. Биомасса продуцируется и другими живыми организмами.

Способность почвообразования — отличительное свойство земных ландшафтов, заключающееся в образовании почвы, которая, являясь продуктом функционирования, стала и важным компонентом природы. Почва — особое природное тело, которое образуется в результате взаимодействия живых организмов и их остатков с наружными слоями литосферы, предварительно подвергшимися измельчению под действием воды, солнца, ветра (В. В. Докучаев). Почвы обладают неоценимым свойством — плодородием, т. е. способностью удовлетворять потребности сельскохозяйственных растений в факторах и условиях их роста и развития. Помимо этого почва выполняет важные экологические функции: регулируя по-

токи влаги и веществ, предохраняет другие компоненты природы от загрязнения; защищенная растениями почва гасит водную и ветровую эрозию; регулируя соотношение между поверхностным и подземным оттоком влаги, она формирует речной сток, обеспечивая, в частности, жизнь рек в летний засушливый период.

Нелинейность природных процессов. Трансформация энергии и вещества и обмен ими идут с переменной, часто замедляющейся скоростью: уменьшается скорость впитывания воды в почву, замедляется остывание почвы при похолодании, затухает скорость понижения уровня грунтовых вод при дренировании. В некоторых случаях возможны нелинейный ускоряющийся рост популяций живых организмов (эпидемии) или самоускоряющиеся физические процессы (ускорение свободного падения). Природные процессы могут быть периодичными и даже менять свое направление. Затухающие процессы повышают устойчивость геосистемы, тогда она не идет «враскачку». Нелинейные процессы сложнее изучать и моделировать.