Применение системного подхода при изучении природно-техногенных геосистем

УДК 504.06

ПРИМЕНЕНИЕ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА ПРИ ИЗУЧЕНИИ ПРИРОДНО-ТЕХНОГЕННЫХ ГЕОСИСТЕМ

© В.А. Почечун, Ю.Л. Мельчаков, Д.А. Бабенко

Ключевые слова: системный подход; природно-техногенная геосистема; функционирование; развитие; биогеохи-мический цикл; тяжелые металлы; окружающая среда.

Рассмотрено применение системного подхода при изучении природно-техногенных геосистем на Урале. Системный подход является общенаучной методологией, позволяющей сконструировать путь любого исследования для достижения поставленной цели. В данном исследовании, применение системного подхода дает возможность определить тенденции развития как географической оболочки, так и геокомплексов, что улучшает научное прогнозирование.

Системный подход занимает одно из ведущих мест в научном познании, в т. ч. и при решении природоохранных задач. Корни его уходят в далекое прошлое. Еще В.М. Дэвис, изучая формирование рельефа, утверждал, что реальный рельеф развивается сложно и многообразно, но закономерности этого процесса можно понять исходя из общих принципов идеального цикла, в котором им выделены стадии детства, юности, молодости, зрелости, старости и дряхлости.

Изучением геосистем занимался и ряд других ученых (Л. Бертоланфи, В.Б. Сочава, А.Д. Арманд, А.Г. Исаченко и др.). Анализ исследований, связанных с закономерностями развития геосистем (ГС), позволяет выделить такие их черты, как цикличность, характеризующаяся разными возрастными стадиями развития; однонаправленность - развитие от прошлого к будущему; неограниченность прогресса - развитие от простого к сложному; неравномерность - одновременное наличие прогрессивных (упорядоченных), стабильных (антиупорядоченных) и регрессивных (разупорядочен-ных) элементов или подсистем (качеств). Принимая во внимание вышесделанный вывод, нами предложена модель изучения геосистем. В качестве элементов системы могут выступать различные компоненты, процессы, связи, которые мы объединяем одним термином -факторы. Их количество определяет разнообразие системы: чем их больше, тем система сложнее. При этом, принимая во внимание законы усложнения системной организации К.Ф. Рули и неограниченности процесса, можно говорить об увеличении разнообразия в процессе развития системы. Однако, как замечает Н.Ф. Рей-мерс (1982), прогресс неограничен лишь при очень значительных усилиях и саморегуляции как ведущем факторе развития, а «длительность неограниченности» лимитирована эволюционными рамками (для земли -временем ее существования). В пределах одной системы подсистемы и элементы (в нашей интерпретации -факторы) могут находиться в разных состояниях. Мы различаем прогрессивные факторы (способствующие развитию системы), регрессивные (препятствующие развитию) и нейтральные (могут и способствовать и препятствовать развитию системы). Сумма и взаимо-

связь всех трех видов факторов представляет структуру, а количество связей между ними - устойчивость. Условимся различать прогрессивные факторы (способствующие развитию системы), регрессивные (препятствующие развитию) и нейтральные (могут и способствовать и препятствовать развитию системы). Благодаря последним факторам в природе существуют не функциональные, а корреляционные зависимости, они определяют и дисперсию системы. Сумма и взаимосвязь всех трех видов факторов представляет структуру системы, изменение их количеств - ее развитие, а количество связей между ними - устойчивость (рис. 1). В процессе своего развития система проходит три этапа: 1 этап - зарождение системы, определяется наличием нейтральных и прогрессивныхфакторов, преобладают нейтральные; 2 этап - становление системы - определяется наличием прогрессивных, нейтральных и регрессивных, преобладают прогрессивные; 3 этап - разложение системы, определяется совокупностью прогрессивных и регрессивных факторов, преобладают регрессивные. На втором этапе происходит, наряду с количественными, качественное преобразование: нейтральные превращаются в регрессивные. Этому переходу соответствует состояние динамического равновесия. Затем развитие идет, как и на первом этапе. Третий этап заканчивается качественным скачком: регрессивные превращаются в прогрессивные, а прогрессивные - в нейтральные. В результате состояние системы характеризуется новым качественным уровнем [1].

Происхождение скачка можно объяснить следующим образом. Мерой разнообразия является связь. Гео-

зарождение становление разложение

Рис. 1. Схема развития геосистемы

1551

системным связям присуща двуликость, различают связи-отношения и связи-взаимодействия. Связи-отношения - это связи, выражающие соотношение явлений, процессов или объектов внутри системы, которые могут быть представлены в качественном или количественном виде. Связи-взаимодействия - связи, определяющие соответствие качества системы ее состоянию (количеству вещества и энергии) за определенный промежуток времени. Следовательно, они определяют качество самой системы, а не отдельных ее составляющих. Наличие этих двух видов связей можно изобразить графически (рис. 2).

Синусоида соответствует связям-отношениям, которые в конечном итоге изменяют количество вещества, энергии и информации в системе. Изучением этих отношений обычно и занимаются экологи в повседневных исследованиях. Одновременно с этими привычными изменениями наблюдаются и качественные изменения. Они наиболее устойчивы и происходят в виде небольших скачков, соответствующих переходу одних факторов системы в другие или их экстремумам. Изменение связей-взаимодействий представлено в виде ступенчатой линии (рис. 2). Существуют в системе они всегда, но их количество изменяется только в критических ситуациях (переход количественных изменений в качественные). Когда же накапливается достаточное количество качественных изменений, происходит скачок всей системы, после чего она может развиваться как в сторону прогресса, так и в сторону регресса (рис. 3), в зависимости от того, какое суммарное количество факторов (положительное или отрицательное) преобладает.

В этом случае мы имеем дело с медленно развивающимся риском, заканчивающимся качественным скачком. Этот скачок может иметь как естественное, так и техногенное происхождение. Во всех случаях восприимчивость системы к антропогенным или природным воздействиям зависит от ее устойчивости.

Работы И. Пригожина (1986), О. Тофлера (1986), П. Кратчфилда (1987) показывают, что флуктуации вынуждают систему выбрать случайным образом то направление, по которому будет происходить дальнейшая эволюция. Это происходит в момент, когда система теряет свою устойчивость, становится неустойчивой. Неустойчивость можно рассматривать как результат флуктуации, которая сначала была локализована в малой области системы, а затем распространилась и привела к новому ее состоянию. Иначе говоря, отзвуки локальных событий разносятся по всей системе. Для этого должны быть хорошо развиты «каналы

положительная

область

отрицательная

обметь

Рис. 2. Схема изменения количества связей-взаимодействий

Область прогресса развития системы

Область регресса развития системы

Рис. 3. Формирование базиса системы нового качества

связи», с помощью которых область системы, подвергшаяся флуктуации, передает часть энергии и вещества по всей системе. Предупредить это можно перекрыв каналы связи.

В связи с этим особое значение приобретают вопросы управления, связанные с регулированием взаимодействия объекта (природа) и субъекта (человека) и возникающих в результате субъект-объектных отношений (А.А. Преображенский, 1987). На рис. 4 они представлены в виде блоков. Первый включает объекты, являющиеся основными соподчиненными компонентами природы: ведущие (геологическое строение и рельеф; климат, поверхностные и подземные воды) и ведомые (почвы, растительность и животный мир). Второй блок включает субъекты и их возможные действия на объекты, входящие в первый блок. Он может быть представлен частными блоками, включающими естественные и техногенные составляющие, которые двояко влияют на объект: непосредственно и опосредованно (например, поверхностный сток взвешенных веществ может увеличиваться вследствие распашки территории). Третий блок включает систему, изменившуюся в результате ее функционирования, осуществления объект-субъектных связей в горных породах, экзогенных процессах, основных метеорологических характеристиках, показателях гидродинамических режимов и т. д. Этот блок, являясь результатом объект-субъектных отношений, не остается пассивным: его составляющие в свою очередь воздействуют на объект (обратная связь), заставляя последний функционировать в изменившихся условиях (рис. 4). Эти блоки можно рассматривать как совокупность базиса (I блок -объект) и факторов (II и III блоки - субъект и соподчиненные компоненты, связанных между собой отношением, взаимодействием и регулированием). Роль вторых и третьих блоков будет зависеть от характера воздействия на объект. Если субъект включает не только естественную, но и антропогенную составляющую, превышающую по силе влияния природную и приводящую к экологическим нарушениям, то система практически становится незамкнутой, т. е. ослабляются связи субъект-объект (рис. 5). Преобразование объекта происходит в основном за счет перехода количественных изменений в качественные.

В результате система меняет первоначальную направленность своего развития и теряет экологическое равновесие. Чем больше изменяется объект, тем ближе система подходит к экологическому кризису (проблемы Арала, Севана, Байкала и др.).

Специалисты в области геохимии окружающей среды общее понятие «экологическое равновесие» в практической работе заменяют на более конкретное:

1552

Связи взаимодействия Связи отношения прямые

П блок I блок Ш блок

Связи регулирования Связи взаимодействия

обратные

Рис. 4. Схема функционирования природной системы

Рис. 5. Схема функционирования геосистемы при сильном антропогенном воздействии

сбалансированность системы, имея в виду балансы химических элементов. Это дает возможность определить тенденции развития как географической оболочки, так и геокомплексов, что улучшает научное прогнозирование.

В качестве примера такого подхода рассмотрим два этапа исследований на Урале: начала 1980-х гг. и начала 2000-х гг.

Проведенные на первом этапе изыскания в фоновых таежных условиях Урала исследования позволили установить закономерности миграции химических элементов, которые хорошо корреспондировались с известными представлениями об атмосферной, водной и биологической миграции (Ю.Л. Мельчаков, 1989).

В кратком изложении результаты сопряженного изучения трех видов миграции Мп, 7и, Си, N1, Со, РЬ и выяснения особенностей миграции этих металлов по сезонам года сводятся к следующему.

Распределение концентраций водорастворимых тяжелых металлов в атмосферных осадках отвечает нормальному закону. Характерно значительное варьирование концентраций металлов во времени (коэффициенты вариации превышают 50 %). Кривые распределения имеют левостороннюю (положительную) асимметрию -наибольшее число вариаций приходится на величины, меньшие среднего арифметического. Вероятно, это свидетельствует о том, что некоторые высокие значения концентраций элементов являются следствием техногенного загрязнения.

На значительной территории (1000-1500 км), за исключением локальных источников загрязнения, выпадают атмосферные осадки, в среднем незначительно отличающиеся по концентрациям водорастворимых форм металлов. Так, расхождения между дисперсиями средних выборок, взятых с трех участков, являются незначащими.

В суммарных выпадениях отмечено иное соотношение водо- и кислоторастворимых форм тяжелых металлов - 65-91 %, их количества кислоторастворимы. Исключение составляет Zn, примерно наполовину представленный водорастворимой формой.

Среднемесячное поступление из атмосферы водорастворимых форм металлов летом в и-10и раз выше, чем зимой.

Основная часть металлов в малых водотоках мигрирует в истинных и коллоидных растворах. Коэффициенты водной миграции, рассчитанные относительно средних содержаний металлов в дренируемых горных породах, свидетельствуют о средней и сильной интенсивности водной миграции. В кульминационной стадии половодья по сравнению с начальной концентрацией металлов почти во всех случаях существенно возрастают. Это обусловлено усилением процессов вымывания элементов из оттаявшей почвы.

Величины выносимых масс металлов обычно значительно меньше модулей поступления из атмосферы. Подчеркнем, что эта закономерность не являлась принципиально новой для геохимии и биогеохимии: аналогичные результаты были получены в это же время (1980-е гг.) применительно к лесным экосистемам ряда регионов мира.

Хорошо зная о незамкнутости биогеохимических циклов (их несбалансированности) и, как представлялось в 1980-х гг., обоснованно предполагая, что в сильно залесенных районах поток вещества «земная поверхность - атмосфера» имеет второстепенное значение, представлялся корректным сделанный вывод об аккумуляции в изученных ландшафтах большинства рассматриваемых металлов.

Вторая ветвь атмосферного цикла на суше - эва-потранспирационный поток - была изучена в рассматриваемый период недостаточно и, как выяснилось позднее, указанное обстоятельство приводило к серьезным ошибках в балансовых расчетах.

Проведенные нами в 2000-х гг. исследования на Урале более широкие по сравнению с изысканиями 1980-х гг. как с точки зрения охвата территории, так и с других позиций позволили установить закономерности эвапотранспирационного переноса и его роль в системе миграционных процессов.

Суммировав годовые величины массопотоков всех анализируемых 74-х элементов, получили следующие значения (в кг/км2): атмосферные выпадения = 6310, биологический круговорот (опад) = 7624, поступление в атмосферу продуктов эвапотранспирации = 1685, вынос с речным стоком = 5039. Отсюда итоговое соотношение миграционных потоков = -420 кг/км2 (с учетом эвапотранспирации) или +1290 кг / км2 (без учета

1553

Таблица 1

Коэффициенты корреляции Пирсона (r) между изученными массопереносами в среднетаежных ландшафтах

Группа элементов Сравниваемые объекты

Эвапотранс-пирация -биологический круго-ворот(опад) Эвапотранс-пирация -атмосферные выпадения Эвапотранс-пирация -вынос с речным стоком Атмосферные выпадения -вынос с речным стоком Биологический круговорот (опад) - атмосферные выпадения Биологический круговорот (опад) - вынос с речным стоком

1. Главные G,635

Рассеянные:

2. Литофильные G,944 (15) G,9G8 (34) G,25G (34)* G,G46 (34)* 0,989 (15) 0,022 (15)*

3. Халькофильные G,946 (11) G,919 (16) G,646 (16) G,792 (17) 0,767 (11) 0,331 (11)*

4. Сидерофильные G,972 (3)* G,999 (9) G,924 (9) G,925 (1G) 0,958 (3)* 0,871 (3)*

Примечание: звездочкой отмечены значения (г), которые меньше табличных критических значений коэффициента корреляции Пирсона для 5 %-ного уровня значимости; в скобках - количество проб.

эвапотранспирации). Следовательно, эвапотранспира-ция существенно ослабляет дисбаланс массопотоков.

Анализ коэффициентов корреляции Пирсона, применительно к изученным массопереносам (табл. 1), свидетельствует о наличии доказанной положительной корреляционной связи относительно большинства рассмотренных вариантов. В настоящее время расчет полного баланса элементов в ландшафтах для решения задач геоэкологии затруднен (возможно, на современном уровне знаний невозможен), как нам представляется, прежде всего по двум причинам. Первая - трудность корректной оценки выщелачивания элементов из горных пород. Вторая причина затруднений, вероятно, более значима - нерешенность вопроса о том, какая часть эвапотранспирационного потока возвращается в «ландшафт-донор» (т. е. ландшафт, мобилизовавший массы элементовпосредством эвапотранспирации), и, соответственно, какой остаток вовлекается в более протяженную миграцию. Предположение о методической стороне этих специальных исследований высказывалось нами ранее: использование метода меченых атомов, хотя техническая сторона вопроса не проработана.

ЛИТЕРАТУРА

1. Двинских С.А., Бельтюков Г.В. Возможности использования системного подхода в изучении географических пространственновременных образований. Иркутск: Изд-во Иркут. ун-та, 1992. 245 с.

Поступила в редакцию 11 июля 2014 г.

Pochechun V.A., Melchakov Y.L., Babenko D.A. APPLY OF SYSTEMATIC APPROACH AT STUDYING OF NATURAL-TECHNOGENIC GEOSYSTEMS

The application of a systematic approach in the study of natural and anthropogenic geosystems in the Urals is considered. Systematic approach is general scientific methodology that allows constructing the path of any research to achieve this goal. In this study, a systematic approach makes it possible to identify trends in the development of a geographic envelope and geocomplexes that improves scientific forecasting.

Key words: systemic approach; natural and man-made geosystem; functioning; development; biogeochemical cycle; heavy metals; environment.

Почечун Виктория Александровна, Уральский государственный горный университет г. Екатеринбург, Российская Федерация, кандидат геолого-минералогических наук, доцент кафедры геоэкологии, e-mail: ViktoriyaPochechun@mail.ru Pochechun Viktoria Aleksandrovna, Ural State Mining University, Yekaterinburg, Russian Federation, Candidate of Geological and Mineralogical Sciences, Associate Professor of Environmental Geoecology Department, e-mail: ViktoriyaPo-chechun@mail.ru

Мельчаков Юрий Леонидович, Уральский государственный горный университет, г. Екатеринбург, Российская Федерация, доктор географических наук, доцент, профессор кафедры геоэкологии, e-mail: ViktoriyaPochechun@mail.ru Melchakov Yuri Leonidovich, Ural State Mining University, Yekaterinburg, Russian Federation, Doctor of Geography, Associate Professor, Professor Department of Environmental Geoecology Department, e-mail: ViktoriyaPochechun@mail.ru

Бабенко Дмитрий Александрович, Уральский государственный горный университет, г. Екатеринбург, Российская Федерация, студент, e-mail: ViktoriyaPochechun@mail.ru

Babenko Dmitriy Aleksandrovich, Ural State Mining University, Yekaterinburg, Russian Federation, Student, e-mail: ViktoriyaPochechun@mail.ru

1554