CC BY
82
УДК 581.524 + 911.5.52
ЛОКАЛЬНЫЙ МОНИТОРИНГ ГЛОБАЛЬНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ: ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ
© 2000 Э.Г. Коломыц, Г.С. Розенберг
Институт экологии Волжского бассейна РАН, г. Тольятти
Применительно к лесным экосистемам юга бореального пояса рассматриваются пути и методы разработки локального биоэкологического и геосистемного мониторинга глобальных изменений природной среды, вызванных антропогенными воздействиями на климат. На основе дискретных моделей предложены способы исчисления территориальной и функциональной организации лесных экосистем и ее антропогенной динамики в целях создания локальных и региональных ландшафтно-экологических прогнозов.
При выборе путей перехода к устойчивому развитию общества важное значение имеет вычленение антропогенной составляющей в происходящих глобальных изменениях природной среды, что предусмотрено, в частности, "Международной геосферно-био-сферной программой" (МГБП) [16]. Как известно, один из основных трендов глобальных изменений связан с предстоящими и уже, по-видимому, начавшимися с 80-х годов [9,
17, 21] сдвигами климатического режима планеты (глобальным потеплением и соответствующими изменениями атмосферного увлажнения), обусловленными техногенным ростом содержания диоксида углерода и других парниковых газов в атмосфере. Глобальный экологический эффект антропогенного воздействия на климат составляет важнейший раздел биосферного мониторинга [11].
Наиболее благоприятными объектами мониторинга могут служить так называемые переходные зоны и прежде всего - зональные биоклиматические экотоны, обладающие повышенной чувствительностью как к фоновым изменениям климата, так и к импактным воздействиям человека. Такой обширной переходной зоной является основной водосбор Волжского бассейна. Он "насажен" на трансконтинентальный бореальный экотон Евразии, представляющий собой систему природных зон и зональных границ, разделяющих бореальный (преимущественно таежнолесной) биоклиматический пояс на севере и суб-бореальный (лесостепной, степной и пустынный) - на юге. В условиях современного
глобального воздействия человека на природную среду экологическая безопасность крупных территорий существенно зависит от состояния зонально-региональных типов экосистем и, в первую очередь, лесного покрова [6]. В этом состоит актуальность выбора бо-реального экотона как субпланетарной границы леса и степи в качестве одного из объектов биоэкологического и геосистемного мониторинга.
На бореальном экотоне происходит феноменальный переход соотношения тепла и влаги через 1. В этих условиях приграничные лесные экосистемы, имеющие значительное взаимное перекрытие своих климаареалов [7], неизбежно приобретают черты триггерных систем с гистерезисными свойствами, по определению [3], и находятся в состояниях, близких к критическим, что и определяет их повышенную чувствительность к воздействиям глобальной климатической системы. Вблизи южной границы лесной зоны на Русской равнине начинается обширный гистере-зисный пояс, охватывающий лесостепь и северную степь [4] и отличающийся множеством метастабильных состояний природных, в том числе лесных, экосистем. В пределах этой "петли гистерезиса" даже незначительное ухудшение лесорастительных климатических условий способно вызывать необратимую деградацию лесных формаций.
Сложность выявления антропогенной составляющей в глобальных изменениях природной среды в значительной мере связана с многозначностью реакции разнопорядковых
ландшафтных структур и их элементов на одни и те же фоновые возмущения, что выдвигает на первый план проблему иерархии масштабов этой реакции и ее пространственной интеграции. В основе интеграционной пирамиды лежит структурно-функциональная организация природных комплексов локального уровня. Топогеосистемы представляют собой "... первичный аппарат энергетического и материального обмена в еос-фере" [23, с.5], поэтому сфера геотопов представляет собой наиболее комплексную и активную часть природной среды, ее функциональное ядро [18, 24, 26]. Более того, гео- экосистемы локального уровня характеризуют в каждом регионе не только зонально-региональный фон территории, но и типичное разнообразие местных отклонений от этого фона, которые могут имитировать фоновые характеристики других регионов, нередко весьма отдаленных. Многообразию локальных природно-территориальных структур должно соответствовать и множество их ответных реакций на глобальные изменения, что позволяет существенно раздвинуть рамки данной модельной территории и выйти на обобщения зонально-регионального масштаба.
Таким образом, локальный мониторинг глобальных изменений природной среды представляет собой стратегически наиболее фундаментальный, хотя и достаточно трудоемкий, путь научно-методического обеспечения оценок экологических последствий техногенных воздействий на климат в масштабе экономических и административных регионов. Практическое значение такой постановки проблемы несомненно, поскольку ответные меры по предотвращению возможных негативных последствий глобальных изменений климата должны разрабатываться в первую очередь на региональном и локальном уровнях [6, 8, 16].
В отечественной и зарубежной литературе уже описаны основные глобальные (и отчасти региональные) прогнозные характеристики предстоящих и уже начавшихся антропогенных гидро-климатических изменений: температурных условий и атмосферного увлажнения, испарения, речного стока и
других параметров [9, 10, 21 и др.], - а также структурно-функциональных сдвигов в растительном покрове и природных экосистемах в целом [12, 20, 25 и др.]. Однако эти прогнозные разработки носят весьма схематичный характер и нацелены главным образом на оценку общего будущего состояния биосферы как планетарной системы. Соответственно и масштабы приведенных в них прогнозных карт составляют не более 1:30-40 000 000. Методы регионального, а тем более локального прогнозирования остаются еще слабо разработанными, что связано как с недостатком фактического материала, так и с принципиальными методическими трудностями. Прежде всего, остается неясной сама реакция экологических (климатических) ниш почвен-но-фитоценотического ядра региональных и локальных экосистем на перестройку фоновых атмосферных процессов, что стоит в ряду "всепроникающей неопределенности" [8] феномена глобальных изменений климата. По этой причине прямое "проецирование" общепланетарных геофизических сигналов на уровень локальных экосистем может привести к ошибочным результатам и вряд ли даст нужный эффект. Необходимо установить механизмы локального отклика на глобальные и региональные сигналы, выявив систему передаточных функций в ландшафтных связях, которая служит механизмом трансформации волн внешних воздействий при их прохождении по иерархической лестнице природных комплексов.
Общее направление исследований видится в разработке применительно к зоне переходов от леса к степи прогнозной геэко-логической концепции "Глобальные изменения на локальном уровне" как научно-методической основы биоэкологического и геосистемного мониторинга. Концепция должна содержать в себе обоснование путей и методов установления тех параметров структурно-функциональной организации лесных экосистем юга бореального пояса, которые наиболее чувствительны к глобальным и региональным климатическим изменениям и которые, следовательно, могут быть использованы для получения региональных и локальных биогеографических и ландшафтных прогно-
зов в свете предстоящих антропогенных изменений климата.
Для получения первых рабочих вариантов указанной концепции следует решить по крайней мере три взаимосвязанные задачи. Во-первых, необходимо установить причинные механизмы территориальной организации и функционирования лесных экосистем на бореальном экотоне. Эти механизмы могут рассматриваться как передаточные звенья локального распространения и трансформации глобально-региональных климатических сигналов. Во-вторых, следует выявить пути прохождения и способы преобразования этих сигналов по системе межкомпонентных и межкомплексных ландшафтных связей, с построением соответствующих эмпирических моделей. В-третьих, нужно определить основные параметры структурно-функциональной организации лесных экосистем локального уровня, которые могут быть рекомендованы в качестве объектов глобального мониторинга биосферы.
Ключевым разделом исследований является разработка количественных методов оценки устойчивости лесных экосистем к геофизическим воздействиям по параметрам состояния их почвенно-фитоценотического блока. С этой целью необходимо построить эмпирические модели структуры и функционирования лесных биогеоценозов, находящихся в критических условиях зональных переходов от леса к степи. Затем по функциональным моделям следует оценить замкнутость круговорота первичного органического вещества как фактор устойчивости биосферы на локальном уровне ее организации. Наконец, основываясь на характеристиках устойчивости, предстоит выявить мозаику локальных реакций на глобальные воздействия с помощью прогнозных экспериментов с моделями ландшафтных связей при заданных параметрах ожидаемых изменений глобального климата.
Переход природных экосистем из одного состояния в другое происходит в форме определенных цепных реакций в системе межкомпонентных и межкомплексных лан-шафтных связей. Важнейшими звеньями этих связей служат показатели первичного продук-
ционного процесса и разложения мертвого органического вещества [7, 19]. Чем ниже ранг гео(эко-)системы, тем сложнее структура окружающей ее среды [23], поэтому следует ожидать, что цепные реакции наиболее отчетливо проявляются именно на локальном уровне. Чтобы выявить систему таких реакций, необходимо располагать массовым эмпирическим материалом, который может быть получен лишь в результате крупномасштабных ландшафтно-экологических съемок на специально подобранных для этого модельных полигонах. Методика проведения таких съемок уже достаточно хорошо разработана и апробирована [2, 14].
Полигоны площадью каждый 10-20 кв.км. выбираются в зависимости от того, какие природные комплексы необходимо изучить: естественные относительно ненарушенные или, наоборот, подверженные антропогенной дигрессии, коренные или сукцесси-онные. На каждом полигоне в течение 10-12 дней в середине вегетационного периода производится съем информации не менее чем в 45-50 лесных биогеоценозах (ландшафтных фациях) по 80-100 параметрам их состояния [14]. Это позволяет в дальнейшем проводить статистическую обработку материала на основе представлений о вероятностной природе ландшафтных закономерностей [5]. Топогеосистемы выбираются таким образом, чтобы охватить все звенья ландшафтных сопряжений на данной модельной территории, основные типы леса, а также их доминирующие сукцессионные ряды. Все параметры состояния биогеоценозов группируются в 6 геокомпонентных блоков: гидрогеоморфологический, почвенный морфологический, фитоценотический структурный и фитоценотический функциональный, ландшафтно-геофизический, ландшафтно-геохимический. Там, где природные экосистемы сильно изменены человеком, необходимо выделять отдельно седьмой блок признаков их антропогенной трансформации.
Сущность функционирования каждого биогеоценоза составляют вертикальные вещественно-энергетические потоки [11, 19, 23], которые в данном случае фиксируются дискретными параметрами состояния различ-
ных геокомпонентов: почвенно-грунтового субстрата, грунтовых и почвенных вод, приземной атмосферы, фитоценотической среды. Интегральным показателем функционирования экосистем служит, как известно, малый биологический круговорот, основными звеньями которого являются синтез и разложение растительного вещества. Анализ локальных биотических потоков можно проводить по результатам "работы" отдельных звеньев этого круговорота - различным живым и мертвым фитомассам (скелетной и зеленой, древесной, кустарниковой и травянистой, подстилочной и гумусной массой), которые рассматриваются как функциональные параметры состояния экосистем. Абиотическую группу геопотоков характеризуют: относительные значения суммарной радиации и радиационного баланса под пологом леса, глубина залегания грунтовых вод, температура и влажность почвы, морфологические признаки вертикального почвенного профиля, содержание типоморфных химических элементов в почве и др.
Выявление параметров и движущих сил биологического круговорота должно лечь в основу построения моделей устойчивости экосистем. Решение этой задачи существенно облегчается тем, что к настоящему времени уже достаточно хорошо разработаны теория и методы моделирования ландшафтных связей и доказана эффективность использования моно- и полисистемных моделей в различных отраслях географии и экологии [1, 2,
5, 13, 14, 22, 27 и др.]. Исходя из опыта применения математических методов в ландшафтной экологии, представляется целесообразным построение следующих моделей функционирования, устойчивости и динамики экосистем локального уровня:
• теоретико-информационных моделей, вскрывающих тесноту межкомпонентной сопряженности, каналы цепных реакций на внешние возмущения и систему экологических ниш фитоценозов и почв в пространстве абиотических факторов среды [2, 14, 22];
• теоретико-множественных моделей (класс моделей "размытых" множеств), описывающих с помощью мер сходства-контрастности и включения [1, 13] структуру веще-
ственно-энергетических полей и потоков как носителей латерального распространения "волн" трансформации гео(эко-)систем от того или иного очага воздействия;
• кластерных и других таксономических моделей, характеризующих иерархическую структуру функциональной организации и устойчивости лесных топогеосистем, а также запасы их гомеостатичности в критических условиях их существования [13].
• модели марковских цепей, с помощью которых устанавливаются наиболее вероятные направления и скорости переходов биогеоценозов и их отдельных компонентов из одного состояния в другое при заданных параметрах фонового гидро-климатического воздействия [15].
Все указанные модели используются в конечном итоге для разработки прогнозноэкологических сценариев для сети межкомпонентных и межкомплексных связей. Сценарии должны вскрыть систему преобразований фоновых ландшафтно-геофизических сигналов и передачи их с глобального уровня на региональный и локальный. Сами же возмущающие воздействия могут задаваться по тому или иному варианту глобального климатического прогноза (ретроспективного, теоретико-расчетного и др.), либо в виде параметров прямого нарушения гидрологического режима территории (например, при гидротехническом строительстве).
В первую очередь для каждого прогнозного сценария выполняются численные эксперименты с моделями бинарной ординации геокомпонентных признаков лесных экосистем (структурных и функциональных). Преобразования одних состояний геотопов или их отдельных признаков в другие состояния проводятся путем операций с их экологическими нишами [15, 22]. Прогнозные эксперименты с моделями можно осуществлять, например, по методике ландшафтно-экологического прогнозирования как системе операций с гидротермическими нишами гео (эко-) систем на основе последовательного использования методов теорий информации, дескриптивных множеств и марковских цепей. Прослеживая по каналам связей те или иные сдвиги экологических ниш одного признака
(явления) по градиенту другого (фактора), можно установить систему передаточных функций, осуществляющих распространение внешних вещественно-энергетических сигналов по сети межкомпонентных связей. На основе этого, а также исходя из установленных ранее закономерностей абиотической ординации самих биогеоценозов выявляется мозаика цепных реакций лесных геосистем и их почвенно-растительного блока на глобальные изменения климатической системы или на местные воздействия.
В дальнейшем можно перейти к прогнозным оценкам гидро-климатогенной трансформации самой территориальной мозаики локального геопространства. Здесь рекомендуется использовать скалярные и векторные меры ландшафтной текстуры, представленные, например, в моделях географического соседства и эффекта дальнодействия геосистем, находящихся друг с другом в парагене-тических связях [15]. Эти модели вскрывают закономерности позиционной упорядоченности природных комплексов и позволяют типизировать ландшафтные границы по степени выполнения ими коннекцион-ных или, наоборот, барьерных функций, что важно для оценки "волновой проводимости" различных звеньев катен и сетеобразующих связей между ними.
Наконец, численные эксперименты с текстурными моделями геопространств по заданным вариантам фоновых или местных геофизических возмущений позволят установить наиболее вероятные направления и относительные скорости распространения "волн" этих сигналов по системе катен. При этом, следует ожидать неизбежное многообразие локального отклика различных параге-нетических звеньев катен на одно и то же фоновое гидротермическое воздействие: например, одни биогеоценозы приблизятся к местному ландшафтно-экологическому оптимуму [14], другие, наоборот, будут удаляться от него. Соответственно произойдут изменения запасов гомеостатичности в лесных экосистемах, что для многих из них будет означать переход через критическое состояние, с последующей необратимой деградацией.
Изложенные теоретические и методи-
ческие подходы могут быть использованы, по нашему мнению, в разработке научных проектов по локальному мониторингу глобальных изменений как одного из стратегических направлений реализации МГБП на ближайшую перспективу.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Андреев В.Л. Классификационные построения в экологии и систематике. М.: Наука, 1980.
2. Арманд А.Д. Информационные модели природных комплексов. М.: Наука, 1975.
3. Арманд А.Д., Ведюшкин М.А. Триггерные геосистемы. М.: Ин-т географии АН СССР, 1989.
4. Арманд А.Д., Кайданова О.В. Ландшафтные триггеры // Изв. РАН. Сер. геогр. 1999. № 3.
5. Арманд Д.Л., Преображенский В.С., Арманд А.Д. Природные комплексы и современные методы их изучения // Изв. АН СССР Сер. геогр. 1969. № 5.
6. Арский Ю.М., Данилов-Данильян В.И., За-лиханов М. Ч., Кондратьев К. Я., Котляков В.М., Лосев К.С. Экологические проблемы: что происходит, кто виноват и что делать. М.: МНЭПУ, 1997.
7. Базилевич НИ., Гребенщиков О.С., Тиш-ковА.А. Географические закономерности структуры и функционирования экосистем. М.: Наука, 1986.
8. Бертон И. Глобальное потепление и районы устойчивости // Глобальные изменения и региональные взаимосвязи. М.: Инт географии АН СССР, 1992.
9. Будыко М.И. Климат конца двадцатого века // Метеорология и гидрология. 1988. №10.
10. Будыгко М.И., Борзенкова И.И., Менжулин Г.В., Селяков К.И. Предстоящие изменения регионального климата // Изв. РАН. Сер. геогр. 1992. № 4.
11. Герасимов И.П. Экологические проблемы в прошлой, настоящей и будущей географии Мира. М.: Наука, 1985.
12. Кобак К.И., Кондрашева Н.Ю. Глобальное потепление и природные зоны // Метеорология и гидрология. 1992. № 8.
13. Коломыц Э.Г. Полиморфизм ландшафтнозональных систем. Пущино: Ин-т экологии Волж. бассейна РАН, 1998.
14. Коломыгц Э.Г., Юнина В.П., Сидоренко М.В., Воротников В.П. Экосистемы хвойного леса на зональной границе. Нижний Новгород: Ин-т экологии Волж. бассейна РАН, 1993.
15. Коломыгц Э.Г., Розенберг Г.С., Колкутин В.И. и др. Экология ландшафтов Волжского бассейна в системе глобальных изменений климата (прогнозный Атлас-монография). Нижний Новгород: "ИнтерВолга", 1995.
16. Котляков В.М. География и выживание человечества // Изв. РАН. Сер. геогр. 1992. № 2.
17. Котляков В.М. Наука, общество, окружающая среда. М.: Наука, 1997.
18. Крауклис А.А. Проблемы экспериментального ландшафтоведения. Новосибирск: Наука, 1979.
19. ОдумЮ. Основы экологии. М.: Мир, 1975.
20. Оценки экологических и социально-экономических последствий изменения кли-
мата / Отв. ред. Ю.А. Израэль и др. СПб.: Гидрометеоиздат, 1992.
21. Предстоящие изменения климата. Совместный Советско-Американский отчет о климате и его изменениях / Под ред. М.И. Будыгко и др. Л.: Гидрометеоиздат, 1991.
22. Пузаченко Ю.Г., Скулкин В.С. Структура растительности лесной зоны СССР: Системный анализ. М.: Наука, 1981.
23. Сочава В.Б. Геотопология как раздел учения о геосистемах // Топологические аспекты учения о геосистемах. Новосибирск: Наука, 1974.
24. Сочава В.Б. Ведение в учение о геосистемах. Новосибирск: Наука, 1978.
25. Leemans Rik. Modelling for species and habitats: new opportunities for problem solving // The Science of the Total Environment. 240. 1999.
26. Opp Chr. Eine Diskussion zum Catena-Begriff // Hall. Jb. f. Geowiss. 13d. 8. VEB H. Haack Gotha. 1983.
27.Richling A. Frequency and force of interdepences between components of the geographycal environment // Geographia Polonica. 1976. V.33.
LOCAL MONITORING OF GLOBAL ENVIRONMENTAL CHANGES: PROBLEMS AND OUTLOOKS
© 2000 E.G. Kolomytz, G.S. Rozenberg Institute of Ecology of the Volga River Basin of Russian Academy of Sciences, Togliatti
The ways and methods of development of local bioecological and geosystem monitoring of global environmental changes resulting from the anthropogenic impact on climate are considered as applied to forest ecosystems in the south of the boreal belt. It is proposed to reveal a system of chain reactions in landscape connections at the modeling of scenarios of local response to global climatic changes. The parameters of territorial and functional organization of forest ecosystems are recommended to be used in creation of local and regional landscape-ecological forecasts in the light of future anthropogenic changes in the climate.
