CC BY
261
2012 ВЕСТНИК САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА Сер. 7 Вып. 3
ГЕОГРАФИЯ
УДК 504.54
В. В. Дмитриев, А. Н. Огурцов
ПОДХОДЫ К ИНТЕГРАЛЬНОЙ ОЦЕНКЕ И ГИС-КАРТОГРАФИРОВАНИЮ УСТОЙЧИВОСТИ И ЭКОЛОГИЧЕСКОГО БЛАГОПОЛУЧИЯ ГЕОСИСТЕМ. I. ИНТЕГРАЛЬНАЯ ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ НАЗЕМНЫХ И ВОДНЫХ ГЕОСИСТЕМ
Настоящая публикация является логическим продолжением серии из пяти статей сотрудников НИЛ «Моделирования и диагностики геосистем» факультета географии и геоэкологии СПбГУ под общим названием «Многокритериальная оценка экологического состояния и устойчивости геосистем на основе метода сводных показателей», опубликованных в Вестнике СПбГУ в 1995-1998 гг.
Научный интерес к проблеме оценки устойчивости и изменчивости природных экосистем и геосистем различных уровней иерархии сформировался в конце 1960-х — начале 1970-х гг. С одной стороны, это объяснялось успехами, достигнутыми классической экологией, и бурным развитием математической экологии, с другой стороны, необходимостью получения количественных оценок нагрузок на экосистемы, превышение которых приведет к «экологической катастрофе», т. е. к разрушению экосистемы. Несмотря на сравнительную новизну данной проблемы, она уже успела обрасти изрядным количеством терминов, большей частью заимствованных из техники, математики и общей теории систем.
Между компонентами множества, образующего систему, существуют системообразующие связи и отношения, благодаря которым реализуется специфическое для системы единство. Система обладает общими функциями, интегральными свойствами и характеристиками, которыми не обладают ни составляющие ее элементы (компоненты), взятые по отдельности, ни простая «арифметическая сумма» элементов. Иначе говоря, свойства системы в целом должны быть неаддитивны (эмерджентны) по отношению к свойствам ее элементов и подсистем. В связи с этим, существенным показателем внутренней целостности системы является ее автономность, или относительная самостоятельность поведения и существования. По автономности можно в известной степени судить об уровне и степени относительной организованности и самоорганизованности системы. В современных геоэкологических исследованиях необходимо ставить вопрос об интегральной оценке состояния геосистем, для оценки состояния которых необходимо использовать кроме аддитивных характеристик и неаддитивные (например, автономность, устойчивость, уязвимость, живучесть, целостность, надежность, благополучие и др.). Разработкой этих подходов еще предстоит заниматься в будущих исследованиях.
© В. В. Дмитриев, А. Н. Огурцов, 2012
Стабильность, инертность, инерционность, инвариантность, равновесие, упругость, надежность, долговечность, пластичность, эластичность, саморегуляция, организованность, гомеостазис — вот далеко не полный терминологический аппарат, которым оперируют исследователи, затрагивая проблему устойчивости. Понятие «устойчивости» в экологии и геоэкологии является наиболее полисемантичным. Прежде всего, так называют несколько разных свойств биосистем надорганизменного уровня. Далее, в пределах каждой из этих категорий имеется множество более конкретных ее определений и, соответственно, способов оценки, выражающих собственные представления различных исследователей о ее наиболее приоритетных критериях и способах оценки. В связи с этим в геоэкологической литературе используются термины, обозначающие не только различные, но, часто, одни и те же категории устойчивости: устойчивое равновесие, гомеостаз, способность сохранять гомеостаз, резистентность, упругость, резистентная устойчивость, упругая устойчивость, живучесть, персистентность, самоорганизуемость, устойчивость к воздействию и т. д.; в англоязычной литературе — stability, perseverance, firmness, steadiness, elasticity, resilience, stationary и др. Большинство этих терминов произвольно используется авторами в разных значениях для выражения собственных представлений об устойчивости [1].
Наиболее очевидно различие двух основных значений термина устойчивость: во-первых, устойчивость, как способность системы длительно существовать, сохраняя свои основные свойства, в неизменной среде или в среде, изменения которой не принимаются исследователем во внимание; во-вторых, устойчивость, как способность системы противостоять внешнему воздействию, сохраняя свои свойства.
Чаще всего в экологической литературе термин устойчивость используется в следующих значениях: инертность системы — способность экосистемы сохранять исходное состояние при внешнем воздействии в течение некоторого времени; пластичность системы — способность экосистемы переходить из одного состояния равновесия в другое, сохраняя при этом внутренние связи; восстанавливаемость системы — способность экосистемы возвращаться в исходное состояние после временного внешнего воздействия. Первые два понятия трактуются как адаптационная устойчивость, третье — как регенерационная.
Как отмечает И. Н. Росновский [2], если убрать эмоциональные и словесные «накрутки», то все определения устойчивости природных систем сходятся в одном: устойчивость системы — это ее способность сохранять свои свойства и параметры режимов в условиях действующих внутренних и внешних возмущений. Такое определение совпадает с определением устойчивости в общей теории систем в кибернетике. Оценка уязвимости или устойчивости к изменению свойств геосистемы не сводится к учету только какого-либо одного свойства (фактора). Она получается как результат учета многих факторов, характеризующихся большим набором параметров оценивания, среди которых группы физико-географических факторов, климатических условий и характер антропогенного воздействия являются определяющими.
По И. И. Мазуру и О. И. Молдаванову [3] устойчивость экосистемы — это свойство, внутренне присущее экосистеме, характеризующее способность: выдерживать изменения, создаваемые внешними воздействиями; оказывать сопротивление внешним (техногенным) воздействиям; обнаруживать способность к восстановлению или самовосстановлению экосистемы. В. А. Светлосанов [4] ввел понятия простой, эластичной и упругой стабильности природных экосистем. Эластичной стабильностью он назы-
вает способность экосистемы вернуться в положение равновесия после кратковременного (не очень большого по амплитуде) возмущения, если период между возмущениями меньше времени релаксации системы. Чем меньше время возвращения системы после возмущения в устойчивое положение равновесия, тем она эластичнее. В том случае, когда имеется лишь одно положение равновесия, в зависимости от того, насколько оно устойчиво к возмущениям, можно говорить о простой стабильности или нестабильности природных систем. Некоторые определения, связанные с устойчивостью водных экосистем обобщены нами в таблице и серии наших публикаций [5-9].
Как мы уже отмечали [5-9], теоретические и методические разработки по устойчивости геосистем охватывают два комплекса вопросов. Первый заключается в познании устойчивости и изменчивости геосистем как фундаментального свойства объектов ре-
Основные понятия, связанные с устойчивостью водных систем
Понятие Определение понятия
1. Устойчивость экосистемы к воздействию Способность экосистемы сохранять квазипостоянными свои свойства и параметры режимов в условиях действующих внутренних и внешних возмущений.
2. Уязвимость экосистемы Утрата экосистемой (отсутствие у экосистемы) способности сохранять квазипостоянными свои свойства и параметры режимов в условиях действующих внутренних и внешних возмущений.
3. Изменчивость экосистемы Свойство экосистемы менять характеристики своего функционирования вследствие изменений собственных параметров или при внешних возмущениях.
4. Чувствительность экосистемы Способность экосистемы реагировать на незначительные по величине воздействия.
5. Период релаксации Время, необходимое для приведения экосистемы в равновесное состояние из неравновесного после действия внутреннего или внешнего возмущающего фактора.
6. Пределы устойчивости (верхний и нижний) Количество возмущающего фактора в единицах его измерения, которое приводит экосистему к необратимым изменениям. Применительно к такому фактору как температура Б. Небел (1993) ввел понятие диапазона устойчивости (интервал температур от минимальной до максимальной, при которых еще возможен рост организма). Точки, ограничивающие интервал, он называет пределами устойчивости. Между зоной оптимума и пределами устойчивости, по его мнению, расположена стрессовая зона в рамках диапазона устойчивости по данному фактору.
7. Инертность Способность экосистемы сохранять исходное состояние при внешнем воздействии в течение некоторого времени.
8. Пластичность Способность экосистемы накапливать результаты внешних воздействий, до определенного предела не изменяя при этом кардинально своих свойств и режима.
9. Восстанавливаемость Способность экосистемы возвращаться в исходное состояние после временного внешнего воздействия на нее.
10. Упругость Свойство экосистемы полностью возвращаться в исходное состояние после прекращения внешнего воздействия.
11. Буферность или буферная емкость Способность экосистемы сохранять присущее ей состояние и в определенной мере нейтрализовывать направленные на нее внешние воздействия.
ального мира. Здесь исследуются основные понятия устойчивости геосистем и связанные с ней представления об инварианте системы. Инвариантными называют свойства геосистемы, которые сохраняются неизменными при преобразовании той или иной категории геосистем. Если в результате внешнего воздействия инвариант сохранен, то можно говорить о возвращении геосистемы по прошествии некоторого времени в первоначальное состояние. Если изменения привели к смене инварианта, то восстановление геосистемы маловероятно. В разных ситуациях инвариантными могут быть: состояние системы, структура, способ функционирования, траектория саморазвития. Выбор инварианта зависит от свойств системы и от задач исследования. При таком подходе устойчивой считают систему, которая любым способом сохраняет инвариант в течение времени, значительного по отношению ко времени смены инварианта (переходного процесса), и механизмы устойчивости разделяют на четыре группы: сохраняющие (стабилизирующие) состояние системы, сохраняющие тип функционирования, сохраняющие структуру, сохраняющие направленность (траекторию) движения системы.
Второй комплекс вопросов охватывает исследование устойчивости геосистем разного ранга к антропогенным воздействиям разнообразного характера. Здесь разрабатываются подходы к определению запаса устойчивости экосистем, выяснению критериев и методов оценки устойчивости природных и природно-антропогенных ландшафтов к нагрузкам от различных видов промышленного производства и сельского хозяйства. Обсуждению параметров устойчивости географических и эколого-экономических систем посвящена монография А. А. Боброва [10]. Автор вводит понятие «морфологического куба параметров устойчивости», характеризующего 196 вариантов взаимосвязи элементов устойчивости. Современные ландшафты при этом рассматриваются как системы, сочетающие характерную для природы самоорганизацию и управление, присущие социальным процессам.
Как отмечает А. Д. Арманд [11], в процессе отбора наиболее жизнеспособными оказываются два крайних типа систем: с преобладанием сильных внутренних взаимодействий (сильные системы) и слабых внутренних связей (слабые системы). Отличительной чертой первых можно считать четкое разделение функций внутри целого, вторых — сходство свойств и функций, выполняемых в системе ее составными частями. Системы с сильным типом взаимодействия элементов легко и в широких пределах меняют состояния своих подсистем и характер их функционирования. Это позволяет им нейтрализовать изменения внешних условий и сохранить от разрушения структуру [12]. Системы со слабыми взаимодействиями реагируют на внешние перемены структурными перестройками. Такие системы отображаются при районировании территории в виде «однородных» районов (места обитания животных одного вида, совокупность водосборных бассейнов первого порядка и т. д.). Важной особенностью этих подсистем является их качественная однородность, не позволяющая им взаимодействовать по принципу дополнения.
Для условно-равновесных природных систем, в том числе и экологических, справедлив принцип Ле-Шателье—Брауна: при внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, оно смещается в том направлении, в котором эффект внешнего воздействия ослабляется. Следствием из этого принципа является положение, при котором при прочих неизменных условиях более продуктивная экосистема может оказаться более устойчивой к «злокачественному увеличению продуктивности», а более сапробная (токсобная, сапротоксобная) экосистема будет более устойчива к снижению
качества воды [6]. В этом смысле устойчивая экосистема не должна ассоциироваться с экологическим благополучием, необходим анализ факторов, определяющих причину ее высокой устойчивости. К сожалению, в современной литературе «устойчивая геосистема» чаще всего понимается только, как геосистема, способная восстанавливать свои свойства после их временной утраты, способная быстро самоочищаться.
В настоящее время многими исследователями признается, что более сложные, более разнообразные экосистемы являются и более устойчивыми. Так, в случае озерной экосистемы последовательность ее развития направлена на усложнение организации и усовершенствование метаболической эффективности, что обусловливает ее высокие защитные свойства [13, 14]. Но и здесь часто авторы забывают о том, что «усложнение организации» происходит только до определенного предела (в водоемах этот предел соответствует олиго-мезотрофным и олиго-мезосапробным условиям, после которых начинается антропогенная сукцессия видов и упрощение системы).
Необходимо подчеркнуть, что наблюдаемая неизменность во времени свойств какой-либо экосистемы отнюдь не свидетельствует о ее устойчивости и, наоборот, экосистема с ярко выраженными колебаниями характеристик может быть устойчива к определенным внешним воздействиям. В связи с этим один и тот же параметр (годовая амплитуда колебания уровня воды в водоеме, водотоке) может свидетельствовать о повышенной устойчивости геосистемы (водоема), если значения параметра не велики и оценивается адаптационная устойчивость. В другом случае, при оценке регене-рационной устойчивости тот же параметр свидетельствует о высокой устойчивости геосистемы (водотока) в случае выраженного значительного его колебания.
Известно, что в природных экосистемах характеристики различных сообществ регулируются и удерживаются в некоторых константных диапазонах постоянными соотношениями притока доступной энергии и элиминации. Если изменить это соотношение, соответственно изменятся и свойства экосистемы, однако, пока их баланс сохраняется, можно говорить об устойчивости системы во времени. Человек постоянным воздействием на биосистемы часто стабилизирует их, примерами таких систем могут служить агроценозы, удобряемые озера, объекты аквакультуры. В связи с этим А. Ф. Алимов предлагал вообще не разделять биосистемы на «стабильные» и «нестабильные» [цит. по 6].
Экосистемы, в которых наблюдаются существенные периодические колебания характеристик, например экосистемы водоемов с поймами, обладают значительной устойчивостью благодаря импульсной стабилизации. Вообще, любым экосистемам умеренной и полярной зон в отличие от экваториальных экосистем свойственна значительная внутригодовая динамика характеристик, при этом в климаксной экосистеме их внутригодовой ход повторяется каждый год практически без изменений. Как отмечает И. С. Печуркин [15], малые колебания поддерживают систему и оберегают ее от больших катастроф. Пространственно-временные периодические флуктуации компонентов могут резко повысить глобальную устойчивость системы.
Если число видов в сообществе остается постоянным, т. е. ни один вид не вымирает, то в этом случае применительно к экосистеме говорят об устойчивости по Ла-гранжу. Самым жестким является требование глобальной устойчивости экосистемы, или устойчивости по Ляпунову. В этом случае должно существовать некоторое равновесное положение экосистемы в многомерном пространстве ее характеристик, причем из окрестностей точки равновесия экосистема никогда не должна выходить, несмотря
на внешние возмущения. Естественно, что система, устойчивая по Ляпунову, тем более устойчива по Лагранжу.
При обсуждении способности экосистем сохранять основные свойства в условиях воздействия также выделяются понятия: «резистентная устойчивость к воздействию (резистентность)» и «упругая устойчивость к воздействию (упругость)» по Холлингу. C 1973 г., когда К. С. Холлинг высказал предположение, что природные экосистемы обладают двумя свойствами: стабильностью (stability) и упругостью (resilience), термин «stability» на русский язык переводился и как устойчивость и как стабильность. Под упругостью природных систем К. С. Холлинг понимал способность переходить под действием возмущений из одного устойчивого положения в другое, сохраняя при этом внутренние взаимосвязи. Под стабильностью понималась способность природной экосистемы возвращаться в прежнее состояние устойчивого равновесия после временного воздействия на нее. Чем быстрее возвращение и чем меньше флуктуаций, т. е. отклонений от среднего значения, тем более стабильна по Холлингу система. Автор отмечает, что чем однороднее окружающая среда, т. е. чем больше ее энтропия, тем более вероятно, что природная экосистема имеет слабую флуктуацию, низкую упругость и высокую стабильность (цит. по [1]).
По определению Ю. Одума [16] эти свойства соответствуют способности сопротивляться нарушениям, поддерживая неизменной свои структуру и функции, и способности восстанавливаться после того, как структура и функции были нарушены. Подчеркивается, что эти два свойства экосистем принципиально различны, но иногда устойчивость системы трактуется именно как обобщенная характеристика обоих этих качеств, т. е. как способность сохранять непременно и резистентность, и упругость. Но, возможно, нет необходимости ни противопоставлять резистентность упругости, ни вводить какой-либо единый двухпараметрический критерий устойчивости с учетом обеих ее форм. Ясно, что по мере увеличения воздействия на экосистему по достижении порога реакции в ней происходят сначала обратимые изменения (потеря резистентности), и лишь потом, при более сильном воздействии, необратимые (потеря упругости). Следовательно, сохранение резистентной устойчивости уже предполагает сохранение упругости, а потеря упругости означает, что предварительно уже была потеряна резистентность [цит. по 1].
Ю. М. Свирежев и Д. О. Логофет [17] выделяют устойчивость глобального биогеохимического цикла, числа видов в сообществе, численности видов в сообществе. Видовая структура водной экосистемы фактически не обладает сопротивляемостью, т. е. реагирует на любые воздействия. Однако видовая структура упруга: при возвращении характеристик среды к первоначальным, видовая структура также возвращается к первоначальному состоянию, разумеется, если не произошло полного уничтожения ни одного вида. Структура трофической сети, как правило, отличается малой сопротивляемостью и высокой упругостью. Гораздо более высокой сопротивляемостью обладает структура биогеохимического круговорота веществ и особенно высока ее упругость. Последнее определение близко к термодинамическому понятию стабильности, по которому система считается стабильной, если малы вероятности больших флуктуаций.
На сегодняшний день выявлено многообразие взглядов и подходов к оценке устойчивости наземных и водных геосистем и их свойств (иногда пишут «качеств»); отсутствие подходов, позволяющих на интегральной основе количественно оценивать неаддитивные (эмерджентные) свойства геосистем с учетом влияния факторов
естественного и антропогенного режимов на их развитие. Разработаны различные подходы и методы, базирующиеся на индикаторном подходе и индексах состояния, устойчивости, благополучия, а также модели-классификации, подавляющее большинство которых построено на балльно-индексном подходе [5-9]. Выявлено отсутствие подходов, позволяющих на интегральной основе количественно оценивать неаддитивные свойства сложных систем в природе и обществе с учетом влияния факторов естественного и антропогенного режимов.
Выделяется ряд публикаций, в которых авторы пытаются оценить степень устойчивости «параметров водных экосистем» [18] на основе покомпонентного оценивания элементов режимов данной экосистемы (по «абсолютной величине изменчивости параметра», по «относительной величине изменчивости параметра», по «относительному размаху изменчивости величины параметра» и т. п.), забывая о высокой эмерджент-ности экосистемы и ее неаддитивных свойств.
К этим публикациям близки идеи покомпонентного оценивания состава и свойств геосистем на основе построения «синтетических карт устойчивости или уязвимости». При этом полученный «путем интегрирования нормированных данных» вектор состояния системы, авторы отождествляют с устойчивостью (уязвимостью) геосистем к воздействию. Так, в основе оценки уязвимости по М. А. Новикову [19] под уязвимостью экосистемы понимается степень ее зависимости от внешних воздействий, которые могут привести к нарушению ее структуры и функционирования, т. е. к потере стабильности (пусть даже временной). Степень уязвимости различных акваторий по автору должна определять возможные потери биомассы гидробионтов и продуктивности биоценозов в случае загрязнения или отчуждения тех или иных акваторий при промышленной эксплуатации шельфа (разработка полезных ископаемых и т. п.). Синтетическая оценка уязвимости в этом подходе рассчитывается авторами «путем интегрирования нормированных данных всех цифровых тематических карт района, с учетом "весовых" характеристик последних». В работе отсутствует понимание необходимости введения многопараметрической модели интегральной классификации устойчивости. В принципе такой подход правомерен при условии, что автор обоснует и реализует переход от «интегрального показателя состояния системы» к «интегральному показателю ее устойчивости».
Развивается «индексология устойчивости» или индикаторный подход к оценке устойчивости. Поскольку построить на интегральной основе вектор состояния системы в целом по достаточно большому перечню критериев непросто, также как непросто перейти от интегрального показателя состояния к интегральному показателю устойчивости, многие авторы рекомендуют для оценки состояния сложных систем, их неаддитивных (эмерджентных) свойств использование индикаторов или индексов состояния и развития систем с учетом специфики сложных систем и окружающей человека среды. Чаще всего здесь говорят об индексах или индикаторах устойчивого (сбалансированного) развития иерархически соподчиненных систем (региональных, национальных, глобальных). При этом ряд авторов под индексом понимают математическую функцию, основанную на двух и более переменных, а под индикатором — функцию одной переменной. В других вариантах индикатор — это вектор состояния экосистемы, а индекс — количественное сравнение вектора с неким стандартом.
Нам представляется возможным за термином «индекс» оставить расширенное толкование: индекс — это результат свертывания информации о сложной системе, про-
цедура которого может осуществляться различными путями и приводит к различным видам индексов. Классификация индексов окружающей среды представлена и обсуждается нами в [20].
В наших публикациях обобщены и «индексы устойчивости» [5-9, 21]. К сожалению, развитие данного подхода часто сопровождается слепым копированием каких-либо одного-двух индексов и попыткой свести оценку устойчивости геосистемы к анализу изменения этих индексов. Так в одной из работ предлагается вводить универсальный (по автору — интегральный) индекс, характеризующий состояние и устойчивость экосистемы, в качестве которого предлагается индекс Шеннона, на том основании, что «наиболее сложные системы являются и наиболее устойчивыми». При этом устойчивость к определенному типу воздействия на экосистему сводится к оценке видового разнообразия в системе. Такой подход не учитывает совокупности большого числа физико-географических, климатических, гидрологических, гео- и гидрохимических, продукционных и других характеристик и факторов, определяющих в итоге устойчивость различных наземных и водных геосистем к определенному типу воздействия или сочетание изменений естественного и антропогенного режимов функционирования геосистемы. Увлечение индексологией в оценке устойчивости, как уже отмечалось, приводит авторов к простому и наиболее часто встречающемуся выводу о том, что наиболее сложные системы являются и наиболее устойчивыми. Анализ видового разнообразия в водных экосистемах, выполненный нами в ряде работ (см., например, [21-22]), показал, что олиго-мезотрофные и олиго-мезосапробные экосистемы являются наиболее благополучными водными экосистемами, но они же, как правило, достаточно уязвимы для внешнего воздействия и изменения свойств и параметров режимов.
Наличие терминологических несоответствий некоторых понятий, связанных с устойчивостью и благополучием геосистем, также создает определенные трудности в разработке подходов к интегральной оценке эмерджентных свойств геосистем. Например, в основе методологических построений уязвимости В. Б. Погребова и А. Ю. Пу-заченко [24, 25] оценка экологической уязвимости организмов определяется как совокупность особенностей видов или групп растений и животных, которые зависят от их чувствительности к видам воздействия и способности восстанавливать исходное обилие и структуру популяций по окончании воздействия. При этом полагается, что экологическая уязвимость в целом определяется наличием групп организмов с различной уязвимостью и обилием. Схожая точка зрения встречается в работах по газоустойчивости наземных растений к загрязнению воздуха. В данных подходах, на наш взгляд, отсутствует важное дополнение, требующее обсуждения. Дело в том, что чувствительность и устойчивость (уязвимость) разные по природе понятия. Первое определяет способность системы реагировать на малые по величине воздействия, второе — способность сохранять (или утрачивать) свои свойства и параметры режимов системы в результате воздействия. При этом важными составляющими оценочных исследований являются как тип (типы) воздействия, так и реакция системы на эти воздействия, обусловливающая изменение эмерджентных свойств системы.
Следуя данной логике необходимо показать, что наиболее чувствительные к воздействию ландшафты являются и наиболее уязвимыми (наименее устойчивыми). Такое доказательство либо отсутствует в работах, либо принимается априорно, но чаще вообще не оговаривается. Например, авторами выявлены районы моря, «наиболее уязвимые» к аварийным разливам нефти. Ими оказались мелководья, прилегающие
к материку, островам и подводным поднятиям (банкам), приустьевые взморья, вершины губ и заливов. Еще одним недостатком данного подхода является то, что в нем оценивается устойчивость биосистем (групп индикаторных организмов, чувствительных к воздействию определенного типа, например нефтяному загрязнению). Такая оценка выдается за оценку устойчивости экосистем, геосистем, ландшафтов в целом. При этом не принимается во внимание, что некоторые биологические «мишени» в большей или меньшей степени наделены способностью уходить из загрязненной среды (таксис) и тем самым восстанавливать свои параметры режимов в новых экотопах, в то время как покинутая ими эко-, геосистема меняет свои свойства и параметры режимов.
Еще одно направление оценочных исследований связано с тем, что в работах по оценке устойчивости почвенного покрова к нефтяному загрязнению авторы оценивают устойчивость ландшафтов по «способности территорий к самоочищению от загрязнения», т. е., по сути, по величине (скорости) биохимической деградации и разложению углеводородов под действием природных факторов [26]. В настоящее время по полученным критериям разработана и применяется методология районирования крупных территорий по потенциальной способности земель, загрязненных углеводородами, к самоочищению. В существующих законах РФ понятие «почва» не отделено от понятия «земля» и не рассматривается как отдельный объект. В некоторых документах почвы косвенно определены как «природная функция» земли, причем понятие «земля» в них понимается намного шире, чем понятие «почва». В соответствии с ГОСТ 26640-85, земля — это важнейшая часть окружающей природной среды, характеризующаяся пространством, рельефом, климатом, почвенным покровом, растительностью, недрами, водами, являющаяся главным средством производства в сельском и лесном хозяйстве, а также пространственным базисом для размещения предприятий и организаций всех отраслей народного хозяйства.
Для системного моделирования предпочтительнее термины агроэкосистема или региональная агроландшафтная система. Тогда под землями (земельными ресурсами) можно понимать ландшафтные системы земледелия, региональные агроландшафтные системы, агроландшафты, агроэкосистемы. В любом случае, имеет смысл говорить об объектах этих исследований как о сложных антропогенно-трансформированных агро-экосистемах. Тогда об «изменении состояния земель», «оценке изменения состояния земель» и их устойчивости логично говорить, используя термины состояния и фазы функционирования агроэкосистем, если речь идет об их изменении во времени с сохранением качественной определенности, если же характеристика системы связана с ее переходом в новое качество, то логично использовать термин смена этапов развития. На примере России и ее областей [27] проведены картографический анализ и оценка почв, позволившие выделить почвенно-экологические ареалы с разной потенциальной способностью почв к самоочищению от углеводородов.
В связи с активным освоением нефте- и газоносных районов арктической зоны России на первый план выходят исследования по устойчивости ландшафтов к нефтяному загрязнению. Основными факторами, определяющими устойчивость ландшафтов к загрязнению (геохимическая устойчивость), в том числе углеводородами нефти, согласно М. А. Глазовской [26] являются: интенсивность метаболизма нефтепродуктов, возможность и интенсивность закрепления в ландшафтах углеводородов, вынос и рассеяние углеводородов.
Следует отметить, что современный опыт экологического сопровождения проектирования в России и за рубежом не нацелен на оценку неаддитивных (эмерджентных)
свойств эко- и геосистем и изменений этих свойств при внешнем воздействии на геосистемы. Модели и опыт интегральной оценки эмерджентных свойств (устойчивости, экологической напряженности, экологического благополучия) рассматриваются нами в серии публикаций последних лет [28-32]. Методы и модели апробированы для наземных и водных геосистем севера и северо-запада РФ.
С середины 1990-х гг., когда нами были начаты исследования по разработке методического подхода к интегральной оценке неаддитивных свойств геосистем, накоплен как тео-ретиче-ский так и практический опыт построения оценочных моделей и их апробации на геосистемах различного уровня и организации. Неотъемлемой частью исследований эмерджентности геосистем является использование ГИС-технологии и построение картографических моделей, причем картографический материал является не только эффективным источником информации в процессе работы, но и основным итоговым документом, отражающим результаты исследований. На базе ГИС-технологии с использованием интегральных оценок разработаны макеты синтетических карт оценочного зонирования [33-36]. Теоретической основой построения интегральных оценок служит перспективная методология анализа и синтеза показателей при информационном дефиците (АСПИД) [37], основные принципы которой реализованы в виде метода рандомизированных сводных показателей.
В последнее время на Западе получают развитие методические исследования по многокритериальной оценке, построенные на принципах АСПИД-методологии, что обусловлено кризисными явлениями в экономике и социальной сфере. Основной акцент в этих работах сделан на решение проблемы устойчивого развития (sustainable development). Повышенное внимание в этих работах уделяется таким задачам, как энергоэффективность и устойчивость энергетических систем на уровне: компания — город — регион [38-44]. В частности, M. Йованович и др. [38] используют АСПИД-метод для многоуровневой оценки устойчивости сложной энергетической системы города.
В ряде работ отмечается важность разработки методического подхода к интегральной оценке не только в условиях экономического кризиса, но и в случае масштабных экономических реформ, что особенно важно для реалий Российской Федерации, оценки качества жизни ее регионов и разработки региональной политики России. В Оксфордском университете Великобритании проведено аналитическое исследование развития России за период 1984-2008 гг., в котором затронуты вопросы экономики, инфраструктуры, качества окружающей среды и благосостояния людей [45]. Автор этих исследований С. Э. Шмелев, на базе АСПИД-метода проводит анализ экономических, экологических и социальных тенденций в развитии России в 1985-2008 гг. и оценивает устойчивость этого развития с точки зрения интегральных критериев (для оценки используются индикаторы устойчивого развития ООН, отражающие экономические, экологические и социальные аспекты жизнедеятельности населения). Результаты исследования выявили существенное влияние экономических и социальных изменений на местные и региональные темпы развития. По результатам исследования также отмечены аналитические возможности метода для оценки устойчивости на макроуровне, раскрывающие суть многомерной природы устойчивости и роли приоритетов оценивания в технологии оценивания. Автор считает, что метод как инструмент полезен при анализе устойчивости, оценке развития и выработке приоритетов и стратегии новой политики.
К основным аналитическим особенностям метода можно отнести:
• возможность интеграции разнородных геоэкологических характеристик и получение синтетических картографических моделей территории с использованием специальным образом организованных алгоритмов синтеза и анализа информации и элементов нечеткой логики. В первом случае используется нечисловая, неточная и неполная информация о значимости характеристик, представленная в виде системы равенств и неравенств. Во втором случае используется аналогичная информация только о самих объектах оценивания. В случае, когда исходная информация носит смешанный характер, то имеется возможность представления ее в виде систем равенств и неравенств, указанных выше двух случаев (синтез + анализ);
• возможность построения многокритериальных классификаций в условиях дефицита информации о надежности используемых источников данных;
• возможность построения оценочных сценариев за счет использования различных комбинаций нечисловой, неточной и неполной информации, отражающих различные источники данных. Это позволяет создавать картографические сценарии и оценивать различные варианты управления территорией;
• возможность геоэкологического ранжирования территории с выявлением инвариантных геосистем, экологический портрет которых не изменяется в различных информационных ситуациях;
• возможность организации иерархической системы оценивания и картографирования сложных многоуровневых геосистем при наличии неопределенности на каждом уровне иерархии. При этом разнокачественная и разнообразная информация сводится в единую систему оценки с высокой степенью генерализации на каждом уровне. В качестве объектов оценки могут выступать различные по пространственным масштабам и географическим условиям геосистемы: от локального уровня до мезорегионального и макрорегионального.
Настоящее исследование выполняется при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 11-05-00909-а).
Литература
1. Шуйский В. Ф. Закономерности лимитирования пресноводного макрозообентоса экологическими факторами: автореф. дисс. ... докт. биол. наук. СПб., 1997. 50 с.
2. Росновский И. Н. Устойчивость почвы: техногенно-механические аспекты. Новосибирск: Наука, 1993. 170 с.
3. Мазур И. И., Молдаванов О. И., Шишов В. Н. Инженерная экология. Общий курс в двух томах. М.: Высшая школа, 1996.
4. Светлосанов В. А. Устойчивость и стабильность природных экосистем // Итоги науки и техники. Серия «Теоретические и общие вопросы географии». М.: Высшая школа, 1990. Т. 8. С. 56-74.
5. Оценка устойчивости и чувствительности природных экосистем к антропогенному воздействию / В. В. Дмитриев, В. Ю. Третьяков, В. П. Кулеш, В. Ю. Васильев, А. Н. Огурцов, А. В. Бойцов // Вестн. С.-Петерб. ун-та. Сер.: Геология и география. 1995. Вып. 2. №14. С. 49-57.
6. Дмитриев В. В. Методика диагностики состояния и устойчивости водных экосистем // Эколого-географический анализ состояния природной среды: проблема устойчивости геоэкосистем. СПб.: Изд-во РГО, 1995. С. 41-67.
7. Оценка устойчивости и чувствительности водных экосистем к антропогенному эв-трофированию / В. В. Дмитриев, В. Ю. Третьяков, В. П. Кулеш, А. Н. Огурцов, В. Ю. Васильев,
А. В. Бойцов // Известия Русского географического общества. СПб.: Изд. РГО, 1995. Т. 127. Вып. 2. С. 16-26.
8. Многокритериальные географо-экологические оценки состояния и устойчивости природных и урбанизированных систем / Л. В. Александрова, В. Ю. Васильев, В. В. Дмитриев, Н. В. Мя-кишева, А. Н. Огурцов, Н. В. Третьяков, Н. В. Хованов // под ред. В. В. Дмитриева, Н. В. Хованова. Деп. ВИНИТИ 01.09.2000, № деп.2342В00. 275 с.
9. Дмитриев В. В. Устойчивость природных объектов к изменению параметров естественного и антропогенного режимов // Дмитриев В. В., Фрумин Г. Т. Экологическое нормирование и устойчивость природных систем: учебное пособие. СПб.: Изд. Наука, 2004. С. 241-278.
10. Бобров А. А. Эколого-экономическая устойчивость регионов России. М.: Наука, 1999. 93 с.
11. Арманд А. Д. Механизмы устойчивости геосистем // Факторы и механизмы устойчивости геосистем. М., 1989. С. 33-46.
12. Федоров В. Д. Устойчивость экологических систем и ее измерение // Изв. АН СССР. Сер. биол. 1974. № 3. С. 115-129.
13. Драбкова В. Г., Прыткова М.Я., Якушко О. Ф. Восстановление экосистем малых озер. СПб.: Наука, 1994. 143 с.
14. Шилин М. Б. Геоэкологический мониторинг прибрежных природно-технических систем: автореф. дисс. ... докт. геогр. наук. СПб., 2006. 36 с.
15. Печуркин И. С. Развитие и эволюция видов и звеньев системы и устойчивость круговорота веществ в замкнутых экосистемах (ЗЭС): Препринт № 1056 Николай Савельевич Печуркин; АН СССР, Сиб. отделение, ин-т физики им. А. В. Киренского. Красноярск, 1989. 25 с.
16. Одум Ю. Основы экологии / пер. с 3-го англ. изд., под ред. Н. П. Наумова. М., 1975. 740 с.
17. Свирежев Ю. М., Логофет Д. О. Устойчивость биологических сообществ. М.: Наука, 1978. 190 с.
18. Кудерский Л. А. Естественные и техногенные водные экосистемы: проблемы их устойчивости // Региональная экология. 1996. №3-4. С. 31-36.
19. Новиков М.А. Эколого-рыбохозяйственный Атлас Баренцева моря [Электронный ресурс]. Изд. ПИНРО, 2003.
20. Дмитриев В. В. Определение интегрального показателя состояния природного объекта как сложной системы // Научно-теоретический журнал «Общество. Среда. Развитие». 2009. №4 (12). С. 146-165.
21. Алексеев Д. К., Гальцова В. В., Дмитриев В. В. Экологический мониторинг: современное состояние, подходы и методы. Часть I: учебное пособие. СПб.: Изд. РГГМУ, 2011. 302 с.
22. Эколого-географическая оценка состояния природной среды / под ред. П. П. Арапова, Ю. П. Селиверстова. СПб.: Изд-во СПбГУ, 1994. 96 с.
23. Зуева Н. В., Гальцова В. В., Дмитриев В. В., Степанова А. Б. Использование структурных характеристик сообществ макрофитов как индикатора экологического состояния малых рек Ленинградской области // Вестн. С.-Петерб. ун-та. Сер. 7. 2007. Вып. 4. С. 60-71.
24. Погребов В. Б., Пузаченко А. Ю. Интегральная чувствительность морских экосистем к нефтяному загрязнению // Материалы V научного семинара «Чтения памяти К. М. Дерюгина». СПб., 2003. С. 5-22.
25. Пузаченко Ю. Г. Проблемы устойчивости и нормирования // Структурно-функциональная организация и устойчивость биологических систем. Днепропетровск: Изд-во ДГУ, 1990. С. 122-147.
26. Глазовская М. А. Ландшафтно-геохимические системы и их устойчивость к техногенезу // Биогеохимические циклы в биосфере. М., 1976. 356 с.
27. Технологии восстановления почв, загрязненных нефтью и нефтепродуктами / А. Лодоло, Н. Ю. Гречищева, С. В. Мещеряков, Н. Г. Рыбальский, В. В. Снакин, А. Р. Барсов, В. А. Кулындышев // Справочник. М.: РЭФИА, НИА-Природа, 2003. 258 с.
28. Дмитриев В. В. Интегральные оценки состояния сложных систем в природе и обществе, междисциплинарный // Научный и прикладной журнал «Биосфера». 2010. Т. 2, № 3. С. 533-546.
29. Примак Е. А., Дмитриев В. В. Оценка уязвимости водоемов Европейского Севера к изменению параметров режимов // Экологические и гидрометеорологические проблемы больших городов и промышленных зон. Материалы Международной конференции. 25-27 октября 2006 г. СПб.: Изд. РГГМУ, 2006. С. 107-108.
30. Примак Е. А., Дмитриев В. В. Разработка интегральных индексов для оценки устойчивости водоемов к изменению параметров естественного и антропогенного режимов // Географические и геоэкологические аспекты развития природы и общества. Сборник научных статей по материалам отчетных научно-практических конференций 2006-2007 гг. / под ред. Н. В. Каледина, В. В. Дмитриева, Т. А. Алиева, СПб.: Наука, 2008. С. 234-241.
31. Примак Е. А., Дмитриев В. В. Интегральная оценка уязвимости и экологического благополучия водных объектов // Окружающая среда и устойчивое развитие регионов: новые методы и технологии исследований: Труды Всероссийской научной конференции с международным участием. Т. 1: 19-22 мая 2009 г. / под ред. проф. О. П. Ермолаева и проф. В. В. Сироткина Казань: Изд-во «Бриг», 2009. С. 63-67.
32. Дмитриев В. В., Жиров А. И., Ласточкин А. Н. Прикладная экология: учебник для студентов высш. учеб. заведений. М.: Издательский центр «Академия», 2008. 608 с.
33. Дмитриев В. В., Огурцов А. Н., Афонин А. Н., Машкин Ю. Л. Оценка устойчивости растительного покрова в зоне активного техногенного воздействия с использованием ГИС-технологий // ИнтерКарто — ИнтерГИС 10: устойчивое развитие территорий: геоинформационное обеспечение и практический опыт. Материалы Международной конференции Владивосток—Чанчунь (КНР), 12-19 июля 2004 г. Владивосток, 2004. С. 165-170.
34. Дмитриев В. В., Огурцов А. Н., Васильев В. Ю. Использование геоинформационных технологий при экологическом зонировании городской территории // ИнтерКарто — ИнтерГИС 11: устойчивое развитие территорий: теория ГИС и практический опыт. Материалы Международной конференции Ставрополь—Домбай—Будапешт, 25 сентября — 3 октября 2005 г. Ставрополь: Изд-во СГУ, 2005. С. 308-312.
35. Огурцов А. Н., Разживин В. Ю., Пигольцина Г. Б., Хованов Н. В. Геоинформационный анализ и синтез показателей устойчивости почвенного покрова к загрязнению нефтяными углеводородами при информационном дефиците // ИнтерКарто — ИнтерГИС 13: устойчивое развитие территорий: теория ГИС и практический опыт. Материалы Международной конференции Хан-ты-Мансийск—Йеллоунайф, 12-24 августа 2007 г. Ханты-Мансийск: Изд-во Полиграфист, 2007. Т. 1. С. 189-196.
36. Геоинформационный анализ и зонирование акватории Баренцева моря по степени экологического благополучия на участке проектирования нефтеналивного терминала в районе мыса Святой Нос (восточный) / В. Ю. Васильев, В. В. Дмитриев, А. И. Жиров, А. Н. Огурцов, В. М. Зеленков, И. В. Мискевич, Ю. Л. Машкин // ИнтерКарто — ИнтерГИС 15: устойчивое развитие территорий: теория ГИС и практический опыт. Материалы Международной конференции Пермь—Гент, 25 июня — 5 июля 2009. Пермь: ПГУ, 2009. Т. 2. С. 303-310.
37. Хованов Н. В. Анализ и синтез показателей при информационном дефиците. СПб.: Изд-во СПбГУ, 1996. 196 с.
38. Jovanovic M., Afgan N., Bakic V. An analytical method for the measurement of energy system sustainability in urban areas // Energy. Elsevier 2010. N 35. P. 3909-3920.
39. Todorovica M. S., Kimb J. T. Buildings energy sustainability and health research via interdiscipli-narity and harmony // Energy and Buildings. 2012. N 47. P. 12-18.
40. Afgan N. H., Carvalho M. G., HovanovN. V. Energy system assessment with sustainability indicators // Energy Policy. 2000. N 28. P. 603-612.
41. Afgan N. H., Carvalho M. G., Pilavachi P. A., Martins N. Evaluation of natural gas supply options for Southeast and Central Europe: Part 2. Multi-criteria assessment // Energy Conversion and Management. 2008. N 49. P. 2345-2353.
42. Zhou Zupeng, Hua Jiang, Liancheng Qin. Life cycle sustainability assessment of fuels // Fuel. 2007. N 86. P. 256-263.
43. Pilavachi P. A., Roumpeas C. P., Minett S., Afgan N. Multi-criteria evaluation for CHP systems // Energy Conserv Manage. 2006. N 47. P. 3519-3529.
44. Sustainability estimation of energy system options that use gas and renewable resources for domestic hot water production / M. Jovanovic, V. Turanjanin, V. Bakic, M. Pezo, B. Vucicevic // Energy. 2011. N 36. P. 2169-2175.
45. Shmelev S. E. Dynamic sustainability assessment: The case of Russia in the period of transition (1985-2008) // Ecological Economics. 2011. N 70. P. 2039-2049.
Статья поступила в редакцию 27 марта 2012 г.
