CC BY
11УСЛОВИЯ УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ УПРАВЛЯЕМЫХ ГИДРОЭКОСИСТЕМ
Соловьева Вера Валентиновна
Доктор биологических наук, доцент, профессор, Самарский государственный социально-педагогический университет
Аннотация. Статья посвящена проблемам устойчивого развития управляемых гидроэкосистем. Рассматриваются условия, влияющие на динамическое равновесие экосистемы, анализируются механизмы, поддерживающие гомеостатичность и жизнеспособность экологической системы, устойчивость к внешним нагрузкам, способность восстанавливаться и корректироваться, рассматриваются стратегии развития управляемых экосистем.
Ключевые слова: управляемые экосистемы, управляемые гидроэкосистемы, устойчивое развитие экосистем, экотонные системы, антропогенное воздействие.
CONDITIONS FOR SUSTAINABLE DEVELOPMENT OF CONTROLLED HYDROE-
COSYSTEMS
Solovieva Vera Valentinovna
Doctor of Biological Sciences, Associate Professor, Professor, Samara State Social and Pedagogical University
Annotation. The article is devoted to the problems of sustainable development of managed hydro-ecosystems. The conditions affecting the dynamic equilibrium of the ecosystem are considered, the mechanisms supporting the homeostaticity and viability of the ecological system, resistance to external loads, the ability to recover and adjust are analyzed, the strategies for the development of managed ecosystems are considered.
Keywords: managed ecosystems, managed hydroecosystems, sustainable development of ecosystems, ecotone systems, anthropogenic impact.
Водохранилища и пруды, являясь антропогенными ландшафтами, не изолированы от окружающей среды, «сразу же после создания они вступают в тесный взаимный обмен веществом и энергией со смежными комплексами, образуя с ними парагенетические системы» [3].
В процессе эволюции природных компонентов и эксплуатации (коэволюции) многие гидроэкосистемы долгое время сохраняют свой ювенильный облик, другие приобретают облик естественного водоема озерного типа, становятся частью природы, сливаясь с ней, и при оптимальном и эффективном использовании являются полуприродными или природ-но-хозяйственными управляемыми экосистемами. При этом развитие их компонентов подчиняется естественным сукцессионным законам природы, но определяющим фактором их существования является антропогенное воздействие (рис.1).
Казалось бы, управляемые экосистемы как более молодые являются сравнительно упрощенными и потому обладают слабым естественными механизмом устойчивости по сравнению с древними речными и озерными геосистемами. Но в силу того, что они испытывают двойной антропогенный пресс, развитие их природы происходит ускоренными темпами и имеет свои особенности. Поэтому методы изучения состава, структуры и динамики природных компонентов (растительности) управляемых экосистем на этапах сбора фактического материала основано на традиционных полевых и теоретических методах структурно-функционального и системно-функционального анализа. Исследование же их функционирования и прогнозирования следует вести на основе синергетического принципа анализа их эволюции. Синергетика известна как метод исследования будущего, кото-
226
рый позволит учесть особенности происхождения экосистем, развития их природы, особенностей управления и характера использования, то есть коэволюцию (совместное существование разных экологических режимов, обусловленных природными и хозяйственными особенностями управляемых неравновесных экосистем). Для объяснения механизма устойчивости в неравновесных экосистемах используется метод приближенных автомодельных решений.
Непременным условием длительного функционирования создаваемых водных экосистем является неустойчивый гидрорежим и импульсивный характер антропогенного воздействия на среду в процессе водопотребления и водопользования. В основе эволюции управляемых гидросистем действует механизм обратной связи, в основе которого лежит антропоный принцип (в смысле управляемости). Поэтому вопросы эволюции, управления и прогноза развития экосистем взаимосвязаны, фундаментальны и несут практическую значимость.
В природных водных экосистемах (озерах, реках) при условии равномерного колебания уровенного режима создаются оптимальные условия для жизни гидробионтов. В зависимости от сезонных и разногодичных климатических изменений гидрорежима (водного и грунтового) зона напряжения может изменяться, сужаться и расширяться (сжиматься и вытягиваться, как пружина). При этом следует обратить особое внимание на неуравновешенность режима грунтовых и поверхностных вод. При относительно стабильном режиме поемности в приурезовой зоне контакта воды и суши по-другому в переходной экотонной зоне отмечается поясный постепенный переходный характер растительности по градиенту увлажнения с различимыми границами в пределах биоценоза. В этом случае экотонную систему можно рассматривать как совокупность дискретных единиц растительного покрова на уровне формаций и даже ассоциаций. Разнообразие и динамика растительности определяются условиями экологического режима - озерно-пойменного, приречно-зонального и т.д. [7,6,2]. Ширина поясов растительности зависит от детерминирующей роли водного фактора среды. В многоводные годы с длительным половодьем пояса растительности шире, чем в маловодные годы, и, наоборот, в годы с максимальной продолжительностью межени, благодаря адаптациям прибрежно-водного компонента экосистем (экологическая аксиома Ч. Дарвина), происходит сближение и даже перекрывание экологических ниш видов, но при этом каждый гидробионт (согласно правилу экологической индивидуальности Л.Г. Раменского) занимает свою экологическую нишу. Таким образом, подобно пружине, в зависимости от изменяющихся условий, компоненты экосистемы занимают большее или меньшее место на экологическом профиле, в итоге ответная реакция компонентов среды на изменение обеспечивает гибкость или устойчивость (динамическое равновесие) экосистемы.
Поле прямого воздействия
(бассейн реки выше плотины)
>
н
т р
о а о г е
о
т
в о
з
д
е »
с
т в
Объем Развитие прибрежно-
поступающей воды в —► водной и водной
водохранилище растительности
Степень Уменьшение видового
загрязненности —► разнообразия
поступающих вод -
Аквальная экосистема
Абразия берегов, эрозия, осыпи, оползни
Подземная призма фильтрационных вод водохранилища
Воздушные массы над па-рагенетической системой водохранилище-суша
>
н
т р
о а о
г е
о
т в
о
з
д
е »
с
т
в
Геоморфологическое воздействие
Гидрогеологическое воздействие
Климатическое воздействие
Поле обратного косвенного воздействия
Рисунок 1. Пространственная структура парагенетического геокомплекса
Признаком экологической стабильности равновесной экосистемы является дискретность растительного покрова. При изменении экологических условий в сторону «вторичного оптимума среды» [1] происходит сжатие экологических ниш, отражением которого служит континуум или непрерывность среды. Чередование дискретности и непрерывности как неотъемлемое свойство биогеоценозов в изменяющихся условиях является важной характеристикой экотонных экосистем.
Для примера рассмотрим, как отражается на растительном покрове Ветлянского водохранилища изменение гидрорежима (рис 2.).
1987-1991
2000-2004
Линейный (2000-2004) Линейный (1987-1991)
Рисунок 2. Динамика гидрологического режима Ветлянского водохранилища
Стабилизация водного режима в условиях недостаточного увлажнения степной зоны, где создан водоем, приведет к быстрому обмелению, интенсивному зарастанию воздушно-водной растительностью, к активизации процессов заиления, а следовательно, к заполнению мелководного бассейна органическим веществом. Сукцессия может пойти в направлении перерождения водной экосистемы с прудово-степными условиями в наземную, к формированию солончаковых лугов и заболоченно-кустарниковых фитоценозов. Для степной зоны отмечается низкое залегание грунтовых вод и распространение в почвенном комплексе солонцов и солончаков. Данные обстоятельства позволяют предположить, что в засушливых условиях степи мезофитные сообщества будут замещаться растительными группировками галофитно-степного характера. Изучение состояния водной, прибрежно-водной и береговой растительности Ветлянского водохранилища показали, что дальнейшее снижение уровня воды не будет способствовать сохранению водоема и его прибрежно-водного компонента. Видимо водохозяйственные организации не совсем оценили, во сколько может обойтись утрата и восстановление искусственной водной экосистемы, потому и не ставят перед собой цель сохранить водохранилище и обеспечить возможность его длительной эксплуатации для орошения и рыбоводства. «Кажется странным, что людям так трудно оценить всю важность изменений уровня воды..., когда подобные импульсы..., более или менее регулярные, но резкие физические возмущения извне могут поддерживать экосистему на некоторой промежуточной стадии развития, порождая, так сказать, компромисс между молодостью и зрелостью. Чередующееся заполнение и осушение прудов на протяжении многих веков было стандартным приемом в рыбоводстве в Европе и на Востоке» [8].
Ветлянское водохранилище, как и другие искусственные водоемы Самарской области, функционирующие более 40 лет, нуждается в пульсирующей стабильности, только при этом условии они будут оставаться «молодыми экосистемами с колеблющимся уровнем воды». На ранних стадиях развития и на стадии «динамического равновесия» экосистемы смогут находиться благодаря неустойчивому гидрорежиму и наличию сформированной экотонной зоны, устойчивой к сезонным и антропогенным колебаниям уровня воды. «Следует подчеркнуть, что пульсирующая (импульсная) стабильность действует только в том случае, когда полное сообщество (включающее не только растения, но животных и микроорганизмы) адаптировано к некоторой определенной частоте возмущений. Адаптация, возникающая в результате процессов отбора, требует времени, измеряемого в эволюционной шкале. Большинство физических стрессов, создаваемых человеком, слишком внезапны, слишком интенсивны и слишком аритмичны для возникновения адаптации на уровне экосистемы; поэтому они приводят к сильным колебаниям, а не к стабильности. Во многих случаях, по крайней мере, [попытка] приспособить естественно адаптирован-
ные экосистемы для хозяйственных нужд, возможно, даст лучшие результаты, чем полная их переделка» [8].
Мониторинг флоры управляемых гидросистем с 1987 по 2005 г. показал, что изменение экологического спектра растений в различные годы исследований объясняется природно-климатическими и антропогенными изменениями и связанным с этим колебанием уровня воды. «Нестабильность среды определяет эволюцию разнообразия. При постоянно варьирующем от года к году климате с чередованием более благоприятных и менее благоприятных условий специализация в отношении к этим колебаниям становится главным фактором дифференциации экологических ниш» [9].
Соотношение числа видов экологических типов высших растений в составе экотон-ных систем конкретных водохранилищ показано в таблице. Наиболее стабильной являются гелофиты и гигогелофиты, имеющие экологические типы стратегий виолентов и пати-ентов.
Таблица 1. Динамика флоры экотонов водохранилищ (число видов)
Экологиче- Кутулук- Ветлян- Чернов- Талов- Чубов- Кондурчин-
ские ское ское ское ское ское ское
типы 1991- 2005 1987- 2005 1989- 2005 1990- 1991- 1990- 2005
растений 2006 2005
Гидрофиты 5 12 10 13 11 12 10 12 4 5 7 12
Гелофиты 7 10 8 10 8 9 6 9 8 9 5 8
Гигрогело-фиты 10 12 5 6 8 9 8 9 8 9 11 12
Гигрофиты 18 19 12 22 17 20 13 26 19 23 20 30
Гигромезо-фиты и ме- 37 44 26 34 35 40 28 33 21 28 45 50
зофиты
Всего видов 77 97 61 85 79 90 65 89 60 74 88 112
Сравнение состава флоры показывает относительную устойчивость участия всех экологических групп в составе экотонной экосистемы, что обеспечивает гомеостаз фито-среды в различных условиях уровенного режима. Таким образом, переменность режимов экологической среды является важным фактором повышения видового богатства экотопа или а-разнообразия экосистемы. «Количество существующих видов может быть безгранично велико независимо от интенсивности конкуренции, если численность составляющих сообществ видов и лимитирующие ресурсы находятся в колебательном режиме» [4]. Известно, что «никому еще не удавалось описать все виды на сколь-нибудь значительной площади, а тем более проследить за общим видовым разнообразием в сукцессионных сериях. До настоящего времени в нашем распоряжении имеются данные только по отдельным частям сообщества» [8]. Приведенные нами значения отражают нестабильность экологической среды экосистемы и влияние ее на состав флоры. Проследим эту закономерность на составе растительности, или на уровне в-разнообразия сообществ.
Чередование растительности в экологическом ряду от обсохших отмелей до мелководий с глубиной до 2 м обусловлено неустойчивым гидрологическим режимом в течение вегетационного сезона и адаптациями растительных сообществ к изменениям условий обводнения. Это обеспечивает быструю сменяемость фитоценозов в различные годы в зависимости от характера колебаний уровня воды. Явления замещения и сменодоминантности характерны для растительности антропогенных водоемов, находящихся на стадии динамического равновесия [5]. Таким образом, формируется сложная открытая система, в которой под динамичным действием природных факторов (физико-географических и биотических) с одной стороны и антропогенных (управление в процессе использования) с дру-
гой стороны возникает неоднородность экологической среды, возникновение нелинейных обратных связей, повышается видовое разнообразие, наблюдается смыкание и перекрывание экологических ниш, отражением которого является континуум. При стабилизации экологического режима отмечается дискретность растительного покрова, формирование четких поясов растительности, образованных конкурирующими доминирующими видами (гелофитами и гигрогелофитами). Они занимают центральное положение в экотоне, устойчивы к изменению среды и способны занимать эту нишу неопределенно долго. В условиях «оптимум-пессимум» высокая конкурентная способность ценозообразователей виолентов-патиентов нарушает дискретность биоценоза, происходит изменение фитосре-ды. Это приводит к «диффузии» дискретных единиц. Сглаживание градиента среды приводит к постепенному переходу биоценозов или континууму. Функциональная роль континуума такова. Это свойство экосистемы, противоположное дискретности, оно выступает не как организующий, а как рассеивающий фактор, это своеобразный способ переходного состояния экосистемы от одного режима экологической среды к другому. В то же время это и фактор когерентности, сохраняющий связи, выполняющий роль пружины, обеспечивающей согласованность разнообразных структурных единиц с разными экологическими оптимумами в единое целое - «экотон».
Как было проанализировано выше, управление обуславливает переменность и импульсивность флуктурирующей среды. Управляемая экотонная экосистема работает по принципу и подобию «гармони». Образно выражаясь, гармонь должна быть отдана в руки мастера, «руки» природы и природопользователя. Но если гармонь окажется в руках не музыканта, а безграмотного экологического менеджера, желаемого результата (музыки, гармонии во взаимодействии человека и природы) не будет достигнуто. В руках профессионала она не утратит своего назначения, таким образом, нарушенная экосистема сможет продолжать существование, значит, есть возможность изменить или скорректировать развитие ее природы.
Структурные компоненты экотона, включающие разнообразие сообществ, экотипов растений и стратегий их развития, позволяет функционировать, «звучать» экотонной экосистеме в асинхронных динамичных условиях среды благодаря свойству экологической гибкости, т.е. способности экосистемы сопротивляться внешним воздействиям и восстанавливаться, когда внешняя нагрузка снята, отвечать на изменение природных условий и управление экологической средой. Как известно, при условии, если гидроузел прекращает работу, внешнее воздействие снимается, управляющая «рука» мастера отпущена, экосистема перестает быть управляемой, многолетние повторяющиеся флуктуации приведут к однонаправленной необратимой сукцессии растительных сообществ. Векторное изменение гидрорежима Ветлянского водохранилища в сторону постоянного снижения уровня воды приведет экосистему в критическое состояние, когда «диффузия» дискретных единиц растительности расширит переходную экотонную зону, снизив биоразнообразие, произойдет полная смена сообществ (пока не исчезнет собственно водная экосистема). При пессимальных условиях водного режима сохранятся только виоленты и стресс-толеранты (гелофиты и гигрогелофиты), в критических условиях, когда накопленные количественные изменения среды приведут к качественным изменениям структуры экосистемы, останутся наиболее конкуретноспособные и выносливые виды - виоленты. Несмотря на нарушение и смену экологического режима экосистемы, сохраняя «память» прошлой среды, она сможет существовать определенное время в новых условиях. В конечном итоге разнообразие экотона «угаснет» и в ходе эндоэкогенетических сукцессий экотонная система постепенно перейдет к состоянию экоклина, с едва заметным градиентом среды, обширной протяженностью и бедным видовом составом.
Рисунок 3. Модель системной триады стратегий развития управляемых экосистем
Типы стратегий: I - развивающаяся экосистема; II - экосистема устойчивого развития;
III - стареющая экосистема
............. - гибкость управляемой экосистемы
1) стадия становления; 2) стадия динамического равновесия; 3) стадия отмирания или перерождения
Сложный экологический спектр, видовое богатство и разнообразие могут существовать при условии сочетания интегрального импульсивно-равновесного действия комплекса природных и антропогенных факторов в управляемой экотонной системе. Поскольку в природе биоценозы существует в пространстве и во времени, которые взаимосвязаны, то структура модели для конкретного экологического режима (крайних точек пессимума) на определенной стадии развития экосистемы будут отличаться. Экотон - это детерминированный объект: точно зная его текущее состояние, можно установить, что произойдет с системой в будущем, и вместе с тем предсказать ее развитие, но в течение ограниченного времени.
Защитную и буферную функции экотонная система полноценно выполняет при оптимальных условиях флуктурирующей среды или на стадии динамического равновесия экосистемы искусственного водоема. По структурному состоянию экотонной системы можно индицировать изменения экологических условий и прогнозировать стратегии развития управляемых экосистем: I - развивающаяся, II - устойчивого развития, III - стареющая. На рисунке 3 изображена пространственная модель возможных вариантов развития управляемых экосистем, в которой арабскими цифрами обозначены стадии или направления изменений экосистемы в пространстве, а римскими - во времени.
При оптимальных условиях (сбалансированном режиме природопользования, при гибком изменении системы управления в зависимости от развития природных условий) модель стратегии устойчивого развития будет представлена равносторонним треугольником, на вершине которого экосистема, находящаяся длительное время на стадии динамического равновесия (II). При сдвиге комплексного градиента факторов среды в сторону максимума (постоянный высокий уровень воды и др.) или минимума (спад уровня воды и т.д.) не создаются условия для развития всех структурных элементов от гидрофитов до мезофитов, обеспечивающих необходимую устойчивость (стабильность и выносливость экосистемы) и упругость переходной зоны (экотонной системы). В первом случае экосистема будет длительное время находиться в ювенильном развивающемся неустойчивом состоянии (I), в силу своей несформированности она всегда как бы находится «в пути» и при определенных условиях быстро «устареет». Этот «развивающийся» тип стратегии экосистемы более прогнозируем, в виду низкого видового разнообразия и слабых эколо-
232
гических связей. Третий вариант эволюции связан с доминированием сукцессионных процессов над флуктуационной динамикой, в силу интенсивных процессов зарастания и высоких темпов заиления экосистема быстро прекратит свое существование. Эта «стареющая» стратегия развития экосистемы самая бесперспективная в отношении водных ресурсов, поскольку не в состоянии долгое время выполнять водохозяйственную функцию. Их экотонные системы будут асимметричными, поскольку соотношение структурных блоков в них не сбалансировано.
Модель стратегии эволюции экосистем можно развивать и дополнять, анализируя и добавляя параметры других компонентов экосистемы, но именно фитоценотический подход наглядно иллюстрирует возможные сценарии процессов, происходящих в экосистемах, поскольку высшая растительность выполняет в них главную продукционную, энергетическую, структурирующую, средообразующую и геоинформационную роль. Детальное изучение оптимальной структуры и функционирования экотонных экосистем позволит сформулировать правила и законы развития управляемых природно-хозяйственных систем. Управляемые гидроэкоситемы, благодаря адаптивным свойствам растительного компонента экотонов, способны сопротивляться импульсивным антропогенным возмущениям, но до известного предела этих адаптаций у экотипов растений. Входя в состав эко-тонных растительных сообществ, они могут обеспечить их устойчивость при чередующихся условиях обводнения. Благодаря механизму обратной связи, поддерживается возможная гомеостатичность и жизнеспособность экологической системы, в результате она может не только сопротивляться внешним нагрузкам, но и восстанавливаться и корректироваться после разрушения структуры, когда внешняя нагрузка снята.
Список источников и литературы
1. Залетаев, В. С. Структурная организация экотонов в контексте управления / В. С. Зале-таев. - Текст : непосредственный // Экотоны в биосфере. - Москва, 1997. - С. 11-29.
2. Матвеев, В. И. Динамика растительности водоемов бассейна Средней Волги / В. И. Матвеев. - Куйбышев : Кн. изд-во, 1990. - 192 с. - Текст : непосредственный.
3. Мильков, Ф. Н. Рукотворные ландшафты. Рассказ об антропогенных комплексах / Ф. Н. Мильков. - Москва : Мысль, 1978. - 86 с. - Текст : непосредственный.
4. Романовский, Ю. Э. Конкуренция, продуктивность и видовое разнообразие естественных сообществ / Ю. Э. Романовский. - Текст : непосредственный // Биологическое разнообразие: подходы к изучению и сохранению. - Санкт-Петербург., 1992. - С. 139-152.
5. Соловьева, В. В. Закономерности формирования растительного покрова малых искусственных водоемов Самарской области под влиянием природных и антропогенных факторов : специальность 03.00.16 «Экология» : автореф. диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук / Соловьева Вера Валентиновна ; Самарский государственный педагогический университет. - Самара, 1995. - 20 с. - Текст : непосредственный.
6. Тимофеев, В. Е. Эколого-геоморфологические типы пойм и структура растительности речных долин бассейна Средней Волги / В. Е. Тимофеев. - Текст : непосредственный // Вопросы морфологии и динамики растительного покрова: Ученые записки Куйбышевского пединститута. - 1971. - Вып. 85. - С. 31-49.
7. Шенников, А. П. Луговедение / А. П. Шенников. - Ленинград : ЛГУ, 1941. - 511 с. -Текст : непосредственный.
8. Odum, E. P. The strategy of ecosystem development. An understanding of ecological succession provides a basis for resolving man's conflict with nature / E. P. Odum. - Text : direct // Science. - 1969. - V. 164. - P. 262-270.
9. Whittaker, R. H. Evolution and measurement of species diversity / R. H. Whittaker. - Text : direct // Taxon. - 1972. - V. 21. - № 2/3. - P. 231-251.
