Эквифинальность природных и антропогенных геосистем

Понятие «эквифинальность», как предел развития и достижения максимальных размеров географических систем отмечается в ряде естественных наук в виде фаз зрелости, оптимальной интенсивности, критических величин массы, энергии, а также площадей ландшафтов. Физическая география к 1990-м гг. обосновала «феноменологические представления об иерархической организации территории, о статистической связи компонентов ландшафта, о соотношениях характерного пространства и времени процессов» (Пузаченко, 1995). Однако предел данных явлений до сих пор не раскрыт. В этой связи, в работе была поставлена цель: осуществить анализ и обоснование пределов развития природных и хозяйственных систем, потенциала их возможного использования.

Анализ предшествующих исследований

Впервые положение ограничивающего (лимитирующего) фактора обосновано в законе толерантности В. Э. Шелфорда. Его признаки имеются в принципе дополнительности Н. Бора, оптимуме физико-географического процесса А. А. Григорьева, в геосистемах В. Б. Сочавы. Эти разрозненные положения в биологии, географии и физике оказались едиными в познании взаимодействий ландшафта с внешними ресурсами окружающей среды, с хозяйственной деятельностью человека. В экологии правило В. Э. Шелфорда является универсальным законом выносливости биологических систем. Диапазон толерантности по каждому фактору ограничен минимальными и максимальными состояниями (Бродский, 2000). Максимальное состояние рассматривается, как высшая, кульминационная точка, за которой следует затухание. В геологическое периоды такие явления имели место, когда возникала необходимость сохранения организмов в замкнутых (рефугиумах) пространствах, переживая неблагоприятный для них период (Чепинога, Протопопова, Павличенко, 2017). Подобные проявления характерны распределению разных групп фаций в определенных площадях географических систем (Фролов, 2015). Проблемы пределов оптимальной жизнедеятельности и толерантности организмов в условиях экологического риска анализировались А. Т. Глуховым (2009). В географии А. А. Григорьев (1966) обосновал оптимум физико-географического процесса, как вершину его развития в условиях равенства атмосферных осадков водному эквиваленту радиационного баланса (испаряемости). В почвах при нем формируется оптимальное увлажнение, равное наименьшей влагоёмкости. В этих условиях биологическая продуктивность достигает максимальных величин. Данные критерии послужили основой определения мелиоративных норм орошения и осушения, как научное достижение, внедренное в практику хозяйственной деятельности человека.

Развитие оптимума физико-географического процесса подтверждается сукцессией, отражающей последовательную смену жизненных состояний ландшафта. Содержание процесса логично дополняется климаксовым состоянием ландшафта с высшей стадией его развития, соответствующей полному единству с климатом. Кульминацию подобного развития академик В. Б. Сочава назвал «эквифинальным состоянием» (Сочава, 1978).

Реализация принципа эквифинальности имеет место в гидрологии и прослеживается на примере низкого стока рек бассейна Колымы (Бояринцев, Сербов, Сытов, 2009). Модуль минимального стока возрастает до 12 л/с. км2 при нарастании водосборной пощади до 100–1000 км2. Последующий рост площадей резко сокращает летнюю межень. Это происходит, когда водный режим гор сменяется равнинным. За этим следует увеличение площади водосбора, занятой растительностью и, следовательно, повышенным испарением. В гидрологии условия формирования стока рек осуществляется по сценарию физико-географического процесса. В определенные периоды водные потоки приобретают многоводный и маловодный режимы, отражают проявления предельных состояний (Кичигина, Воропай, 2017).

Во всех изложенных формулировках присутствуют признаки оптимума и предела развития природных систем. Они соответствуют общему представлению о физико-географическом процессе, включающего развитие (адаптацию к внешним воздействиям), достижение зрелости (оптимума) — географического предела и последующую деградацию всей системы. Данные положения полностью реализуются в современной мелиорации, при создании совершенных мелиоративных систем. Так, эквивалентное равенство тепла и влаги обеспечивает наименьшую влагоёмкость почв и, соответственно, формирует оптимальную продуктивность растительности.

Принцип дополнительности и процессы эквифинальности

Б. М. Ишмуратов (1973) впервые применил принцип дополнительности Н. Бора при анализе географических проблем. Автор предложил расширить известную концепцию единства предельных и экстремальных явлений в физической и экономической географии. Общее определение данного принципа сформулировано следующим образом. Многие природные процессы представляют собой предельные, несовместимые и исключающие явления. Лишь совместные, дополняющие друг друга их взаимодействия, могут сформировать единый завершающий процесс.

Наглядным примером может быть обоснование единства водного и теплового балансов. Данное единство связывает коэффициент увлажнения — отношение атмосферных осадков к максимально возможному испарению β = Х/Ем. Вторым примером может быть единство мелиорации с экологией. Мелиорация, повышающая продуктивность земель, трансформирует их, а экология призвана сохранять природу. Эти противоречия преодолеваются посредством третьего дополнительного фактора — баланса равноценных затрат на сохранение экосистем и обеспечение мелиорацией максимальной биологической продуктивности.

Эквифинальность в природных и антропогенных системах

Доказательной базой изложенных положений послужили данные Г. В. Добровольского, И. С. Урусевской (2004), представленные в виде модели рациональной структуры земельных угодий. Эти данные несколько устарели, но являются единственной информацией, которая обеспечивает баланс связей между разными типами ландшафтов и хозяйственной деятельностью человека. Исходная информация была проверена, исправлена и дополнена данными из других литературных источников.

Плошади пахотнопригодных земель на планете в конце прошлого столетия составили 32,78 млн км2, 22% от размеров суши (149 млн км2) или от биологической сферы (133,4 млн км2) — 24,6%. Используемые и резервные площади пашен характеризуются графиками (рис. 1, А). Наивысшая точка тренда (y1) во влажных и засушливых тропических системах представлена предельной пощадью используемых и резервных земель — 6,3 млн км2. За гранью этого предела еще в конце ХХ века оказались почвы влажных тропических почв с пониженнными размерами — 6,1 млн км2. Сокращение пощадей пашен обусловлено старением ландшафтов, не соотвествие климатическим условиям, изменением структур и режимов, их естественной деградацией и, следовательно, возникшей сложностью освоения. К такому же пределу приблизились тропические засушливые земли с размерами

5,9 млн км2 на площади ландшафтов 17,1 млн км2. Здесь явно прослеживаются связи ухудшающих состояний ландшафтов с уменьшающими размерами площадей пашен.

Связи больших почвенных групп — зональных ландшафтов с пахотнопригодными землями иные (рис. 1, Б). Это характерно большим площадям тундр, пустынных почв, черноземов, красноземов и желтоземов, пепельно-вулканических, каменистых, песчаных и других почвенных комплексов.

Региональные используемые и резервные земли

Влажные : y(1) = -0,018x2 + 0,7929x -

Площади региональных земель, млн. км2

Зональные потенциальные земли

Зональные и большие почвенные группы земель, млн. км 2

А

Б

Рис. 1. Изменения площадей пашен в региональных и зонально-планетарных системах.

Во влажных биоклиматических комплексах с площадь 39 млн км2 географический предел пашен составил 12,24 млн км2 (рис. 1, Б). В сухих и неудобных землях используется всего 4,3 млн км2 в пределах 21,8 млн км2 географических систем. Расширение площадей их использования не является экономически эффективным.

На планетарном уровне анализ зональных и больших почвенных групп земель осуществлялся с привлечением площадей биосферы — 131,5 млн км2 и потенциала пахотнопригодных земель — 31,9 млн км2. Был определен их географический предел — 32,4 млн км2. В конце ХХ века под пашнями находилось 32,78 млн км2. Моделью рациональной структуры земельных угодий суши предусматривалась возможность расширения площадей обрабатываемых земель до 26,78 млн км2 (Добровольский, Урусевская, 2004).

Таким образом, по разным методам в конце прошлого столетия должно быть освоено земель, соотетствующее площадям географического предела — 32,4 млн км2. Это равно зональному освоению тропических влажных и засушливых земель. Пашни сухих и климатически непригодных земель составили 4,7 млн км2 на площади биоклиматических комплеков 8,6 млн км2. Здесь потенциальный резерв освоения огромный, но явно не рентабельный. Практически ещё в прошлом веке потенциальный предел освоения пахотнопригодных земель был завершен.

В России прослеживается зонально-региональная дифференциация сельскохозяйственных угодий (рис. 2, А) равнинных лесов, лесостепи и степи. Обособленно выделяются площади лесов северной тайги и южных гор. Первые, характеризуются избытком влаги и недостатком тепла, слабо заселенными землями с минимальными площадями сельхозугодий — 0,06–0,12 млн га. Вторые обеспечены теплом и влагой, сформированы интенсивным сбросом избытка влаги в горах. При данных условиях формируется наименьшая влагоёмкость горных почв в пределах 43 млн га, при общей площади горных ландшафтов — 565,4 млн га. Эти условия обеспечивают высокую продуктивность культурных растений.

Сельскохозяйственные угодья

s

s

s

1,4 1,2

1 0,8 0,6 0,4 0,2

Орошаемые земли в конце ХХ века y = -0,0207x2 + 0,5403x - 2,41; R2 -0,87

0       5      10      15      20      25

Площади почвенно-биоклиматических комплексов, млн. км 2

Южные горы

Леса, лесостепь,степь: y = -1,0454x - 2,8672

Площади природных зон, млн.га

А

Б

Рис. 2. Пахотнопригодные земли России и орошаемые земли планеты.

Площади сельскохозяйственных угодий равнин России являются функцией размеров природных зон. Здесь в природных комплексах, размером 149 млн га, максимальный географический предел сельскохозяйственных угодий составляет 75,2 млн га. К данному пределу близка хозяйственная деятельность в лесостепи. В ней распаханные земли составляют 72,8 млн га на 127,3 млн га ландшафтов. Лесостепь практически вся освоена. Частично освоены южные части лесов и тайги — южно-таежные и южно-лесные ландшафты. Они трансформировались в локальные природно-технические, урбанизированные и аграрные системы. Их экологическое состояние обеспечивается взаимодействием с окружающей средой и контролируется деятельностью человека. Здесь антропогенные ландшафты окружены слабо измененными лесами и тайгой.

В других природных системах площади сельхозугодий России наименьшие по сравнению с географическим пределом (79 млн га). В лесостепи они составляют 72,8 млн га, в умерено влажных степях — 58,9 млн га, в сухих степях — 19 млн га, полупустынях — 11,2 млн га. Разница между географическим пределом освоения земель и уже освоенными площадями земель других природных комплексов является мелиоративной нормой орошения. При ее применении создаются благоприятные условия развития культурных растений. Таким образом, в России еще имеется значительный резерв рационального освоения целинных земель. Но необходимы соответствующие ландшафтные, экологические и мелиоративные исследования.

Зональная эквифинальность хозяйственных земель

В конце ХХ века в зональных природных системах планеты с площадь 13 млн км2 предел орошаемых земель достиг 1,11 млн км2 (рис. 2, Б). Предел орошения оказался равным орошению субтропических полупустынных земель — 1,06 млн км2. Эти ландшафты освоены человеком и полностью преобразились. Данный предел, как бы «позволен» природой и соответствующими экономическими затратами человеческой деятельности.

В остальных зональных ландшафтах прослеживается единая тенденция — с увеличением площадей геосистем орошаемые земли возрастают. Но только до географического предела 1,11 млн га. За его гранью последующий рост площадей ландшафтов и размеры орошаемых земель сокращаются. Данный географический предел уменьшается в засушливых тропических комплексах с площадями 17,1 млн км2 и с орошаемыми землями 0,8 млн км2. К нему приближаются тропические пустынные земли с площадями 1,06 млн км2 и с орошаемыми землями 1,1 млн км2. В остальных системах проявляется полиноминальное сокращение орошаемых площадей относительно их размеров. Все это отлично фиксируется корреляцией тренда графика (рис. 2, Б). Дальнейшее расширение орошаемых земель не желательно. В связи с этим необходимо повышать продуктивность уже имеющихся пригодных земель.

Заключение

Обоснован принцип эквифинальности с признаками релаксации — уменьшения космической энергии планетарной влагой до их эквивалентного равенства. Это кульминационная стадия развития природных систем с термодинамическим равновесием и наиболее полным единством с климатом. Эквифинальность характерна экотону — лесостепи, которая является географо-климатическим инвариантом. Относительно его отсчитываются естественные дефициты или избытки влаги и тепла аридных и гумидных природных систем. В мелиорации относительно экви-финальности определяются нормы орошения и осушения культивируемых земель. Данное явление отражает стремление природы и общества к совместному совершенствованию, максимальному использованию равенства тепла и влаги, к повышению потенциальных силы географических систем. Иными словами: осуществлению оптимального сотворчества человека и природы. Эквифинальность определят пределы формирования географических систем, а также пределы пространственной организации хозяйственных систем, с оптимальным соотношением экологического и экономического в условиях мелиорации земель.

Эквифинальность является индикатором формирования структур и функций природных и хозяйственных систем. Это следствие эволюции, как непрерывное движение во времени. Графической формой эволюционного движения является полиноминальный тренд с начальным возрастающим приращением её ординат. Эквифинальность, как высшая стадия совершенствования природных систем, в состоянии термодинамического и статистического равновесия при полной адаптации к внешними воздействиям, формирует энтропию. В таких условиях биологические системы проявляют максимальную продуктивность

Во всём изложенном следует подчеркнуть особенность географических пределов. При полной согласованности ландшафтных и климатических ресурсов, они достигают максимальных величин. Хорошо известно, что данный процесс усиливается антропогенной деятельностью (Белов, Владимиров, Соколова, 2016). Практически любые изменения составляющих ландшафтов, сопровождаются накоплением в них тепла. Возможно предположить, что источником современного глобального потепления являются территории государств с существенно преобразованными промышленностью и сельским хозяйством ландшафтами: США, Китай, Индия. Посредством северо-западной атлантической и муссонной тихоокеанской циркуляции воздушных масс, эти территории формируют глобальное потепление климата.

В целом на планете еще в конце ХХ века наступил предел использования земель под пашни и появились признаки критического состояния природных систем. Однако продолжается освоение территорий, неудобных для земледелия, которые возможно использовать только при повышенных экономических затратах. В данных условиях следует учитывать равнозначность затрат на сохранение окружающей среды и создание эффективных хозяйственных систем, безвредных для природы и человека.