Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора географических наук

ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННАЯ САМООРГАНИЗАЦИЯ ГЕОСИСТЕМ ЮГА СРЕДНЕЙ СИБИРИ

25.00.23 - физическая география и биогеография, география почв и геохимия ландшафтов

КОНОВАЛОВА ТАТЬЯНА ИВАНОВНА

Иркутск - 2009

Работа выполнена в Институте географии им. В.Б. Сочавы Сибирского отделения Российской академии наук.

Официальные оппоненты:

Давыдова Нина Даниловна, доктор географических наук,

Ретеюм Алексей Юрьевич, доктор географических наук, профессор,

Назимова Дина Ивановна, доктор географических наук, профессор.

Ведущая организация: Бурятский государственный университет.

Защита состоится 14 мая 2009 г. в 9.00 часов на заседании диссертационного совета Д 003.010.01 по защите докторских диссертаций при Институте географии им. В.Б. Сочавы СО РАН по адресу: 664033, Иркутск, 33, Улан-Баторская, 1, факс: 8 (3952) 42-27-17, e-mail: postman@irigs.irk.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института географии им. В.Б. Сочавы СО РАН

Автореферат разослан "___" _________.2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор географических наук Рагулина М.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Изучение самоорганизации геосистем в географических исследованиях занимает особое место, соответствующее современному этапу развития научного знания. Это не просто раскрытие частных свойств и территориального целого, а понимание того, каким образом части сливаются в целое и развиваются как целое через проявление связей и изменений. Собственно, эта задача, сформулированная В.В. Докучаевым (1951) как необходимость формирования особой науки о "тех многосложных и многообразных соотношениях и взаимодействиях, а равно и законах, управляющих вековыми изменениями их, которые существуют между так называемыми живой и мертвой природой..." (с. 416) легла в основу развития ландшафтоведения и формирования направлений его современных исследований.

В ландшафтоведении накоплено значительное количество знаний, использование которых требует научного обобщения и систематизации с позиций интегрального подхода к решению проблемы самоорганизации геосистем регионов. Это определяется следующими обстоятельствами: система обладает особым свойством эмерджентности, благодаря чему изучение ее самоорганизации не может базироваться на рассмотрении отдельных составляющих; выявление "сквозных" факторов самоорганизации для различных иерархических уровней геосистем находится в стадии разработки; практически не проведены эмпирические обобщения самоорганизации геосистем регионов. Необходимо превратить различные данные и знания в систему методов исследований пространственно-временной самоорганизации геосистем юга Средней Сибири, основываясь на современных естественнонаучных представлениях о ней, теории геосистем В.Б. Сочавы и результатах собственных многолетних исследований.

В системе общенаучных знаний решение этой проблемы связано с реализацией современного синергетического подхода, а в области физической географии - с дальнейшим развитием теории геосистем.

Решение новых задач требует создания особого познавательного инструментария - методов получения оперативной и масштабной информации о состоянии геосистем и их картографирования.

Цель исследования - выявление и картографирование основных закономерностей пространственно-временной самоорганизации геосистем юга Средней Сибири.

В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи:

- раскрытие ведущих факторов самоорганизации геосистем регионов;

- разработка методов дистанционного исследования и картографирования пространственно-временной самоорганизации геосистем;

- применение разработанной системы методов для оценки современного состояния и направления естественных преобразований геосистем;

- определение характера антропогенной трансформации геосистем на основе выявленных тенденций их преобразования.

Объект исследования - территория юга Средней Сибири.

Предмет исследования - методология (система методов) исследования пространственно-временной самоорганизации геосистем регионов (формирование, устойчивость, развитие).

Исходные материалы, объект и методы исследований. Диссертационная работа основана на фактическом материале, собранном в 1984-2008 гг. в регионах Западного и Восточного Саяна, Средней Сибири, Прибайкалья, Забайкалья, Северо-Байкальского и Патомского нагорий лично автором и в процессе коллективных исследований по плановым темам Института географии СО РАН: "Развитие теории и методики картографирования и космического землеведения" (Раздел 3.5.6.3. Программа 4.6.2. "Сибирь); "Разработка и создание картографических произведений на различные регионы Сибири" (Раздел 01.10.Н. Программа 0.74.02. "Космос"); "Аэрокосмические и картографические методы исследования геосистем Сибири" (№ ГР 01.9.20.009678); "Развитие методов получения, преобразования и отображения географических данных и знаний о состоянии природной среды" (№ ГР 01.9.60.007169); "Экологическое картографирование Сибири" (Программа "Сибирь" СО РАН "Биосферные и экологические исследования". Тема 6, раздел 12.5.); "Современные методы получения, отображения и анализа географических данных" (№ ГР 01.9.80.004867); "Разработка теории и методов системного анализа геоизображений и геоинформационного картографирования для сбалансированного территориального развития (№ ГР 01.9.70.005469), а также грантов РФФИ "Изменение природной среды Верхнего Приангарья" (97-05-96420); "Ландшафтное разнообразие: теория, методы, классификация" (03-05-64903).

Развитие методологии исследований самоорганизации геосистем основано на учении о геосистемах В.Б. Сочавы, использовании теоретического и практического опыта разработок в области системных исследований географической среды и ее самоорганизации в трудах отечественных и зарубежных географов (В.Р. Алексеева, А.Н. Антипова, А.Д. Арманда, А.В. Белова, В.И. Булатова, А.А. Григорьева, К.Н. Дьяконова, А.Г. Исаченко, В.И. Козина, Л.М. Корытного, А.Т. Напрасникова, Е.Г. Нечаевой, Э. Неефа, В.А. Николаева, А.В. Позднякова, Ю.Г. Пузаченко, А.Ю. Ретеюма, Ю.М. Семенова, В.А. Снытко, Т.Т. Тайсаева, А.К. Черкашина, Г. Хазе, Д. Харвея, И. Шмитхюзена, Г. Хакена, И. Пригожина, Э. Лоренца и др.).

Использованы картографический, сравнительно-географический, дистанционный (аэровизуальные исследования, дешифрирование космических снимков), ландшафтно-индикационный, исторический методы, а также полевые маршрутные наблюдения в сочетании с обобщением значительного массива литературных материалов.

Научная новизна:

1. Обосновано представление о взаимосвязанной системе факторов как причине и движущей силе процесса самоорганизации, определяющей ее формирование, сохранение и направленное преобразование.

2. Разработана методика исследований пространственно-временной самоорганизации геосистем на основе данных космических съемок Земли, которая синтезирует требования к получению информации из набора многочисленных дешифровочных признаков. Их сочетание позволяет создать целостный образ объекта и оценить особенности самоорганизации.

3. Составлена серия разномасштабных карт геосистем регионов Сибири на основе дешифрирования космических снимков, полевых аэровизуальных и маршрутных исследований, синтеза палеогеографических данных, изучения "ландшафтов-аналогов", позволяющих делать выводы о том, "что, как и с какой интенсивностью будет изменяться".

4. Разработана схема физико-географического районирования юга Средней Сибири, проведенного впервые для всего региона до уровня макрогеохоры. В пределах Южно-Сибирской горной, Байкало-Джугджурской горно-таежной и Среднесибирской таежно-плоскогорной физико-географических областей выделены буферные геосистемы на уровне провинций, благодаря высокому рангу контактирующих тектонических и физико-географических структур.

5. Выявлена основная тенденция направленных преобразований геосистем юга Средней Сибири, которая проявляется на протяжении около 40 млн. лет от палеогена до наших дней в развитии аридизации. В районах интенсивного антропогенного воздействия происходит ее усиление, что создает условия возникновения нового геосистемного качества.

6. На основе разработанной методологии установлена тенденция преобразования региональной структуры геосистем, которая проявляется в смене таежных темнохвойных и подтаежных типов геосистем на светлохвойные и лугово-степные соответственно. Изменения затрагивают значительные площади, благодаря широкому развитию буферных геосистем, имеющих в регионе высокий иерархический ранг (провинции) и интенсивному антропогенному воздействию.

7. Составлена карта самоорганизации геосистем юга Средней Сибири, отражающая ее региональную дифференциацию по основным типам и видам.

Практическое значение исследований. Теоретические разработки и практические рекомендации автора применены в научном обеспечении природопользования, природоохранной деятельности, оценке экологического состояния городов, в системе экологического просвещения. Авторские материалы и карты использованы при разработке "Перспективной схемы организации особо охраняемых природных территорий в Иркутской области" (1995), "Картографического обеспечения земельного кадастра Иркутской области" (1996), "Проекта зоны атмосферного влияния Байкальской природной территории" (2000), "Концепции экологической безопасности Иркутской области" (2001), "Экологически ориентированного планирования землепользования в Байкальском регионе (дельта Селенги)" (2002), "Концепций и генеральных планов гг. Иркутск, Шелехов", "Оценке земель г. Усть-Кута" (1996; 2003; 2004); государственного контракта на создание и постановку научно-технической продукции для федеральных нужд "Анализ современного использования территории и ограничений для разработки проекта схемы территориального планирования центральной экологической зоны Байкальской природной территории" (2008). Материалы исследований по теме диссертации представлены в отчетах по международной программе "ESPROMUD" (Манчестер, 1998), направленной на изучение воздействия крупных промышленных центров на окружающую среду.

Результаты работ использовались Администрациями Иркутской области и Республики Бурятия, городов Иркутской области, Иркутским областным комитетом природопользования, Государственными комитетами по охране окружающей среды Иркутской области Республики Бурятия, университетом округа Манчестер (Англия), Министерством природных ресурсов РФ.

Апробация работы. Результаты исследований доложены более чем на 50 международных, всероссийских совещаниях и конференциях, в т.ч. InterКarto 2: ГИС для картографирования и изучения окружающей среды (Иркутск, 1996); InterКarto 4: ГИС для оптимизации природопользования в целях устойчивого развития территорий (Барнаул, 1998); InterКarto - 5: ГИС для устойчивого развития территорий (Якутск, 1999); InterКarto-9: ГИС для устойчивого развития территорий (Новороссийск - Севастополь, 2003); InterКarto -10: Устойчивое развитие территорий: геоинформационное обеспечение и практический опыт (Владивосток, 2004); 4-th International Symposium on Enviromental Geotehnology and global Systainable Development (Boston, 1998); Оценка и управление природными рисками (Москва, 2000); Межгосударственное Совещание ХХV пленума Геоморфологической Комиссии РАН (Белгород, 2000); Совещание географов Сибири и Дальнего Востока (Иркутск, 2001; Владивосток, 2004); Земля из космоса - наиболее эффективные решения (Москва, 2003); Степи Евразии (Оренбург, 2003); "Закон Российской Федерации "Об охране озера Байкал" как фактор устойчивого развития Байкальского региона" (Иркутск, 2003); Заповедное дело: проблемы охраны и экологической реставрации степных экосистем (Оренбург, 2004); Структурно-функциональная организация и динамика лесов (Красноярск, 2004); Природно-ресурсные, экологические проблемы окружающей среды в крупных речных бассейнах/Объединенный научный совет по фундаментальным географическим проблемам (Борск, 2004); International geographical congress (Glasgow, 2004), Природно-ресурсный потенциал Азиатской России и сопредельных стран (Иркутск, 2004); Убсу-Нурская котловина как индикатор биосферных процессов в Центральной Азии (Кызыл, 2004); Моделирование географических систем (Иркутск, 2004); XII Съезд РГО (Кронштадт, 2005); Степи Северной Евразии (Оренбург, 2006); InterКarto-12: Устойчивое развитие территории; теория ГИС и практический опыт (Калининград, 2006); Геоинформационное картографирование для сбалансированного территориального развития (Иркутск, 2006); Другая всеукраїнська наукова конференція (Київ, 2007); Современные проблемы ландшафтоведения и геоэкологии (Минск, 2008); Изменение климата Центральной Азии: социально-экономические и экологические последствия (Чита, 2008); Роль особо охраняемых природных территорий в решении экологических проблем (Йошкар-Ола, 2008); Система географических знаний (Иркутск, 2008).

Личный вклад автора заключается в разработке системы методов исследования пространственно-временной самоорганизации геосистем и ее региональной дифференциации, представления об устойчивости геосистем регионального уровня иерархии и их антропогенной нарушенности, прогноза естественных и антропогенных трансформаций геосистем юга Средней Сибири. В коллективных работах автор провела ландшафтные исследования, картографирование и физико-географическое районирование территории юга Средней Сибири и создала легенды карт.

Публикации. Автором опубликовано около 200 научных работ; основное содержание диссертации отражено в 65 публикациях, включая 6 коллективных монографий и 4 карты.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованной литературы. Работа иллюстрирована 42 рисунками, 4 таблицами, 4 приложениями, содержит 205 страниц текста. Структура работы представлена на стр.43-44 автореферата.

Содержание работы

Введение

Глава I. Теоретические основы исследования пространственно-временной самоорганизации геосистем

1. Постановка задачи

2. Современные представления о самоорганизации систем

3. Геосистемная парадигма в изучении самоорганизации геосистем

4. Основные типы связей

5. Определение понятия "самоорганизация геосистем"

6. Вещественно-энергетический обмен

7. Внутренние взаимосвязи

8. Взаимосвязь геосистемы и среды

9. Развитие геосистем

10. Резонанс процессов

11. Устойчивость

Глава II. Дистанционные исследования геосистем

1. Постановка задачи

2. Космический снимок как модель территории

3. Основные проблемы индикации

4. Принципы дистанционного исследования геосистем

5. Информационные возможности космических снимков

для исследования самоорганизации геосистем

6. Дистанционные исследования геосистем регионов

Глава Ш. Картографирование геосистем

1. Постановка задачи

2. Концептуальная модель классификации и картографирования геосистем

3. Региональное геосистемное картографирование

4. Геосистемное картографирование для решения прикладных задач

5. Картографирование геосистем районов высокой тектонической активности

Глава IV. Геохоры юга Средней Сибири

1. Постановка задачи

2. Своеобразие геосистем юга Средней Сибири

3. Проблемы физико-географического районирования региона

4. Новая схема районирования геосистем юга Средней Сибири

5. Региональные рубежи

6. Буферные зоны

Глава V. Геосистемы юга Средней Сибири и направление их преобразования

1. Постановка задачи

2. История становления геосистем

3. Основные особенности дифференциации геосистем региона

4. Изменение климатических факторов

5. Антропогенная нарушенность геосистем

6. Изменение природной среды под влиянием промышленных центров

7. Процессы самоорганизации геосистем региона

Заключение

Список литературы

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

Самоорганизация геосистем формируется, сохраняется и преобразовывается под воздействием взаимосвязанной системы факторов, которые являются ее движущей силой и определяют характерные особенности в пространстве и времени.

Методология исследований базируется на представлении о самоорганизации геосистем как сложном процессе формирования, сохранения и упорядоченного преобразования целостности за счет внутренних факторов. Сложность процесса заключается в сочетании многих перемен, в том числе прогрессивных и регрессивных изменений, ритмических колебаний, обусловленных переплетением внутренних и внешних стимулов.

Основными факторами, определяющими пространственно-временную самоорганизацию геосистем, являются вещественно-энергетический обмен, внутренние взаимосвязи, развитие (направленность и необратимость), резонанс процессов, устойчивость, взаимосвязь со средой [Коновалова, 2002, 2004, 2007].

Обмен веществом и энергией является важным фактором самоорганизации геосистем, определяя их самостоятельность как естественно-исторического образования. Геосистемы, выше стоящие по иерархическому уровню, за счет потоков вещества и энергии усиливают процессы, свойственные им и подавляют другие, определяя тем самым особенности самоорганизации подсистем. Трансформация их геофизических параметров ведет к энергетической перестройке в подчиненных, что отражается на их взаимосвязях. Если "подчиненные структуры" не придут в соответствие с условиями вышестоящей геосистемы, то, в конечном итоге, они перестают существовать как целостность.

Например, в настоящее время в равнинных и подгорных условиях юга Средней Сибири (выше 800 м) при показателях радиационного индекса сухости порядка 1,0 отмечается функционирование темнохвойно-таежных геосистем. Оптимальное их развитие в регионе происходило в конце позднего плиоцена, а, начиная с раннего голоцена здесь началось формирование светлохвойно-таежных типов геосистем. Очевидно, что их современное существование обусловлено консервированием мерзлотой осенних осадков предшествующего периода и соответственно сбережением ее для сухого периода начала вегетации растительности, когда водоснабжение растений обеспечивается за счет постепенного протаивания мерзлых слоев почвы. Это помогает геосистемам сохранять на определенное время свою "независимость" относительно региональных физико-географических условий.

Понижение иерархического уровня геосистем обусловливает уменьшение площади, занимаемой каждой из них, а вместе с ней - общей суммы эффективной радиации и объема воды. Это приводит к модификации внутренних взаимосвязей геосистемы и характера взаимодействия с внешней средой. Как следствие - усиливаются взаимосвязи и перераспределение вещества и энергии между геосистемами одного уровня иерархии, в результате чего фации зависят от смежных с ними геосистем этого же ранга намного сильнее, чем сопредельные региональные единицы влияют друг на друга.

Для геомеров и геохор условия соподчинения задаются физико-географическими характеристиками, присущими узловым геосистемам. Значения их "управляющих параметров" являются основными при определении тенденций преобразования подчиненных геосистем, амплитуды их изменений. Любые трансформации в функционировании узловых геосистем оказывают воздействие на подчиненные, которые в этом случае либо меняют направление своего развития, либо приходят к состоянию хаоса. При частых изменениях параметров узловых систем в подчиненных теряется возможность формирования нового порядка.

Антропогенная деятельность обычно ускоряет естественный ход процессов самоорганизации, изменяя наиболее быстро геосистемы с наиболее низкими показателями вещественно-энергетического обмена, крайними проявлениями согласованности элементов. В результате значительная антропогенная трансформация геосистем во многом определяется обстоятельствами их самоорганизации. Наиболее наглядны резкие трансформации в геосистемах с жестким и дискретным типом внутренних взаимосвязей (рис. 1).

Примером геосистем с жесткими типами взаимосвязей служат ерниковые и темнохвойно-таежные кедровостланниковые группы фаций, развитые на Лено-Ангарском плато. Так А.Н. Криштофович (1913) отмечал: "Темная тайга с ее толстым моховым покровом держит мерзлоту на малой глубине, этим способствуя заболачиванию плато и вообще большей сырости. Опускание мерзлоты способствует развитию оподзоливающих процессов и осушению местности, и в результате завладения страной бором мы находим тут уже совершенно иные физические условия" (с. 120).

Для восстановления своих взаимосвязей геосистеме требуется больше энергии, чем было до "срыва", при этом энергия в ней накапливается только в виде порядка - увеличения разнообразия элементов и гармонизации их взаимосвязей. Этот процесс совершается под воздействием геосистем более высокого иерархического уровня.

Рис. 1. Типы согласованности частей геосистем. Типы взаимосвязей: 1 - дискретный, в котором элементы и подсистемы слабо взаимосвязаны между собой - экотоны и "молодые" системы; 2 - жесткие - серийные факторальные и "старые" системы; 3 - гармоничная согласованность разнообразных подсистем. А - Д - условные символы обозначения элементов системы. Стрелки - направления связей

Например, в пределах среднетаежных лиственничных с примесью ели ерниковых травяно-моховых групп фаций юга Средней Сибири (пологие склоны северо-восточной экспозиции среднего течения р. Поймыги), развитых на кембрийских песчаниках с близким к поверхности уровнем многолетней мерзлоты с солифлюкционными формами микрорельефа произошли существенные изменения, связанные с пожаром. Почва обогатилась зольными веществами, ее тепловой режим в результате прогревания грунта улучшился, уровень мерзлоты снизился, вследствие чего на их месте возник сосняк достаточной сомкнутости с хорошо развитым травяным покровом. Постепенно температурный режим и мерзлотность почвы приближаются к исходному, в составе древостоя появляется лиственница, возобновляются солифлюкционные процессы, которые воздействуют на регенерацию почвообразовательных процессов. Саморегуляция геосистемы завершается восстановлением структуры исходных среднетаежных лиственничных мерзлотных групп фаций под влиянием вещественно-энергетических потоков, свойственных подгруппе геомов.

Геосистемы, как открытые динамические системы, органически связаны со своим окружением и включены в структуру самоорганизации среды. В этой связи важно понять различия и взаимосвязь между геосистемой и ее средой. Существует множество определений понятий системы и окружающей ее среды. К примеру, "система есть совокупность выделенных из среды элементов, объединенных взаимодействием" [Геодакян, 1970, с. 39]; "среда есть совокупность всех объектов, изменение свойств которых влияет на систему, а также тех объектов, чьи свойства меняются в результате поведения системы" [Холл, Фейджин, 1969, с. 258]. В этих определениях отражается взаимосвязь геосистемы и среды: изменение среды влияет на систему, поведение системы изменяет среду.

Приняв за основу тот факт, что система обладает большей целостностью, чем среда, т.е. "средой гомогенной системы является гетерогенная, в пределах которой она находится" [Сочава, 1978, с. 298], мы признаем, что она активнее среды. Тогда, если геосистема зависит от изменений среды, можно констатировать, что возникло противоречие, и она была выделена не должным образом. В этом случае ее необходимо переопределить, включив в нее элементы, от которых система была ранее зависимой. Однако если исходить из того, что "… средами геосистем разных рангов являются более высокого разряда геосистемы" [Сочава, 1978, с. 298], получается, что среда определяет характер изменчивости системы. В этом случае, пока рассматриваемая система удовлетворяет критериям качества более крупной - среды, она является целостным образованием.

По-видимому, целесообразно рассматривать среду как иную геосистему, которая взаимосвязана с исходной. В этом случае анализируется более сложная система, в которой функционируют взаимосвязанные подсистемы "исходная геосистема + среда". Этот подход представляется более конструктивным, т.к. позволяет исследовать различные аспекты взаимодействия двух систем - среды и геосистемы с позиций методологии самоорганизации геосистем [Коновалова, 2002]. Границы между геосистемами разных рангов и их средой в одних случаях дискретны, в других - постепенны. Тогда целесообразно установление экотона - переходной полосы между геосистемой и ее средой.

Среда, как и геосистема испытывает постоянные изменения. Для обеспечения своего существования в условиях нестационарной среды геосистема должна получать информацию об ее состоянии. Сообщение, получаемое и используемое ею для синтеза решений, делится на два потока: "из прошлого" и "из настоящего". Информация "из прошлого" характеризует факторы, действовавшие на достаточно большом отрезке времени, к которым приспособилась геосистема в процессе своего существования. Она составляет содержание ее "постоянной памяти". Сведения "из настоящего", как правило, характеризуют временно действующие факторы среды. Они определяют содержание "оперативной памяти" геосистемы и могут быть скорректированы новыми воздействиями среды. Последняя, накапливаясь до определенного предела, формирует способность геосистемы перерабатывать информацию, идущую от внешней среды. Очевидно, что это различие выработано природой, чтобы сохранить для геосистемы ценную информацию о прежнем генетическом опыте адаптации (через систему-хранителя, т.е. геомер) при одновременном получении информации о современном опыте (через систему с оперативной памятью, т.е. геохору).

Таким образом, выявление инварианто-групповых композиций посредством трехрядного синтеза географических явлений, в которых пространство и время взаимосвязаны в узловых геосистемах и содержат информацию о прошлом и последующих тенденциях их развития, позволяет установить эволюционные спектры самоорганизации геосистем, пронизывающих пространство регионов.

Основным условием процесса развития является накопление негэнтропии. Если она превышает по величине энтропию, то происходит накопление вещества и энергии в геосистеме. Это обусловливает усиление ее самоорганизации, т.е. увеличение числа ее элементов и гармонизацию внутренних взаимосвязей и, тем самым, появление новых свойств. Происходящие изменения геосистемы отражаются на ее взаимоотношении с внешней средой. Таким образом, сложные переплетения внешних и внутренних взаимоотношений являются базисом изменения самоорганизации геосистемы, усиливающие произошедшие преобразования. Конец одного этапа сменяется началом другого, формирующегося на базе результатов развития предыдущего, что обеспечивает постоянный поступательный характер этого процесса.

К примеру, установлено семь циклов развития процессов аридизации в регионе, каждый из которых оставил свой след в самоорганизации геосистем региона. Одним из результатов этого является дифференциация степных геосистем юга Средней Сибири на два различных типа - североазиатские луговые и центрально-азиатские сухостепные. Начиная с плиоцена, на юге региона развивалась целостная система луговых степей и травяных светлохвойных, преимущественно сосновых групп фаций. Их экологические оптимумы довольно близки и различаются только увлажнением, которое в настоящее время благоприятно для развития степных типов геосистем.

Напротив, в юго-восточной части региона в замкнутых понижениям подгорных местоположений с олигоцена сохраняются сухостепные группы фаций центрально-азиатского типа с реликтовыми элементами древней средиземноморской флоры. Они древнее тайги. Им свойственна опустыненность, характерная для степей Забайкалья, чему способствуют особые метеоэнергетические условия, создающиеся в замкнутых понижениях подгорных местоположений. Здесь отмечается развитие солончаков, обусловленное как характером геологического строения местности и гидротермическим режимом почв, глубоко промерзающих во время малоснежной зимы, так и климатическими условиями с малым количеством осадков и преобладанием испаряемости над поступлением влаги. Для этих степей характерно незначительное количество составляющих элементов и жесткие взаимосвязи между ними, когда трансформация одного из них может привести к изменению процессов самоорганизации. Все это, в конечном итоге, определяет развитие в этих геосистемах процессов опустынивания.

Резонанс процессов. Сохранение и изменение самоорганизации геосистем зависит от согласованности процессов, изменения которых совершаются в определенном интервале максимальных и минимальных значений (степени свободы), определяемых физико-географическими условиями узловых геосистем. Переработка геосистемой энергии и вещества в неравновесных условиях адаптации к воздействиям внешних и внутренних источников возмущения носит колебательный характер. Взаимодействие колебаний может достигать критических значений степеней свободы (рис. 2).

Для юга Средней Сибири, расположенного во внутриконтинентальном секторе внетропического пояса, основные динамические проявления обусловлены распределением тепла и влаги. Наиболее опасно совпадение периодов усиления процессов аридизации с однонаправленным эффектом антропогенного воздействия.

Рис. 2. Иллюстрация возможностей качественных изменений системы

Так, в течение последних столетий на юге Средней Сибири в результате пожаров и в целом антропогенного воздействия значительно усилилось господство светлохвойных и мелколиственных типов леса. Встречаются участки, где экологические условия видоизменились настолько, что мелколиственные, кустарниковые и травяные типы геосистем переходят в разряд устойчиво-длительно-производных. Такая динамичность определяется в значительной мере региональным своеобразием гидротермического режима геосистем, в том числе свойственных ему периодов засушливости воздуха, делающих тайгу огнеопасной в районах хозяйственного освоения.

Наряду с продолжительными по времени внешними воздействиями на геосистему наблюдаются и серии многократно повторяющихся с относительно малым промежутком времени между ними. Они переводят геосистему из одного состояния в другое, сохраняя при этом ее основные внутренние взаимосвязи. В результате самоорганизация геосистемы "остается постоянной, но в противоположность обычному равновесию это постоянство сохраняется в процессе непрерывного обмена и движения составляющего его вещества" - так называемого текущего равновесия [Берталанфи, 1969, c. 41]. Многообразие таких состояний не противоречит сохранению инварианта, т.к. их модификация происходит в пределах допустимого диапазона. "Таким образом, приходится признать, что, несмотря на небольшую долговечность, эти серийные геомеры как тип геомеров имеют значительный возраст…" [Сочава, 1978, с. 108]. Это способ сохранения основного генетического качества геосистемы, достигнутого на данном этапе истории географической оболочки, который отличен от коренного типа разнообразием своих переменных состояний.

В свою очередь, устойчивость коренного типа геосистем поддерживается за счет многообразия составляющих подсистем и элементов, уменьшающегося с размерностью геосистем. Фация в один и тот же момент времени может вместить наименьшее число компонентов, необходимых для независимого функционирования геосистемы. Это значительно ослабляет ее автономность к среде по сравнению с геосистемами других уровней. Очевидно, что при этом серийные геосистемы топологической размерности будут отличаться большей стабильностью, получая при этом дополнительный приток вещества и энергии. Например, в флювиально-субгидроморфных местоположениях Верхнеего Приангарья темнохвойно-таежные геосистемы за счет дополнительной проточной влаги функционируют в более благоприятных экологических условиях, по сравнению с остальными таежными типами. Она способствует быстрому появлению мощных зарослей влаголюбивого крупнотравья, кустарников и усиливает гумусонакопление в почве. Дополнительное увлажнение почвы увеличивает скорость роста и продуктивность древостоев. В свою очередь, коренные фации таежных и подтаежных типов геосистем региона наиболее чувствительны к изменениям климата [Коновалова, 2008].

Самоорганизация геосистемы эволюционирует, неизбежно изменяя себя, но при этом для нее характерно поддержание достигнутого уровня в пределах определенного времени за счет устойчивости. Устойчивость геосистем регионального уровня иерархии [Коновалова, 2001]- качественная категория, инвариантная современному состоянию природной среды региона, которая проявляется в системной совокупности свойств, отражающих их внутреннюю целостность и отношения с внешней средой. Основными критериями ее оценки являются: своеобразие, разнообразие, характер внутренних взаимосвязей, видоизменения, возраст геосистем. Согласно им геосистемы юга Средней Сибири дифференцируются на 5 категорий (рис. 3).

Очень высокая категория устойчивости - горно-таежные кедровые с елью, лиственницей и сосной геосистемы, развитые на возвышенных участках Енисейского, Ковинского, Ангарского кряжей, Ленно-Ангарского плато, лугово-степные северо - азиатские.

Высокая - южно-сибирские таежные сосновые и сосново-лиственничные возвышенно-равнинные геосистемы.

Средняя - горно-таежные светлохвойные, преимущественно лиственничные с елью и кедром высокого сводообразного Лено-Ангарского плато.

Категории устойчивости: очень высокая; высокая;

средняя; низкая; очень низкая

Рис. 3. Устойчивость геосистем юга Средней Сибири

Низкая - средне-таежные лиственничные с кедром и елью плоских низких междуречий, геосистемы буферных зон, светлохвойные травяные подтаежные. Очень низкая категория устойчивости - подгорно-долинные гидроаккумулятивные геосистемы, сухо-степные центрально-азиатского типа, светлохвойно-еловые редкостойные ерниковые геосистемы речных долин и макропонижений с широким развитием мерзлотных процессов и заболачивания в пределах южнотаежных и среднетаежных геосистем.

2. Исследование пространственно-временной самоорганизации геосистем по данным дистанционного зондирования Земли из космоса - логическая операция, посредством которой синтезируются требования к получению нужного блока информации из набора материалов многочисленных съемок Земли из космоса.

Основное содержание блока дистанционных исследований геосистем составляет представление о космическом снимке (КС) как о наиболее универсальной форме регистрации излучения, несущего географическую информацию об исследуемых объектах. При этом основной методологический принцип дистанционных исследований сводится к замещению выявленных по КС объектов природы обобщенным представлением о пространственно-временной самоорганизации геосистем регионов. Это логическая операция, посредством которой объекты, обнаруженные в процессе дешифрирования, включаются в систему соответствующих теоретических представлений [Коновалова, 2002; Снытко, Коновалова, 2005]. Достоверность дистанционных исследований самоорганизации геосистем зависит от учета следующих факторов: 1) КС фиксирует в определенном пространстве и времени фотогеничную часть объектов, специфичную для их состояния и определенных условий съемки; комбинации структур космического изображения помогают создать образ явления как целого, по которому можно устанавливать его сущность и оценивать свойства целостности геосистем; 2) место и время съемок определяют наличие объектов и особенности их отображения на КС; 3) изображение, отражающее некоторый класс объектов, чаще всего встречается в определенном пространственном сочетании с другими. Контура их локализации служат индикатором вероятности нахождения данного типа объектов в конкретной тональной и текстурной части изображения КС; 4) принадлежность объекта к территориальной единице большей размерности определяется посредством дешифрирования традиционными методами по прямым дешифровочным признакам разномасштабных КС; 5) мелкомасштабные съемки позволяют интерпретировать региональную самоорганизацию геосистем и подразделять территорию по фотографически однородным областям снимка, которые затем исследуются при помощи КС более крупного масштаба. При этом можно предполагать одинаковую индикационную значимость прямых признаков изображения. В этом случае реализуется свойство "сквозной системности" - аксиоме о функциональном подобии и единстве пространственных связей; 6) получение дифференциальных характеристик земной поверхности основывается на избирательности многозональных диапазонов КС. Выбор спектральных диапазонов снимков при изучении самоорганизации геосистем обусловлен физическими аспектами дистанционного зондирования Земли - усилением спектральной яркости объектов в определенных зонах электромагнитного спектра.

Исследование самоорганизации геосистем базируется на рассмотрении факторов, объединенных в четыре блока [Коновалова, Трофимова, 2008] (рис. 4).

Рис. 4. Принципы систематизации данных космических съемок Земли для исследования самоорганизации геосистем

Первый блок соединяет в себе характеристики вещественно-энергетического обмена и взаимосвязей элементов и геосистем, которые проявляются в ряде подблоков. Так иерархичность обусловливает порядок самоорганизации геосистем на основе макрогеографических закономерностей, предполагая рассмотрение геосистемы как подсистемы большей. Принадлежность объекта к территориальной единице большей размерности определяется на основе дешифрирования разномасштабных КС посредством их соотнесения к текстуре объекта вышестоящей таксономической категории. Для разделения уровней генерализации применяются таксономические категории исследуемых геосистем.

КС через характерные текстуры изображения воспроизводит типичные пространственные закономерности дифференциации геосистем в их естественных и переходных модификациях. На нем хорошо выявляются изменения природных режимов в зависимости от условий местообитаний. Процесс исследования осуществляется на основе анализа систем дешифровочных признаков: яркостных, геометрических, текстурных и косвенных. Спектральный и временной диапазон космических съемок выступает критерием дифференциации качественно различных объектов, а анализ текстуры изображения КС дает возможность выявлять определенную базу данных, которая затем переводится в теоретический блок знаний. При ее анализе появляется возможность исследования сложности геосистемы, которая оценивается по числу составляющих элементов и характеру взаимосвязей. Это, в свою очередь, служит косвенным фактором оценки объема вещества и энергии, поступающего в геосистему.

Поскольку на формирование тональных характеристик изображения КС оказывают влияние физические и биохимические особенности функционирования геосистем, то при анализе изображения косвенным образом можно судить об их мобильной части, выступающей преимущественно в виде климата, стока, денудационных и аккумулятивных процессов. На основе анализа спектральных диапазонов КС, а также геометрической структуры появляется возможность синтеза разнообразных явлений, выявления характера взаимосвязей составляющих геосистем и закономерностей их пространственной модификации. При этом близость текстурных признаков изображения объектов индицирует их общегеографические связи в рамках исследуемого региона (рис. 5).

Рис. 5. Геосистемы Приангарья

Инерционность геосистемы оценивается как опосредованно, с учетом ранее изложенных подходов, так и на основе анализа разновременных КС в разных диапазонах спектра. По сути, речь идет о мониторинге состояния геосистем, как правило, топологического и низких подразделений регионального уровней размерности, поскольку именно они наиболее быстро реагируют на воздействие.

Следующий блок, сопряженный с изучением синергетических эффектов, является аналитическим в системе дистанционных исследований. Основной принцип их изучения опирается на выявление переменных состояний геосистем и соотнесение их с теоретической конструкцией и практическими знаниями о физико-географических особенностях региона. На КС распознаются особенности функционирования геосистем, существенно изменяющие их оптические свойства. Тип функционирования удовлетворительно выделяется на одиночных снимках. Для изучения самого процесса и обнаружения серий возмущений требуется периодическая съемка, причем параметры КС выбираются в зависимости от особенностей исследуемых явлений. Динамические изменения прошедшего периода, поэтапно запечатленные в физиономических чертах объектов, отображенных на КС, позволяют выявить амплитуду свойств и установить "степени свободы".

Геосистема рассматривается как диахронное целое, в связи с чем, важное значение имеет определение времени проявления ее структуры на фоне динамических состояний составляющих ее подразделений. Состояния геосистем, поэтапно запечатленные в физиономических чертах объектов, зафиксированы на КС. Изучение пространственных структур и составляющих геосистем, находящихся на разных ритмических, динамических и эволюционных стадиях возможно как при сравнении определенных моментальных КС функционирования однотипных геосистем, так и отражающих особенности различных пространственно-временных вариантов с последовательностью моментов, связанных с их генетической памятью. На современном этапе космические методы дают наибольшую информацию при изучении ритмики и значительную - для прослеживания динамики. Возможность исследования эволюционных преобразований системы появляется при использовании теоретических знаний об общих закономерностях развития геосистем наряду с анализом значительной по площади территории, отображаемой на КС.

Следующий блок - направленность развития - синтезирует информацию, полученную при помощи предыдущих. Он требует последовательного выявления с учетом разрешающей способности КС структурной целостности геосистем, индикации признаков составляющих его подсистем в различных спектральных диапазонах, их соответствия региональным особенностям среды. С помощью такого анализа могут быть отражены разнообразные типы геосистемных взаимосвязей, воздействующих на механизмы проявления классического или бифуркационного механизмов развития.

3. Карты, построенные на основе отображения взаимосвязанной системы факторов самоорганизации и пространственно-временных закономерностей размещения геосистем, полученных при помощи космических снимков, дают возможность многовариантного решения прогнозных задач.

Для физической географии карта является средством создания обоснованных представлений о пространственно-временных закономерностях, действующих в ландшафтной сфере. Выявлять их непосредственно на местности не всегда возможно, т.к. они осложняются различными побочными проявлениями. Картографирование геосистем имеет большие перспективы, поскольку предоставляет возможность обнаружения ранее неизвестных связей и зависимостей, действующих в природе [Сочава, 1972]. Методика современного картографирования геосистем реализуется в интегральном упорядочении географической информации, представленной картографически и логически в легенде карты (рис. 6).

Рис. 6. Последовательность картографирования геосистем

Она основывается на теоретическом и методическом базисе понимания системного качества природных объектов как особых целостностей разного ранга, выраженных в разнообразных внутренних и внешних взаимосвязях геосистем, которые не сводятся к сумме свойств составляющих их элементов и подсистем. В отображении целостных географических объектов, направлении их преобразования представляется новый этап картографирования геосистем и практического использования его результатов.

Анализ полевых материалов, а также опубликованных данных стационарных исследований [Крауклис, 1979], свидетельствуют о том, что взаимообусловленность между компонентами геосистем любых таксономических уровней наблюдается лишь как более или менее выраженная тенденция. Соответственно и площадь, занимаемая однотипными выделами, является неоднородной по признакам ведущих компонентов. Это объясняется тем, что в каждой геосистеме постоянно происходит изменение взаимосвязей, а также замена или восстановление ее элементов.

Для картографирования самоорганизации геосистемы необходимо показать ее составные части, характер их взаимосвязей, вариабельность свойств. Кроме того, возможные аспекты упорядочения информации рассматриваются с точки зрения показа временных преобразований геосистем, связанных с реализацией представления о направленной внутренней перестройке самоорганизации геосистемы, обусловленной процессом ее развития.

При картографировании самоорганизации геосистем основное значение придается анализу их целостности. Иерархичность предполагает рассмотрение каждой геосистемы как подсистемы более крупной, которая, в свою очередь, определяет особенности ее составляющих. Потоки энергии и вещества определяют особенности самоорганизации геосистем, поэтому служат исходным фактором картографирования. В результате общие критерии теплообеспеченности и увлажнения положены в основу выделения классов и подклассов геомов соответственно.

Например, аридный азиатский класс и центрально-азиатский внутриконтинентальный сухостепной подкласс геомов. На следующей таксономической ступени учитывается гипсометрический фактор, который привносит коррективы в соотношения широтного распределения тепла и влаги, например, Южно-Сибирская горно - таежная группа геомов. Вслед за этим в легенде карты задаются характеристики равнинных и горных типов геосистем. К примеру, лиственнично-таежная ограниченного развития или подгорная низко-равнинная лугово-степная подгруппа геомов (карты: "Ландшафты Иркутской области", м-б: 1:1500000; Ландшафты Верхнего Приангарья, м-б: 1: 500000). На более низких ступенях классификации - геом - в качестве определяющего критерия выступает фундамент геосистемы - его геологический состав, формы рельефа, особенности почв и растительного покрова, например, подтажные светлохвойные высоких песчаных увалов озерно-речной аккумуляции на средне- и верхнечетвертичных отложениях (карта геосистем дельты Селенги, 2002, м-б: 1:100 000).

Укрупнение масштабов карт подразумевает сочетание регионального и топологического уровней проработки. При крупномасштабном картографировании целесообразно отображать факторально-динамические ряды [Крауклис, 1969], показанные для Приангарского таежного стационара. К примеру, сублитоморфный ряд - сокращение мощности почвы и усиленное вовлечение в геосистему первичного минерального субстрата; субгидроморфный - превращение сухопутных фаций в коллекторы влаги в системе естественного дренажа; субкриоморфный - снижение количества тепла, появление горизонта длительно действующей мерзлоты; субстагнозный - углубление застаивания вещества, подтягивание к геосистеме ґрунтовых вод, замещение почвы отмершей органикой; субпсаммофитный - нарастание физико-химической пассивности, механической рыхлости, биолого-экологической опустошенности почвы. Однако комбинации этих признаков выступают лишь как тенденция, поскольку отмечаются модификации их проявления.

Нами впервые, при картографировании геосистем дельты р. Селенги, применен названный выше опыт стационарных ландшафтных исследований таежных геосистем, который получил развитие за счет анализа разнообразных вариантов преобразования групп фаций. При этом спектр исследуемых геосистем включал практически все типы, характерные для южной Сибири.

Переменные состояния геосистемы обладают определенной формой упорядоченности, которая отображает целостность системы и характер ее взаимодействия со средой. В связи с этим на региональном уровне картографирования самоорганизации геосистем отражаются узловые геосистемы как инвариантный аспект, который предполагает наличие множества переменных состояний геосистем. Принадлежность тех или иных классификационных категорий к одной узловой системе указывает на единство их развития.

В концептуальную модель карт ("Ландшафты Иркутской области"; "Ландшафты Верхнего Приангарья") заложены новые представления о динамических особенностях геосистем, в частности, серийных, отнесенных к разряду устойчивых. Кроме того, в их легенды введены такие динамические категории как мнимокоренные экстраобластные малоустойчивые; серийные факторальные наименее устойчивые. При этом динамические категории групп фаций, индексы которых даны в легенде, предоставляют возможность выявления характера взаимосвязей элементов геосистемы. Так, если в составе геомов преобладает незначительное число составляющих подразделений, а их динамические категории характеризуются индексами серийных факторальных, либо мнимокоренных экстраобластных, то это означает наличие жестких и дискретных внутрисистемных взаимосвязей соответственно.

Составной частью картографирования самоорганизации геосистем служит оценка соответствия составляющих подразделений характеру узловых систем, которая показывает вероятность перехода элемента в соседний таксономический тип или возникшие внутрисистемные противоречия.

Например, в рамках Центрально-Азиатского внутриконтинентального класса геомов, представленного в дельте Селенги, наметились существенные противоречия, обусловленные современными тектоническими движениями земной коры. В пределах этого класса развиваются наряду с подгорно-долинными сухостепными также и дельтовые, и долинные болотные геомы. Группы фаций обоих геомов характеризуются наличием жестких взаимосвязей (доминирование серийных факторальных категорий), что свидетельствует о сложившихся тенденциях трансформации этих систем.

Предположительный порядок смены одного состояния другим показан в легенде карты через взаимосвязанный набор составляющих элементов, например, через изменение групп фаций в порядке возрастания гидроморфности местоположений от осоково-хвощевых травяных болот (№1 легенды) до ивняков злаково-разнотравных и сообществ из яблони Палласа (№16). Изменение характера увлажнения в ту или иную сторону приведет к тому, что группы фаций примут облик соседнего таксономического типа. Крайние в этом ряду геосистемы обладают способностью модификации структуры в направлении соответствия смежных с ними одноранговых таксономических категорий. В этом анализе проявляется косвенная возможность оценки влияния согласованности процессов на трансформацию структуры геосистем региона.

К примеру, если произойдет синхронизация циклов повышения засушливости и подъема температуры воздуха, то в ряде геосистем дельты Селенги могут произойти необратимые изменения, прежде всего в пределах подтаежного светлохвойного геома высоких террас и подгорных шлейфов (В _1-I_1.), особенно в его наиболее аридных вариантах боровых сосновых лишайниковых (№45) и пологосклоновых сосновых низкотравных (№46) группах фаций (рис. 7).

...