Тема 4. Воздействие человека на природные системы

План

1. Сущность воздействия человека на природные системы.

2. Антропогенные нагрузки, их измерение и картографирование

3. Антропогенные изменения природных систем

4. Природно-антропогенные системы и их классификация

Используя природные ресурсы, человек оказывает на окружающую природу различные по силе и характеру воздействия. В результате этих воздействий происходят разного рода изменения, возникающие как в отдельных компонентах природы, так и в природных комплексах (системах) в целом. Измененные природные комплексы и их компоненты, в свою очередь, влияют на самого человека и его деятельность, что влечет за собой ряд часто нежелательных последствий. В связи с этим особое значение приобретает анализ цепочки: антропогенное воздействие на природные системы — изменения свойств и функций систем — последствия для жизни и деятельности населения. Лишь выявив конечное звено этой цепочки, можно достаточно полно оценить вмешательство человека в окружающую природную среду.

1. Сущность воздействия человека на природные системы.

Воздействие человека - это все виды его деятельности и созданных им объектов, вызывающие те или иные изменения в природных системах. Оно включает действие технических средств, инженерных сооружений, технологии (т.е. способов) производства, характера использования территории и акватории.

Воздействие человека может быть преднамеренным и непреднамеренным. В первом случае оно рассматривается как целенаправленное и сознательное действие, которое осуществляется в процессе материального производства, с тем чтобы удовлетворить определенные потребности общества (например, строительство ГЭС для нужд энергетики, сооружение водохранилища для водоснабжения и ирригации, вырубка леса для получения древесины, обустройство рекреационных объектов и т.п.). Преднамеренные воздействия — это предмет экономики, они заранее планируются и финансируются.

Непреднамеренное воздействие представляет собой побочный эффект преднамеренного. Так, сооружение водохранилища нередко ведет к повышению уровня грунтовых вод и подтоплению, абразии берегов, ухудшению качества воды и к другим «незапланированным» последствиям. Побочные эффекты не всегда проявляются сразу, нередко носят негативный характер, поэтому их изучение и анализ — одна из важнейших задач географии и экологии.

Антропогенные воздействия классифицируют по разным признакам.

По характеру проявления в пространстве их разделяют на точечные (влияние отдельных предприятий, городов), линейные (влияние коммуникаций) и площадные (использование возобновимых ресурсов на больших территориях).

По масштабам ареалов проявления изменений среды выделяют локальные, региональные и глобальные воздействия.

По происхождению воздействия могут быть разделены на механические (например, разрушение горных пород при добыче полезных ископаемых), физические (выделение тепловой энергии в природную среду), химические (выброс химических веществ в атмосферу и водоемы), биологические (интенсивное размножение вредителей в связи с недостаточной очисткой лесосек и захламлением лесов).

Как известно, воздействие человека на природные системы осуществляется с помощью технических средств, которые могут быть стационарными, не меняющими своего положения, и нестационарными, подвижными. К стационарным средствам относят инженерные сооружения — любые длительно сохраняющиеся на местности объекты, созданные человеком из искусственных или естественных материалов (промышленные предприятия, населенные пункты, плотины, каналы и др.). Их действие обычно локализовано в пространстве и в большинстве случаев длится непрерывно. В результате время существования инженерных сооружений и время их влияния на природу чаще всего совпадает.

Действие же нестационарной техники (сельскохозяйственных орудий, строительных машин и др.) кратковременно. Оно может периодически повторяться (как, например, пахота), но не является непрерывным. Однако изменения в природе, вызванные этой техникой, нередко сохраняются многие годы.

Характер воздействия различных технических средств (систем) на природу неодинаков. Исходя из этого, Д.Л.Арманд (1975) разделил их на производственные (без функции управления природными процессами), нейтральные и управляющие природой (рис. 3). Производственные системы объединяют добывающие и перерабатывающие предприятия.

Технические системы

Рис. 3. Классификация технических систем

К добывающим относятся горнопромышленные, лесохозяйственные, сельскохозяйственные и другие подобные объекты. Их воздействие на природу состоит, во-первых, в изъятии из нее веществ и энергии, во-вторых, в засорении среды отходами производства.

Перерабатывающие предприятия влияют на природу в основном вторым путем.

Системы, управляющие природными процессами, включают неподвижные и регулирующие объекты.

ü Неподвижные системы (лесные полосы, противоселевые сооружения, ограды и др.) преднамеренно ускоряют, замедляют или останавливают потоки воды, воздуха, снега, твердых частиц, животных.

ü Регулирующие системы с помощью подвижных устройств позволяют усиливать или ослаблять потоки (плотины, затворы на каналах, рыбоподъемники и др.), осуществлять направленное изменение природных комплексов.

К нейтральным сооружениям относятся здания, дороги, мосты, нефтепроводы и другие подобные объекты. Они не рассчитаны на изъятие веществ и энергии, не имеют отходов, но самим своим присутствием могут служить помехой движению воды, воздуха или миграции животных.

Исходя из особенностей взаимодействия техники с окружающей средой, выделяют производящие и обслуживающие технические системы (А. Ю.Ретеюм и др., 1972).

1.Производящие системы служат для извлечения вещества и энергии из среды и переработки их в необходимую для человека продукцию.

2. Обслуживающие системы разделяют на активные, предназначенные для изменения физико-географических условий, и пассивные. Для природопользования наибольший интерес представляют активные системы, так как они, с одной стороны, вызывают целенаправленные сдвиги в природной среде, а с другой — препятствуют неблагоприятным изменениям, связанным с влиянием добывающей и обрабатывающей техники.

А.Г.Исаченко (2001) выделил два главных типа антропогенных воздействий на природную среду.

К первому типу он относит воздействия, связанные с видами хозяйственной деятельности, направленными главным образом на использование почвенно-биологического потенциала ландшафтов. Эксплуатация биологического потенциала ландшафтов (изъятие биоты) велась на больших площадях, особенно на исторически первоначальных стадиях экстенсивного их освоения (собирательство, охотничий промысел, пастбищное животноводство). С развитием земледелия усилилась интенсификация хозяйства, а в связи с ростом населения и его потребностей требовалось дальнейшее расширение пахотных земель. Хозяйственные воздействия первого типа, ярко проявившиеся в господствующем «фоновом» характере использования почв и биотических компонентов, приобрели макрорегиональный, «фоновый» уровень и охватили обширные пространства зонального масштаба. Территориальное распространение воздействий этого типа и соответствующих им типов использования земель (угодий) подчинено географическим закономерностям. Для территории России основными фоновыми типами земель (угодий), имеющими зональное значение, являются леса (46 % всей площади), оленьи пастбища (около 19 %) и сельскохозяйственные угодья (13 %), в том числе пашня (около 8 %).

Второй тип антропогенного воздействия на природную среду, по А.Г.Исаченко (2001), связан с вторичными (перерабатывающими) производствами и урбанизацией. Хронологически в масштабах истории человечества эта форма воздействия (условно ее можно назвать индустриальной или техногенной) возникла сравнительно недавно. Ее ощутимые следы в ландшафтах стали проявляться лишь в начале XX столетия. С развитием индустрии и урбанизации связаны специфические типы использования земель. Территория занимается под объекты, не имеющие аналогов в природном ландшафте, — населенные пункты с промышленными предприятиями и жилыми кварталами, дороги, трубопроводы и другие инженерные сооружения. Распространение угодий этого типа имеет очаговый характер, и по занимаемой площади (0,8 % от всей территории страны) они не идут ни в какое сравнение с фоновыми типами использования земель. Однако по интенсивности воздействия на ландшафты и на экологическую обстановку второй тип влияния значительно превосходит доиндустриальные формы воздействия на природную среду и является качественно иным.

Важнейшая качественная особенность воздействия индустрии и урбанизации на природную среду состоит в том, что главным фактором оказываются производственные и коммунально-бытовые отходы, а основной механизм влияния — ландшафтно-геохимический. Данный механизм приводит в действие систему техногенной миграции химических элементов, затрагивающую практически все компоненты ландшафта. В системе техногенных химических потоков особая роль принадлежит наиболее подвижной среде — атмосфере, обеспечивающей перенос загрязняющих веществ на дальние расстояния и в конечном счете на всю географическую оболочку (биосферу). Следует отметить, что в настоящее время индустриальные методы воздействия на природу интенсивно проникают в традиционные формы хозяйственной деятельности, в том числе в сельское и лесное хозяйство, в определенной степени сглаживая контрасты между двумя главными типами влияния.

Таким образом, в самом общем плане физическую сущность антропогенного воздействия на природные системы можно определить как:

а) изъятие вещества и энергии из окружающей среды;

б) привнесение в природу различных отходов производства и других веществ (например, ядохимикатов);

в) трансформацию компонентов и процессов в природных системах (а в конечном итоге и структуры систем);

г) привнесение в природу чуждых для нее технических и техногенных объектов (Геоэкологические основы.., 1989).

2. Антропогенные нагрузки, их измерение и картографирование.

Для изучения антропогенного воздействия на природную среду необходимы его количественная оценка и выявление закономерностей распределения в пространстве. Количественная мера воздействия человека на природные системы в форме изъятия, привнесения или перемещения вещества и энергии получила название антропогенной нагрузки.

Нагрузка может быть целенаправленной — для поддержания функционирования ландшафта в заданном режиме (распашка, полив, внесение удобрений, сооружение инженерных объектов и др.) или побочной — в виде загрязнения среды, проявления неблагоприятных процессов (например, вторичного засоления), разрушения структуры природных комплексов и т.п.

Целесообразно различать нагрузку на чисто природные и уже измененные человеком комплексы (В.С.Преображенский и др., 1988).

Для первых любое воздействие является нагрузкой,

для измененных комплексов (ландшафтов) нагрузкой следует считать новое воздействие сверх испытанного ранее (например, прокладка дорог в сельскохозяйственном ландшафте, использование сельскохозяйственного ландшафта в целях рекреации и т.п.).

Для определения величины нагрузки используют показатели, характеризующие основные виды антропогенного воздействия на ландшафты и их ресурсы: ресурсоемкость, землеемкость, отходность производства.

Ресурсоемкость — это показатель, отражающий размеры изымаемого из природы вещества (минерального, органического, воды, воздуха) и энергии.

Землеемкость рассматривают как показатель, определяющий размеры территории, нарушаемой или используемой человеком при том или ином виде деятельности: а) как пространственную основу развития производства и расселения людей, что условно можно определить как «местоемкость»; б) как источник возобновимых биологических ресурсов (единственный компонент природы, обладающий плодородием), что связано с превращением естественных территорий в угодья сельского, лесного и промыслового хозяйства.

Отходность — показатель, отражающий размеры поступающих в природу отходов производства и потребления в виде веществ (твердых, жидких, газообразных) и энергии.

Важное значение имеет определение нормы нагрузки на ландшафты и экосистемы, т.е. величины антропогенного воздействия, не приводящего к нарушению наиболее важных социально-экономических функций и механизмов самовосстановления этих комплексов. Критической или предельно допустимой нагрузкой (ПДН) считается та, выше которой разрушается структура природной системы и нарушаются ее функции.

Величины нагрузок и характер антропогенных воздействий на ландшафты и экосистемы тесно связаны с видами природопользования: промышленным, сельскохозяйственным, лесохозяйственным, рекреационным и др.

Глубокое и разностороннее воздействие на природные системы оказывает горнодобывающая промышленность. В мире ежегодно из недр земли изымается около 300 млрд. т горных пород, что ведет к образованию различных по величине выемок (в том числе открытых карьеров), техногенных просадок, форм техногенной аккумуляции (терриконы, отвалы и др.). На каждую добытую 1000 т пород разрушаются экосистемы на площади 30 м2

Мощным фактором воздействия на природную среду выступают энергетика и разные отрасли перерабатывающей промышленности.

В Российской Федерации промышленность потребляет 30 % забираемой из водоисточников воды, сбрасывает в реки и озера более 50 % объема сточных вод, выбрасывает в атмосферу около 60 % всех загрязняющих веществ.

Наиболее крупные загрязнители — предприятия теплоэнергетики, черной и цветной металлургии, нефтехимии и производство строительных материалов.

Строительное воздействие на ландшафты сопровождается срезанием положительных и засыпкой отрицательных форм микро- и мезорельефа, намывом грунтов, полным разрушением почвенного и растительного покровов.

В настоящее время в развитых странах застроенные территории занимают очень значительные площади. В Нидерландах они составляют 31 % общей площади, в Германии и Франции — 13, в Австрии и США — 11, в России (с учетом горных выработок) — 6,5 % (Экологические проблемы.., 1997).

Водохозяйственное воздействие на природные системы проявляется в формировании новых, ранее отсутствовавших водных объектов (водохранилища, каналы, выпрямленные русла рек и др.), заборе воды (часть которой не возвращается), изменении гидролого-гидрохимического режима водоемов, в преобразовании ландшафтной структуры прилегающих к ним территорий.

Влияние сельского хозяйства на ландшафты и экосистемы состоит в изъятии биомассы растений и отчуждении питательных веществ вместе с собранным урожаем, в привнесении в почву химических соединений (в виде удобрений, ядохимикатов и др.), в перераспределении веществ (при пахоте и мелиорациях), в изменении фитоценозов и уплотнении почвы (при выпасе скота). В целом сельское хозяйство выступает как наиболее мощный фактор нарушения естественных экосистем в пространстве, так как в настоящее время сельскохозяйственные угодья занимают 35 % всей территории суши.

Лесохозяйственные воздействия на ландшафты можно разделить на эксплуатационные (изъятие наземной биомассы), подготовительные и мероприятия по уходу за лесом. Наибольшее влияние оказывают сплошные рубки, которые ведут к изменению структуры и видового состава фитоценозов, свойств почв, уровня и режима грунтовых вод, поверхностного стока, микроклимата, биогеоценоза в целом.

Рекреационное воздействие на ландшафты выражается в дигрессии растительности, уплотнении почвенного покрова, проведении различных мероприятий по усилению пейзажной выразительности природных объектов. Для определения рекреационной нагрузки чаще всего используют показатели, характеризующие количество отдыхающих, которое приходится на единицу площади за определенный промежуток времени.

Рассмотренные виды антропогенного воздействия нередко сочетаются и даже накладываются друг на друга в пределах одной ландшафтной системы (например, в урбанизированных ландшафтах совмещаются селитебные, промышленные, строительные, дорожные воздействия).

В территориальном аспекте отдельные виды воздействий или их сочетание могут изучаться на трех уровнях размерности (Оценка влияния.., 1985):

а) элементарном (отдельное промышленное или сельскохозяйственное предприятие — завод, рудник, электростанция, животноводческий комплекс и др.);

б) локальном (сочетания промышленных предприятий, городские и крупные сельские поселения, транспортные магистрали или их значительные по величине участки, многоотраслевые сельскохозяйственные предприятия);

в) региональном (территориальные группы населенных пунктов, промышленные или сельскохозяйственные районы, крупные транспортные системы и другие подобные образования).

Наибольший практический интерес вызывает изучение локальных и региональных систем, поскольку именно на этом уровне возникают самые острые проблемы взаимодействия человека с окружающей природной средой.

Одним из важных методов изучения пространственных закономерностей распределения антропогенной нагрузки выступает картографический метод. Его использование предполагает обоснование и выбор репрезентативных показателей воздействия на природу. По мнению А. Г. Исаченко (2001), в качестве интегрального показателя антропогенной нагрузки на ландшафты регионального уровня может быть принята плотность населения. Признавая условность этой характеристики, он отмечает, что с изменением плотности населения, как правило, согласуется уровень хозяйственной освоенности территории, интенсивность хозяйственной деятельности и различных форм антропогенного воздействия на ландшафты.

Увеличение населенности влечет за собой рост потребления различных природных ресурсов (например, водных, рекреационных), рост автомобильного парка, количества коммунально-бытовых отходов, не говоря уже об отходах производств, в которых занята активная часть населения.

Показатель плотности должен быть дополнен рядом других характеристик, позволяющих уточнить и конкретизировать оценку антропогенных нагрузок.

Эмпирически было установлено, что наиболее репрезентативным региональным показателем фоновой сельскохозяйственной нагрузки на ландшафты служит распаханность территории. В ряде случаев в качестве дополнительного (или вспомогательного) индикатора целесообразно использовать плотность сельского населения.

3. Антропогенные изменения природных систем.

Под воздействием человека происходит изменение состава, состояния, структуры, хода естественных процессов и функций природных систем. Начальное воздействие на тот или иной компонент природы по цепи вертикальных связей передается на другие компоненты, а по каналам горизонтальных связей — на другие гео-и экосистемы. Анализ «цепных» реакций позволяет выявить направление, глубину, скорости и пространственные масштабы перестройки, происходящей в природных системах в результате вмешательства человека. По данным наблюдений, наиболее существенные изменения, связанные с антропогенным воздействием на геосистемы, отмечаются в перемещении литогенного материала, местном влаго-обороте, биологическом и геохимическом круговоротах, в тепловом балансе (А. Г. Исаченко, 1980).

При добыче полезных ископаемых и земляных работах резко активизируются процессы перемещения литогенного материала (как в твердом, так и в жидком состоянии). В результате образуются техногенные формы мезорельефа — терриконы, отвалы пустой породы, выемки, карьеры, которые, в свою очередь, стимулируют вторичные гравитационные процессы.

Терриконы и карьеры дают начало обвалам, осыпям и оползням, подвергаются размыву и развеиванию. Пустоты, образовавшиеся при подземных выработках, часто вызывают проседания и провалы глубиной в десятки метров.

Еще более интенсивные процессы гравитационного перемещения твердого материала связаны с нарушением растительного покрова (особенно лесного), распашкой земель, выпасом скота.

Возникающие при этом эрозия и дефляция ежегодно уносят из ландшафтов миллиарды тонн почвенных гумусовых частиц, способствуют образованию вторичных форм мезо- и микрорельефа — оврагов, барханов, котловин выдувания и др.

На месте образовавшихся форм рельефа формируются новые природные комплексы, которые по своему рангу вполне сопоставимы с урочищами, а в крупных горно-промышленных районах — даже с ландшафтами. Описанные процессы, как правило, носят необратимый характер.

Влияние хозяйственной деятельности на местный влагооборот осуществляется прежде всего через изменение величин поверхностного стока и испарения. Известны два пути преобразования стока:

1) прямое воздействие на русла рек путем сооружения водохранилищ и регулирования их режима;

2) воздействие на процессы формирования поверхностного стока и испарение на водосборах. Второй путь затрагивает функционирование геосистем на больших территориях. Непосредственными факторами преобразования стока здесь выступают глубокая зяблевая вспашка, создание лесных полос, снегозадержание, осушение и орошение, застройка территории.

Так, создание лесных полос в 1,5- 2,5 раза снижает поверхностный сток, увеличивает запасы влаги в почве, заметно уменьшает физическое испарение.

Застройка, искусственное покрытие, городские ливневые стоки, наоборот, уменьшают инфильтрацию и резко усиливают поверхностный сток. В условиях Москвы, где доля непроницаемых территорий составляет 35%, поверхностный сток увеличился на 93 %, а подземный уменьшился на 28% (М.И.Львович, 1986).

Антропогенные изменения биоценозов и замещение естественных сообществ искусственными привели к нарушению биологического круговорота веществ. В результате вырубки лесов и изъятия фитомассы с сельскохозяйственных угодий из биологического круговорота изымается большое количество азота, кальция, фосфора и других элементов.

Замена естественных биоценозов искусственными, как правило, ведет к уменьшению общей биологической продуктивности и, соответственно, интенсивности биологического круговорота. В связи с этим почвы истощаются (почвы со средним содержанием питательных веществ могут быть полностью истощены за 15 — 150 лет).

Внесение удобрений не может восполнить все потери, тем более что до 40—50 % вносимых в почву питательных веществ (а также пестицидов) смывается с полей и вовлекается в неконтролируемую водную миграцию.

Изменение геохимического круговорота связано с вовлечением в него новых соединений, многие из которых в естественных условиях не образуются. В результате биосфера обогащается не свойственными ей веществами, т. е. нарушается естественное соотношение химических элементов и соединений.

Часть из них попадает в природу целенаправленно (удобрения, пестициды и др.), но большинство вводится в круговорот непреднамеренно — в виде отходов производства, отбросов, использованных промышленных изделий.

Основными каналами миграции веществ выступают воздушная среда и воды, благодаря которым они попадают в природные комплексы. Поведение веществ, условия их накопления удаления из ландшафта зависят от структуры природных комплексов, их термического режима, условий дренажа, механического и химического состава почв, характера растительности.

Отрицательные формы рельефа (например, межгорные впадины) способствуют формированию устойчивых очагов атмосферного и почвенного загрязнения, этому же содействуют температурные инверсии. В условиях холодного климата в кислых гумусированных почвах многие вещества (в частности, пестициды) разлагаются медленнее, чем в теплом климате и в щелочных или малогумуси-рованных почвах.

Высокое содержание кальция в почвах задерживает вынос из них различных элементов. Важную роль в техногенном геохимическом круговороте играют растения-концентраторы отдельных элементов (лишайники, например, способны поглощать радиоактивные изотопы непосредственно из воздуха).

Изменение теплового баланса является побочным результатом хозяйственной деятельности человека. Наиболее очевиден локальный эффект изменения баланса при преобразовании подстилающей поверхности, например при орошении. В этом случае увеличивается радиационный баланс, что связано с изменением альбедо (за счет увлажнения почвы и появления растительности) и снижением эффективного излучения (за счет повышения влажности приземного слоя воздуха).

По данным наблюдений, в степных районах европейской территории России радиационный баланс возрастает на 10 - 30%.

Это должно приводить к усилению нагревания поверхности почвы, однако при орошении одновременно резко возрастают затраты тепла на испарение. В зависимости от количества подаваемой воды (т.е. нормы орошения) затраты тепла на испарение увеличиваются на 50-100 %, что в абсолютных единицах значительно превосходит увеличение радиационного баланса. Поэтому существенно уменьшается (на 30 -50%) теплообмен с атмосферой и соответственно снижаются затраты тепла на нагревание воздуха и почв.

Описанные процессы изменения гео- и экосистем тесно связаны между собой. Как уже отмечалось, они образуют цепи причинно-следственных связей, где начальным звеном выступает импульс, обусловленный хозяйственной деятельностью человека.

Типичным примером может служить процесс осушения болотных экосистем и геосистем.

С позиций геоэкологии, осушение можно рассматривать как преобразование гидроморфных комплексов с нивелированием локальных природных различий путем дренажа, проведения культурнотехнических работ, известкования, внесения минеральных и органических удобрений.

Понижение уровня грунтовых вод при осушении определяет две цепочки причинно-следственных связей:

а) изменение ландшафтно-геохимических условий и водно-воздушного режима почвогрунтов — трансформация почв — изменение состава и продуктивности фитоценозов — перестройка пространственной структуры гео- и экосистем;

б) снижение затрат тепла на физическое испарение — перестройка структуры радиационного и теплового балансов — формирование нового микроклимата приземного слоя воздуха и почв.

Эти изменения обычно происходят на локальном уровне, однако в ряде случаев они приобретают региональный характер (Полесье и др.).

В зависимости от степени проявления рассмотренных процессов преобразования гео- и экосистем варьируют в широких пределах - от изменений отдельных элементов и компонентов до полного нарушения их исходной структуры. Установлена зависимость между величиной антропогенной нагрузки и глубиной изменения природных систем. При этом выделяют три степени нарушений естественных ландшафтов.

Если нагрузки на вторичные компоненты природы не превышают критических величин (т. е. не нарушаются структура и функции этих компонентов), то могут частично изменяться характеристики биоты, почв, водного режима территории (например, такие характеристики растительности, как видовой состав, обилие, продуктивность). Однако при этом сохраняются тип функционирования и структура ландшафтов, а изменения носят обратимый характер: как только прекращается антропогенное воздействие или уменьшается величина нагрузки, природный комплекс возвращается в исходное состояние. Подобные изменения наблюдаются при умеренной рекреации, выпасе скота в лесу, сенокошении в поймах рек, выборочных рубках леса и других видах хозяйственного воздействия.

Если антропогенные нагрузки на «вторичные» компоненты ландшафтов (и прежде всего на почвенно-растительный покров) превышают критические величины, то наблюдается резкое изменение или смена фитоценозов, водного режима и свойств почв.

Так, на месте сплошных рубок леса появляются лугопастбищные и пахотные угодья, на низких берегах водохранилищ — подтопленные и заболоченные комплексы, на участках с интенсивным развитием эрозии — эродированные земли и т. п. Однако полной смены ландшафтов не происходит — на месте исходных комплексов формируются их модификации, т.е. новые почвенно-растительные сочетания на прежней литогенной основе. В случае прекращения антропогенного воздействия возможно возвращение модификаций в исходное (или близкое к нему) состояние (например, восстановление сосновых биогеоценозов на участках заброшенных сельскохозяйственных угодий происходит в течение 120-150 лет).

Наконец, если антропогенные нагрузки на природу превышает критические величины уже для первичных компонентов ландшафта, то автоматически разрушаются вторичные компоненты и соответственно исходная структура природного комплекса. Изменения носят чаще всего необратимый характер и ведут к смене одних ландшафтов другими. Как следствие, формируются совершенно новые геосистемы (карьеры, отвалы, овраги и др.), которые в полном смысле можно назвать антропогенными (или техногенными), т.е. созданными руками человека.

Таким образом, антропогенные нарушения вторичных компонентов природы в большинстве случаев вызывают лишь частные и преимущественно обратимые изменения гео- и экосистем. Полностью необратимые изменения наступают при резком нарушении первичных компонентов: твердого фундамента, мезорельефа и макроклимата. Это объясняется тем, что через них геосистемы поступают вещество и энергия извне, им принадлежит определяющая роль в естественной дифференциации природной среды.

Антропогенные изменения гео- и экосистем проявляются одновременно как во времени, так и в пространстве. Возникнув под таянием деятельности человека, они в своем развитии подчинятся законам природы. Однако скорость антропогенных трансформаций гео- и экосистем заметно превосходит темпы подобных изменений, происходящих в естественных условиях. Это связано тем, что при воздействии человека резко возрастает изъятие из природы или привнос в нее вещества и энергии. В результате значительно увеличивается разность градиентов физических и геохимических характеристик ландшафтов, усиливается перенос вещества и энергии и соответственно ускоряется интенсивность природных процессов. Особенно заметные изменения в ландшафтах происходят в первые годы эксплуатации технических объектов, когда процесс адаптации компонентов природы к новым условиям среды идет особенно активно (например, на берегах водохранилищ наиболее существенная трансформация ландшафтов в зоне подтопления наблюдается в первые 10—15 лет после создания водоемов).

Наряду с временными изменениями существенно преобразуется исходная пространственная структура ландшафтов. Как уже отмечалось, многие инженерные сооружения активно обмениваются веществом и энергией с окружающими природными системами. Основными каналами связей выступают подземные и поверхностные воды, приземный слой воздуха, животные. Благодаря горизонтальным связям импульсы от техногенных объектов передаются в соседние геосистемы и в результате формируются зоны влияния инженерных сооружений на окружающие ландшафты. Изменения природы в их пределах носят комплексный характер и происходят неравномерно не только во времени, но и в пространстве.

Проявляется одна из закономерностей дифференциации геосистем — зональность антропогенных изменений ландшафтов.

По нашему мнению, антропогенная зональность носит сложный характер, поэтому выделяют пояса, зоны и подзоны влияния.

Подход к их выделению у разных авторов неодинаков. Часто, наиболее крупной таксономической единицей районирования сферы воздействия крупных инженерных сооружений следует считать пояс влияния. Его целесообразно рассматривать как ареал, выделяемый в результате изменения какого-либо подвижного компонента природы, на который направлено непосредственное действие инженерного объекта (например, пояс климатического влияния).

Зона влияния — это территория в пределах пояса, которая выделяется в зависимости от процессов, изменяющих исходное состояние ландшафтов (например, зона вторичного засоления почв в поясе гидрогеологического воздействия.).

Зоны могут разделяться на подзоны влияния в зависимости от степени проявления трансформирующих процессов (например, подзона сильного вторичного засоления).

Зональность антропогенных изменений геосистем отчетливо проявляется в зоне влияния водохранилищ, мелиоративных систем, каналов, металлургических предприятий, теплоэлектростанций, АЭС, крупных карьеров и других инженерных сооружений.

Наиболее полный набор поясов, зон и подзон влияния можно наблюдать в сфере воздействия крупных равнинных водохранилищ. Здесь последовательно выделяют пояса гидрологического влияния (затопления), переформирования берегов, гидрогеологического и климатического влияния (рис. 5).

Пояс затопления можно разделить на глубоководную зону, зоны мелководий и временного периодического затопления.

Последняя интенсивно зарастает гидро- и гигрофитами и характеризуется сильным заболачиванием. В пределах пояса гидрогеологического влияния выделяется зона подтопления — полоса побережья, где повышение уровня грунтовых вод ведет к избыточному увлажнению и изменению природных комплексов. В зависимости от степени изменения природных комплексов ее разделяют на подзоны сильного, умеренного и слабого подтопления.

Выделенные пояса, зоны и подзоны влияния «накладываются» на уже сложившуюся мозаику природных комплексов, что существенно усложняет исходную пространственную структуру ландшафтов. Усложнение исходной ландшафтной структуры — это важная закономерность антропогенного изменения геосистем в условиях, когда главными каналами связей выступают поверхностные и подземные воды и сравнительно мало изменяется литогенная основа ландшафтов.

В условиях, когда глубоко затрагивается литогенная основа ландшафтов, а в воздух и водоемы выбрасывается большое количество загрязняющих веществ (горнодобывающие, металлургические, нефтехимические предприятия, теплоэлектростанции и др.), структура зон и подзон влияния существенно отличается от описанной выше.

Так, в сфере воздействия горнометаллургического производства выделены две зоны:

1 - структурной перестройки природных комплексов и

2 - выпадения отдельных элементов геосистем), каждая из которых разделена на две подзоны (А. В. Дончева и др., 1992).

В зоне структурной перестройки, непосредственно прилегающей к предприятиям, отмечены коренное нарушение твердого фундамента и рельефа геосистем, смыв почвенного покрова, почти полное выпадение биоты. Как следствие, нивелируются условия формирования ландшафтов и упрощается их исходная структура.

В зоне выпадения отдельных элементов геосистем происходят атмосферное загрязнение почв, значительное повреждение биоты, появляются техногенные пустоши. Загазованность воздуха вызывает разреживание древостоев, угнетение подроста, выпадение мхов и лишайников.

В перестройке геосистем под влиянием разных инженерных сооружений имеется много общего. Изменения геосистем в сфере их воздействия носят многофакторный и комплексный характер, они проявляются неравномерно как во времени, так и в пространстве. Степень и масштабы этих изменений определяются величиной и продолжительностью действия антропогенной нагрузки, исходным состоянием ландшафтов, естественной дифференциацией природной среды. По мере удаления от инженерных сооружений воздействие последних на природные системы ослабляется.

4. Природно-антропогенные системы и их классификация.

Как показано выше, воздействие человека на природные системы ведет к изменению свойств их компонентов и привнесению в ландшафты новых элементов техногенно-антропогенного происхождения. А. Г. Исаченко (1980) отмечает, что новые элементы могут быть представлены:

а) искусственными образованиями, ранее не существовавшими в природе (здания, дороги, трубопроводы и др.);

б) естественными объектами, перенесенными из одного ландшафта в другой (виды и сообщества растений и др.);

в) смешанными образованиями, которые созданы при помощи технических средств из природных компонентов (водохранилища, каналы и др.).

В результате этих изменений в составе ландшафтов появляются новые подсистемы — антропогенные составляющие, и ландшафты из природных переходят в категорию природно-антропогенных (рис. 6, А).

Природно-антропогенными называют территориальные гео- и экосистемы, которые характеризуются тесным взаимодействием природной и антропогенной составляющих и выполняют определенные социально-экономические функции (Л. И. Мухина, 1995). Под данное определение попадают природно-технические геосистемы, в которых тесно взаимодействуют природные и технические компоненты.

Рис. 6. Структурная схема природно-антропогенной геосистемы (Л)

и природно-технической системы (Б):

1 — антропогенная составляющая (измененный компонент природы); 2 —

техническое средство; 3 — блок управления; 4 — управляемый блок системы.

Другие условные обозначения см. рис. 1

К природно-антропогенным можно отнести геосистемы, формирующиеся в процессе взаимодействия природы с разного рода промышленными объектами, коммуникациями, сельскохозяйственным производством, а также системы, возникающие при непосредственном взаимодействии человека с природой в процессе рекреационной деятельности.

В настоящее время к таким образованиям относится большинство современных ландшафтов, поэтому именно природно-антропогенные геосистемы выступают в качестве главных объектов природопользования.

В состав природно-антропогенных геосистем входят две основные подсистемы (составляющие): природная и антропогенная (социально-хозяйственная). Подсистемы включают компоненты и элементы (как части компонентов).

В природную подсистему входят: атмосферный воздух, воды, минеральное твердое вещество, биота, почва;

в антропогенную (социально-хозяйственную) подсистему — население, техника и технология. Подсистемы, компоненты и элементы внутри систем тесно связаны между собой. Антропогенная составляющая связана с природной почти исключительно через технику и технологию. Выделяют два противоположно направленных процесса (Принципы и методы.., 1989): движение вещества и энергии от природной подсистемы к технике (использование) и от техники к природе (воздействие). Они подразделяются на целенаправленные (которые во многих случаях улучшают свойства природной подсистемы) и нецеленаправленные, побочные, часто вызывающие нежелательные последствия.

Любые природно-антропогенные геосистемы формируются под влиянием двух групп факторов — природной и антропогенной.

В разных типах геосистем характер и уровень взаимодействия природы и техники неодинаковы.

Так, например, промышленные, транспортные, гидротехнические комплексы функционируют главным образом за счет техногенной составляющей. В результате на первый план выступает их техническая сущность, а природная подсистема как бы остается в тени.

Другие комплексы — сельскохозяйственные, лесохозяйственные, рекреационные функционируют в основном за счет своей природной составляющей, а потому их природная сущность выступает на первый план, а техногенная остается в тени.

В группе комплексов с преобладанием технической составляющей выделяют класс управляемых природно-антропогенных систем — природно-технические {геотехнические) системы. Эти системы рассматриваются как образования, у которых природные (искусственно созданные и естественные, измененные в процессе действия техники) и технические части настолько взаимосвязаны, что функционируют как единое целое (К. Н.Дьяконов, 1978). В состав геотехнической системы входят две подсистемы (природная и техническая) и блок управления (рис. 6, Б). В качестве геотехнических систем можно рассматривать водохранилища, каналы, мелиоративные объекты, нефтедобывающие комплексы и другие подобные образования вместе с зонами их влияния на окружающую природную среду.

На базе учения о природно-антропогенных геосистемах в настоящее время формируется представление о современных ландшафтах.

Согласно Э. П. Романовой (1997) и др., современный ландшафт включает три взаимодействующих подсистемы: природную, хозяйственную (антропогенную) и информационную. Природная подсистема состоит из природных компонентов и комплексов более низкого ранга. Она обладает природно-ресурсным потенциалом и выполняет ресурсопроизводящую и средоформирующую функции. Хозяйственная подсистема включает материальные объекты расселения и жизнедеятельности общества, которые служат источниками антропогенного воздействия на природную подсистему, определяют характер и интенсивность этих воздействий, обусловливают возникающие в природе экологические последствия. Информационная подсистема также включает несколько блоков, из которых важнейшим является блок принятия решения и управления. Именно от качества этого блока зависят степень рациональности хозяйственного освоения природы и возможность ее устойчивого функционирования и дальнейшего развития.

Управление системой сводится к регулированию потоков вещества, энергии и информации для поддержания высокой степени сбалансированности прямых и обратных связей между ее составляющими и выполнения заданных обществом социально-экономических функций. Регулирование могут осуществлять простые затворы на мелиоративных системах, сельскохозяйственные машины на полях, искусственные спутники Земли и другие технические устройства. В процессе функционирования геотехнические системы способны направленно изменять свойства как отдельных компонентов природы, так и комплексов в целом.

К числу природно-антропогенных комплексов относятся и геоэкосистемы — объекты исследования геоэкологии. Эти комплексы сочетают свойства гео- и экосистем и одновременно содержат элементы хозяйственной деятельности людей.

Их характеризуют: а) антропоцентричность — выдвижение на первый план человека в биологическом звене системы;

б) территориальность, т.е. привязка объекта изучения к определенному пространству — местности, природным, природно-административным единицам (обычно локальной или региональной размерности);

в) учет взаимосвязей как между человеком и средой, так и между другими компонентами и элементами систем (биотическими и абиотическими).

Особенность изучения геоэкосистем состоит в определении влияния измененной природы и хозяйственных объектов на экологическое состояние среды, условия жизни и деятельности человека.

Рис. 7. Схема интегральной модели геоэкосистемы:

1 — природная среда; 2 — природно-антропогенная среда; 3 — техногенная среда; 4 — человек (население); 5 — связи между человеком и средой; 6 — связи между компонентами среды; 7— границы геоэкосистемы; 8 — внешние связи

Геоэкосистемы представляют собой относительно обособленные в пространстве территориальные и аквальные системы, в границах которых тесно взаимодействуют природные, хозяйственные и социальные компоненты окружающей среды. Взаимосвязи, а также постоянный обмен веществом, энергией и информацией между этими компонентами позволяют рассматривать их в качестве целостных достаточно устойчивых образований. Геоэкосистемы включают природно-территориальные комплексы с присущими им биоценозами и территориально-производственные комплексы с

их социально-экономическими проблемами. Взаимодействие между ними формирует среду жизни и среду социально-экономической деятельности человека.

В состав геоэкосистем входят следующие подсистемы (главные структурные составляющие): а) природная среда, относительно слабо нарушенная человеком; б) природа, существенно измененная хозяйственной деятельностью людей; в) антропогенно-техногенная составляющая; г) население и социальная среда (рис. 7).

Геоэкосистемы сильно различаются по величине территории и акватории, рангу пространственных единиц исследования и масштабам возможных экологических проблем (ситуаций). В связи с этим целесообразно разделение геоэкосистем на несколько иерархических уровней.

Опыт ландшафтно-экологических и хозяйственно-экологических исследований (А. Г. Исаченко, 2001; Г. И. Швебс, 1987; Б. И. Кочуров, 1999 и др.) позволяет выделить следующие уровни:

глобальный (охватывает биосферу в целом),

межрегиональный (например, зонально-секторальные физико-географические регионы),

макрорегиональный (экономические районы, бассейны крупных рек и озер),

мезорегиональный (административные области и республики), низовой региональный (физико-географические и административные районы),

локальный (группы урочищ, городские геоэкосистемы, водохранилища и др.), элементарный (орошаемые поля, крупные промышленные предприятия и др.).

Взаимодействие различных антропогенных и природных факторов привело к формированию разных типов природно-антрогенных геосистем и экосистем, что вызвало необходимость их систематизации.

К настоящему времени создано несколько классификаций природно-антропогенных геосистем, среди которых выделяется классификация, построенная по ряду параллельных признаков:

а) соотношению целенаправленных л нецеленаправленных изменений геосистем (преднамеренно и непреднамеренно измененные);

б) выполняемой социально-экономической функции (сельскохозяйственные, лесохозяйственные, промышленные, городские, рекреационные, заповедные, средо-зашитные);

в) степени изменения по сравнению с исходным состоянием (слабо измененные, измененные, сильно измененные);

г) последствиям изменения (культурные, акультурные);

д) соотношению процессов саморегулирования и управления (геосистемы с преобладанием процессов саморегулирования, геосистемы с преобладанием управляющего воздействия со стороны человека).

В последние годы используются классификации природно-антропогенных комплексов, построенные в форме корреляционной таблицы. Пример подобной классификации приведен в табл. 2 (А.Г.Емельянов, 1998). Типы комплексов выделены в ней по сочетанию двух признаков: факторов воздействия (видов природопользования) и степени антропогенного изменения геосистем. В графах таблицы даются названия типов природно-антропогенных комплексов по выполняемой ими социально-экономической функции. В данной классификации критерием перехода геосистем в «чисто» антропогенную категорию выступает коренное нарушение литогенной основы, а соответственно и разрушение вторичных компонентов природы (почв и растительного покрова). Такую точку зрения разделяют не все исследователи, поэтому разногласия служат одной из причин отсутствия общепринятой классификации природно-антропогенных ландшафтов.