Гродзинський М.Д. Основи ландшафтної екології

Подождите немного. Документ загружается.

1,0—для автошляхів міжнародного значення до 0,05 — для внут-

рішньогосподарських польових доріг).

Ступінь антропізації геосистем. Під ступенем антропізації

геосистемы розуміють зміненість її структурних та динамічних

особливостей в результаті функціонального використання (сино-

німами цього терміна є ступінь антропогенної трансформації, пе-

ретвореності, зміненості). В. Б. Сочава за цією ознакою поділяв

геосистемы на корінні (не зміне-

ні) та похідні (змінені господар-

ською діяльністю). Детальнішу

градацію зміненості геосистем

запропонував В. В. Виноградов

(1981), у якій виділяє дев'ять

ступенів антропізації, а також

К. Біллвітц (1980). Розроблена

ним класифікація, що має назву

«системи хемеробності», грунту-

ється на врахуванні зворотності

— незворотності змін геосистем,

їх глибини та характеру (табл.

19); вона набула популярності

серед ландшафтних екологів

європейських країн.

Кількісні методи оцінки сту-

пеня антропізації враховують

структуру земельних угідь у ме-

жах геосистеми. Ф. М. Мільков

(1973) за співвідношенням при-

родних та змінених ПТК виділяє

Рис. 45. Антропогенна зміненість

(ступінь антропізації) геосистем.

Фрагмент для району Києва (за

П. Г. Шищенком, 1988):

ізолінії — значення балів антропогенної

зміненості геосистем

такі ландшафти: антропогенні (природних угідь не більше 25 %),

природно-антропогенні (25—50%), антропогенно-природні (5—

75%), природні (75—100%). Повніший підхід до оцінки антро-

пізації геосистем враховує не тільки процентне співвідношення

угідь різних видів, але й ступінь зміненості геосистеми при її ви-

користанні під певне угіддя. Саме так, наприклад, оцінив антро-

погенну перетвореність ландшафтів України П. Г. Шищенко

(1988):

де В — бал антропізації геосистеми; b

— ступінь антропізації

геосистеми при її використанні під угіддя i-го виду; р

, — частка

площі геосистеми, яку в ній займає угіддя і-го виду.

Залежно від зонального типу геосистем їх зміненість одним ви-

дом угіддя різна. Так, у лісових геосистемах їх зміненість ріллею

слід вважати більшою, ніж орних лучних та степових геосистем.

Тому бали антропізації b

, визначаються в межах установлених

191

градацій. Прийнято такі їх значений: природоохорош території

1—10, ліси 11—20, заболочені землі 21—30, луки, пасовища 31—

40, сади, виноградники 41—50, рілля 51—60, сільська забудова

61—70, міська 71—80, водосховища, канали, стави 81—90, кар'єр-

но-відвальні утворення тощо 91—100. За значеннями показника

антропізації геосистем можна побудувати ізолінійну карту антро-

пізації території (рис. 45).

Глава 9. СТІЙКІСТЬ ГЕОСИСТЕМ

ДО АНТРОПОГЕННИХ ВПЛИВІВ

§ 9.1. ЗАГАЛЬНІ ФОРМИ СТІЙКОСТІ ГЕОСИСТЕМ

Більшість сучасних трактувань поняття стійкості в екології та

ландшафтознавстві зводиться до розуміння цієї властивості як

такої, що реалізується в гео- та екосистемах у різних формах

(К. Холлінг, 1973;-Г. Оріанс, 1975; О.Д. Арманд, 1988; Я. Зоне-

фельд, 1989 та ін.). Багато з цих концепцій мають той недолік,

що форми стійкості, які ними виділяються, визначені нечітко, ма-

ють різний ступінь загальності, частково дублюють одна одну або

навпаки — при поділі стійкості на її складові частини (форми)

деякі її суттєві особливості не враховуються. Перший недолік ха-

рактерний для концепції стійкості Г. Оріанса, другий — К. Хол-

л'інга. .

Поняття «стійкість геосистемй» набуває конкретності, якщо

задані: змінні, що описують геосистему і простір її станів; облас-

ті цього простору z

, зміни станів у межах якого вважаються не-

суттєвими; інтервал часу Δt, для якого оцінюється стійкість; зов-

нішній фактор f або група взаємодіючих факторів, до дії яких

аналізується стійкість.

Якщо ці умови визначено, то можна виділити три загальні

форми стійкості геосистеми (М. Д. Гродзинський, 1983): інерт-

ність— здатність геосистеми при дії фактора f не виходити із за-

даної області станів z

протягом інтервалу часу Δt; відновлю-

ваність — здатність геосистеми повертатися за часΔt до області

станів z

після виходу з неї під впливом фактора f; пластич-

ність — наявність у геосистемй кількох областей станів {zo} в

рамках інваріанта Ζ та її здатність переходити при дії фактора f,

з однієї такої області до інших, не залишаючи завдяки цьому ін-

варіантної області Ζ протягом часу Δt. Загальні форми стійкості

геосистемй графічно можна зобразити у трьохвимірному просторі

змінних (рис. 46).

192

Таким чином, стійкість геосистеми полягає у її здатності при

дії зовнішнього фактора перебувати в одній з областей станів та

повертатися до неї за рахунок інертності та відновлюваності, а

також переходити завдяки пластичності з однієї області станів до

інших, не виходячи при цьому за рамки інваріантних змін протя-

гом заданого інтервалу часу. Ці визначення, як і три можливі

форми стійкості геосистеми, загальні в тому розумінні, що вони

придатні для будь-якого антропогенного фактора f, інтервалу ча-

Рис. 46. Графічне зображення загальних форм стійкості гео-

систем:

а — інертність; б — відновлюваність; в — пластичність (позначення індек-

сів — у тексті)

су Δt, виду та рангу геосистеми, критеріїв визначення областей

станів z

та інваріанта Z, а також складу та числа змінних гео-

системи.

Щодо критеріїв стійкості, інертність — найбільш «жорстка» її

форма і найбільш бажана при господарському використанні гео-

систем. Особливе значення вона має в тих випадках, коли навіть

одноразовий та швидко відновлюваний вихід геосистеми з зада-

ної області станів неприпустимий (наприклад, з точки зору раді-

аційної безпеки, санітарно-гігієнічних норм та ін.).

Відновлюваність — важлива форма, що забезпечує стійкість

насамперед особливостей біоти та грунту геосистем. Морфоліто-

генні властивості можуть відновлюватися лише на дуже значних

інтервалах часу. Можливо, внаслідок цього в екології саме від-

новлюваність здебільшого ототожнюється із стійкістю екосистем,

тоді як в інженерній геології та геоморфології під стійкістю зде-

більшого розуміють інертність.

Добре відновлюваною вважається геосистема, якщо вона

здатна швидко повертатися до початкової області станів та здат-

на повертатися до цієї області після значного за амплітудою від-

хилення від неї. Ці дві форми відновлюваності, що можуть в од-

193

ній геосистемі проявлятися сумісно (швидке відновлення суттє-

вих порушень), Г. Оріанс (1975) називає еластичністю та

амплітудністю.

Пластичність—досить складна та маловивчена форма стій-

кості. Вперше положення про те, що стійкість екосистеми може

забезпечуватися за рахунок наявності в просторі її станів кількох

локально стійких областей (тобто таких, де вона високо інертна

та відновлювана) сформулював Р. Левонтін (1969). Проте за-

гальне визнання воно здобуло завдяки праці К. Холлінга (1973),

який назвав цю форму стійкості «resilience» (англ.— пружність).

Проте термін «пластичність» більше відповідає суті цієї власти-

вості природних систем.

Наявність і особливості пластичності геосистеми багато в чо-

му визначаються ступенем зв'язку між її станами (ступенем де-

термінованості їх змін). При сильному зв'язку станів, що виявля-

ється в наявності усталеного порядку в послідовності їх змін,

геосистема може перебувати в рамках інваріанта в тому разі, як-

що зміна станів не має характеру тренду, а утворює у фазовому

просторі замкнені цикли — орбіталі · (див. рис. 34). Таку форму

пластичності можна назвати орбітальною пластичністю. Для

геосистем, стани яких слабко зв'язані (з однієї області станів гео-

система може перейти до будь-якої іншої, в тому числі й до такої,

яка не належить інваріанту), пластичність буде тим більшою, чим

більше число локально стійких областей у рамках інваріанта. Та-

ку форму пластичності іноді називають мультистійкістю.

Для вирішення конкретних завдань аналізу стійкості геосис-

тем необхідно визначити області станів z

, зміни в межах яких

вважаються несуттєвими. Саме поняття суттєвості орієнтоване на

деякий об'єкт. Можна вести мову про суттєвість змін самої гео-

системи як природного утворення, а можна оцінювати суттєвість

змін геосистеми з точки зору виконання нею заданих соціальних

функцій. З природноландшафтної точки зору весь простір станів

геосистеми можна поділити на дві області — нормальних та

анормальних станів. Нормальними є стани геосистеми, які фор-

муються та змінюються за відсутності збурюючих впливів. За со-

ціофункціональними критеріями стани геосистеми поділяються

на допустимі та недопустимі. Допустимими є стани, перебуваючи

в яких геосистема здатна виконувати функцію не нижче деякого

рівня (наприклад, забезпечувати проектну врожайність), а недо-

пустимими такі, коли природний потенціал геосистеми недостат-

ній для забезпечення мінімально необхідного виходу функції. До-

кладніше про визначення областей нормальних та допустимих

станів сказано в § 11.1.

194

§ 9.2 КІЛЬКІСНІ ПОКАЗНИКИ СТІЙКОСТІ ГЕОСИСТЕМ

ТА ОСНОВНІ МЕТОДИ ЇХ ОЦІНЮВАННЯ

Оскільки стійкість у геосистемах реалізується в різних фор-

мах, то хоч і можна запропонувати один показник, який характе-

ризує її всебічно, проте він виявляється малоінформативним.

Щодо практичного та теоретичного значення більший ефект буде,

якщо розробити комплекс кількісних показників стійкості, кож-

ний з яких характеризував би окремі її форми та їх більш тонкі

особливості. Розробка такого комплексу показників стійкості

грунтується на понятті відмови геосистеми. Під нею розуміють

подію, що полягає у виході геосистеми з заданої області станів

. Відповідно до змінної, що вийшла за межі діапазону своїх

нормальних або допустимих значень, виділяються різні види від-

мов, наприклад, «галоморфізація геосистеми» (якщо вміст солей

перевищить токсичні межі), «гідроморфізація геосистем» (якщо

рівень ґрунтових вод піднявся вище критичної глибини його за-

лягання), «дегуміфікація грунту» (якщо вміст гумусу стане мен-

шим деякого встановленого значення) тощо. Поняття відмови

ввів в ландшафтну екологію з математичної теорії надійності

М. Д. Гродзинський (1983); її методи можна залучити до оцінки

стійкості геосистем.

Показники інертності. Важливим показником цієї форми стій-

кості є ймовірність виникнення відмови i-го виду за час Δt —

(Δt). Зручно також характеризувати інертність ймовірністю He-

виникнення відмови г-го виду протягом проміжку часу Δt (тобто

ймовірністю того, що за час Δtгеосистема не вийде із заданої об-

ласті нормальних чи допустимих станів z

— p

(Δt). Ці показники

зв'язані простим співвідношенням ρ

(Δt) = 1—q

(Δt).

Інертність геосистеми в деякий момент часу t

оцінюється по-

казником інтенсивності відмов у момент t

—λ(t

). Інтенсивність

відмов означає ймовірність того, що в геосистемі виникне відмова

в момент часу t

, якщо до цього вона не відбулася. За цим показ-

ником визначається характер зміни інертності геосистеми з ча-

сом, зокрема визначаються періоди, коли стійкість геосистем най-

менша.

При вирішенні багатьох завдань необхідно знати оцінку се-

реднього часу функціонування геосистеми до виникнення відмови

i-го

виду

—

відм.i

З цією оцінкою, зокрема, пов'язане визначен-

ня безпечної тривалості певного антропогенного впливу та пері-

одичності проведення профілактичних заходів (промивань зрошу-

ваних геосистем від солей, плантажної оранки тощо).

Ці показники обчислюються для всіх видів відмов геосистеми.

Узагальненими показниками інертності можуть бути ймовірність

безвідмовного функціонування протягом Δt—P(z

, Δt), а також

ймовірність виникнення за Δt хоча б однієї відмови будь-якого

195

Показники пластичності. Пластичність можна оцінити ймовір-

ністю того, що протягом часу Δt геосистема буде здійснювати пе-

реходи лише між областями станів {z

}, що належать до одного

інваріанта. Емпіричних даних щодо цього може виявитись недо-

статньо. Тому реально пластичність можна оцінити лише орієн-

товно за посередніми ознаками. Однією з таких ознак є різнома-

нітність геосистеми — в загальному випадку пластичність геосис-

теми тим вища, чим більше в ній областей станів z

та чим рівно-

ймовірніші переходи між ними. Виходячи з цього, як посередні

оцінки пластичності можна використовувати теоретико-інформа-

ційні (ентропійні) показники.

Основні показники інертності та відновлюваності геосистем

можна розраховувати за допомогою класичних методів математич-

ної статистики за частотою виникнення відмов та відновлювань

або за визначеним законом розподілу часу виникнення відмов.

Розрахункові формули цих двох методів наведено в табл. 20. Пе-

ревагою цих методів оцінювання є простота розрахунків, а основ-

ний недолік пояснюється тим, що наявні емпіричні дані та теоре-

тичні міркування часто не дозволяють визначити закон розподілу

випадкової величини t

або τ,·. За цими даним можна лише з'ясу-

вати, збільшується чи зменшується стійкість геосистеми з часом.

Проте цієї інформації достатньо для обчислення верхніх та ниж-

ніх граничних оцінок інертності та відновлюваності, тобто деякого

діапазону, в якому знаходяться оцінки ρ (z

, Δt) або q (z

, Δt).

Інертність геосистеми з часом переважно зменшується (чим

більший інтервал часу Δt, тим більша ймовірність відмови). Це по-

яснюється постійною або періодичною дією антропогенних факто-

рів, дією пуасонового потоку випадкових впливів тощо. Для цього

196

До переваг методу граничного оцінювання стійкості відносить-

ся простота розрахунків та мінімум необхідної інформації. Проте

інтервали між верхньою та нижньою граничними оцінками можуть

виявитись дуже широкими. І незважаючи на це, метод дуже корис-

ний при оцінюванні стійкості геосистем до проектованих антропо-

генних впливів, коли емпіричних даних отримати немає можливості!

У багатьох випадках ефективні методи оцінювання стійкості заі

моделлю «навантаження — опір» (Капур; Ламберсон, 1980), Щодо

геосистем, то суть її така. Стан геосистеми визначається співвідно-

шейням двох «узагальнених» факторів — навантаженням-, яке на-

магається зруйнувати геосистему, та опору цьому навантаженню

Якщо навантаження більше опору, виникає відмова геосистеми

Дія навантаження на геосистему та її опір описуються характе-

197

ристиками, які являють собою випадкові величини з власними

функціями розподілу. Якщо ці функції встановлені, то можна виз-

начити ймовірність того, що при всіх можливих коливаннях наван-

таження та опору величина першого буде більша за другу, тобто

виникне відмова геосистеми. Так, характеристика Р, що описує на-

вантаження, досить часто має експоненційний розподіл, а характе-

ристика опору L — нормальний. У цьому випадку ймовірність від-

мови q обчислюється за виразом

Для інших розподілів навантаження та опору також є відповід-

ні формули (Капур, Ламберсон, 1980). Цей метод обмежений, бо

за ним можна визначити стійкість геосистеми тільки до одноразо-

вого впливу антропогенного фактора (до одного поливу, одного ви-

киду забруднень тощо); проте важлива перевага його полягає у

можливості обгрунтувати норми антропогенних навантажень на

геосистеми (див. § 11.4).

Крім розглянутих, для оцінювання стійкості геосистем можна

користуватися й іншими методами, розробленими в теорії надійнос-

ті. Це, зокрема, байєсовські методи (коли крім наявної емпіричної

інформації враховуються також і деякі апріорні відомості), графіч-

ні (коли даних про відмови мало), оцінювання за деревами відмов

(див. § 6.2), статистичного моделювання на ЕОМ (коли відмови

дуже рідкісні). Більш докладно деякі з цих методів, а також конк-

ретні приклади їх застосування при оцінці стійкості геосистем до

меліоративних навантажень резглянуто в праці М. Д. Гродзинсько-

го, П. Г. Шищенка (1993).

§ 9.3. ЕКОЛОГІЧНІ РИЗИКИ ТА ПРОБЛЕМА ЇХ ОЦІНКИ

Екологічний ризик — нове для ландшафтної екології і поки що

не досить чітко визначене поняття. Під ризиком здебільшого розу-

міють ймовірність виникнення в геосистемах вкрай небажаних

змін, особливо пов'язаних із загрозою для здоров'я людини. Як

екологічні ризики розглядаються небезпека різко токсичного за-

бруднення екосистем та їх окремих середовищ, вимирання окремих

видів тварин, рослин, опустинення, дегуміфікація, засолення грун-

тів, стихійні лиха тощо. Добре видно, що екологічний ризик у та-

кому розумінні збігається з поняттям відмови геосистеми, і всі ме-

годи визначення ймовірності її виникнення є водночас і методами

оцінювання ризику.

Більш глибокий аналіз екологічного ризику передбачає не тіль-

ки визначення можливості (ймовірності) його виникнення, а й оцін-

ку втрат, які можуть бути з ним пов'язані. Дійсно, такі види відмо-

ви геосистеми, як осолонцювання нижніх горизонтів грунту та

198

усього його гумусового горизонту, можуть мати однакові ймовірнос-

ті виникнення, проте вони розрізняються за ступенем зміни струк-

тури геосистеми, що виникають через ці відмови. Різні й їх еконо-

мічні наслідки: першої відмови — зниження врожайності здебіль-

шого малосуттєве, другої — геосистема повністю втрачає свій аг-

ропотенціал.

Оцінка екологічного ризику, крім визначення ймовірності події,

яка вважається ризикованою (тобто ймовірності відмови геосисте-

ми), передбачає ще чотири складові: природно-ландшафтну (як

ступінь зміненості геосистеми внаслідок відмови); соціоекономічну

(як розмір економічних втрат, спричинених відмовою); антропо-

центричну (як рівень загрози для здоров'я та самопочуття люди-

ни); естетичну (як втрату естетичної привабливості ландшафту).

Усі ці складові можна оцінити в балах експертним шляхом, і

тоді інтегральний показник екологічного ризику певного виду буде

визначений як добуток цих оцінок (балів) та ймовірності його ви-

никнення. Проте в загальній теорії оцінки ризику встановлено, що

по відношенню до сприйняття ступеня різних видів небезпеки екс-

перти (тобто люди) дуже розрізняються в оцінках і тому експерт-

ний метод у даному разі не дає належного результату (Е. Хенлі,

X. Кумамото, 1987).

Природно-ландшафтну складову ризику можна оцінити за зна-

ченням дистанційного коефіцієнта між станом геосистеми до відмо-

ви та після неї. Найпростішим показником такого типу є:

За соціоекономічнною складовою ризику можна знайти кількісні

оцінку у вигляді: вартості тієї частини корисного продукту, що

втрачається внаслідок відмови геосистеми (наприклад, для агрогео-

систем — вартість врожаю, недоотриманого внаслідок відмови);

вартості заходів, необхідних, щоб відновити початковий стан гео-

системи після відмови; величини природного потенціалу, що зни-

жується через відмову, та ін.

Методи оцінювання антропоцентричної складової екологічного

ризику потребують своєї розробки.

§ 9.4. КАРТОГРАФУВАННЯ І ТИПОЛОГІЯ ГЕОСИСТЕМ ЗА IX СТІЙКІСТЮ

Визначивши дані ймовірності відмов та відновлення для всіх

видів геосистем досліджуваного регіону, можна скласти серію

карт, що характеризують його стійкість до антропогенних впливів.

199

Рис. 47. Ймовірність виникнення за 20 років відмови у вигляді

площинного змиву грунту (критерій— змив більш як 0,5 потужності

верхнього тумусового горизонту):

ймовірності відмов: 1— 0; 2 — 0,10—0,20; 3 — 0,21—0,40; 4 — 0,41—0,60; 5 —

0,61-0,80; 6 — 0,81-0,95; 7 — 0,96-1,0

200