2.2. Общая схема системного подхода

Изучение экосистемы оказывается наиболее эффективным, ког­да все рассмотренные выше методы - наблюдение, эксперимент, моделирование, интегрируются в едином процессе экологического исследования на основе системного подхода, который, как правило, осуществляется в рамках комплексного междисципли­нарного исследовательского проекта.

Процесс системного исследования некоторой экосистемы целе­сообразно расчленить на ряд этапов или стадий, последовательно сменяющих друг друга во времени или осуществляющихся парал­лельно, как это показано на рис. IV.9. Эти этапы носят следующие названия:

1. Постановка задачи (Цель)

2. Концептуализация (Аналитический обзор)

3. Спецификация (Описание состава и структуры)

4. Наблюдения (База данных)

5. Идентификация (Математическая постановка)

6. Эксперименты (Отладка)

7. Реализация модели (Программа, сетка, схема)

8. Проверка модели (Верификация, калибрация)

9. Исследование (анализ) модели (расчеты, эксперименты)

10. Оптимизация (Рекомендации)

11. Заключительный синтез (Заключение)

Остановимся на содержании каждого из этих этапов.

2.2.1. Постановка задачи

Каждая экосистема представляет собой чрезвычайно сложный, многогранный и динамичный объект, для всесторонней характеристики которого требуются огромные материальные и людские ресурсы и весьма продолжи­тельное время. Однако при всей сложности и целостности экоси­стем для решения отдельных проблем, например из области охра­ны, рационального использования, управления экосистемами или предсказания их реакции на те или иные антропогенные воздействия, оказывается возможным выделить в ней конечное число свойств и процессов, которые наиболее существенны для решения поставленной задачи. Назначение рассматриваемого этапа как раз и состоит в том, чтобы ограничить и конкретизировать число возможных направлений и аспектов изучения экосистемы, указав те свойства и процессы, на которые следует обратить наиболее пристальное внимание.

1. Постановка задачи

2. Концептуализация

3. Спецификация

5. Идентификация

7. Реализация модели

8. Проверка модели

9. Исследование модели

10. Оптимизация

11. Заключительный синтез

Ч

Внешняя атмосфера (А)

еловек (М)

Экосистема (Е)

Экосистема (Е₁)

Экосистема (Е_n)

Горные породы (R)

Воды

(W)

Другие зкосистемы,

Рис. IV. 10. Концептуализация внешних связей при описании экосистемы

2.2.2. Концептуализация

Задача этого этапа системного исследования состоит в том, чтобы в плане поставленной задачи суммировать известные сведения и представления об изучаемой экосистеме в виде достаточно полной и логически непротиворечи­вой концептуальной модели (см. выше, с. 67),

Из всего известного об изучаемой экосистеме модель концен­трирует данные, необходимые для решения рассматриваемой про­блемы, и в то же время она служит отправной точкой для разви­тия будущих исследований. Прежде всего в модели определяется место изучаемой экосистемы в ландшафте как системы более вы­сокого уровня иерархии, устанавливаются ее внешние «входы» и «выходы», т. е. связи с соседними экосистемами, с атмосферой, нижележащими геологическими слоями и водными массами, а также с деятельностью человека (рис. IV. 10). Далее в модели раскрывается состав, структура и некоторые черты функциониро­вания экосистемы. Как уже говорилось, состав системы представ­ляется множеством ее внутренних элементов и непосредственно взаимодействующих с ними элементов окружающей среды. Структурой называется совокупность всех связей (отношений, взаимо­действий) между этими элементами, а под функционированием (поведением, «работой») системы понимается процесс изменения свойств ее элементов во времени в результате реакции на дейст­вие внешних факторов и взаимодействий между внутренними эле­ментами.

Приземный слой воздуха

Животное население

Фитоценоз

Микробное население

Почва

Грунт

Грунтовые воды

Фитоценоз

Животное население

Микробное население

Грунтовые воды

Донный грунт

Водная масса

Надводный слой воздуха

Рис. IV.11. Принципиальная схема состава и внутренней структуры ти­повой (полночленной) наземной эко­системы

Рис. IV. 12. Принципиальная схема состава и внутренней структуры ти­повой водной экосистемы

Какое же содержание приобретают понятия состава, структу­ры и функционирования в рамках концептуальной модели приме­нительно к уровню экосистемы. Обратимся к рис. IV. 11, на кото­ром приводится принципиальная схема типовой (полночленной) наземной экосистемы. Ее внутренний состав образуют следующие элементы: 1) приземный слой воздуха, 2) фитоценоз (раститель­ное сообщество), 3) животное население, 4) микробное населе­ние, 5) почва, 6) почвообразующая порода, 7) грунтовые воды. Структура экосистемы — это ее связи с внешними объектами и связи внутренних элементов экосистемы друг с другом, которые на рис. IV.11 изображаются линиями, обозначающими, что между связывающимися через них объектами осуществляется вещест­венно-энергетический поток и (или) информационная связь. На­пример, наличие связей приземного слоя воздуха с растительно­стью такого рода, как водный и газовый обмен между растениями и атмосферой (транспирация, фотосинтез, дыхание и пр.), влияние температуры и влажности воздуха на жизнь растений и т. д. выражается линией, соединяющей блоки «приземный слой воздуха» и «фитоценоз». Для характеристики функционирования экосистемы в рамках концептуальной модели обычно дается сло­весное описание временной динамики компонентов и их взаимо­действий, а также приводятся графики и таблицы, изображающие изменения количественных показателей наподобие того, как это будет показано ниже для экосистемы луговой степи Центрально-Черноземного заповедника (см. рис. XI.1).

Принципиальная схема водной экосистемы показана на рис. IV. 12, где мы видим следующие компоненты: 1) прилегающий слой воздуха; 2) водную массу; 3) фитоценоз; 4) животное насе­ление; 5) микробное население; 6) грунтовые воды; 7) донный грунт. Внешние связи экосистемы — это взаимодействия с внеш­ней атмосферой, соседними экосистемами, с геологическими отло­жениями, подстилающими дно водоема (в особенности с содержа­щимися в них водами и газами), и, наконец, с человеком, влияние которого на водные экосистемы стремительно возрастает. Струк­тура в данном случае изображается набором линий между компо­нентами, обозначающих вещественно-энергетические и (или) ин­формационные связи, а выражением функционирования служит серия динамических кривых, показывающих изменение свойств экосистемы с течением времени.

Отметим, что выделение компонентов экосистемы производится в соответствии с некоторым уровнем агрегирования, выбираемым в зависимости от задачи исследования и в соответствии с особенностями строения изучаемой экосистемы. В отличие от грубых, высоко агрегированных схем на рис. IV.11, IV.12 в качестве компо­нентов можно рассматривать более узкие группировки популяций, выделяемые по таксономическому, пространственному (например, с учетом ярусности), трофическому или другим признакам. Наря­ду с почвой в узком смысле в качестве самостоятельного компо­нента иногда рассматривается подстилка и т. д. Вместе с тем каждый компонент, рассматриваемый при грубом агрегировании как элементарный, на самом деле является подсистемой, т. е. си­стемой более низкого уровня иерархии со своими составом, струк­турой и функционированием. Таким образом, к примеру, наличие в экосистеме различных популяций растений, животных или мик­роорганизмов можно показать в модели путем выделения соответ­ствующих элементов в рамках подсистем «фитоценоз», «животное население» или «микробное население» соответственно.

Наиболее очевидной единицей агрегирования при изучении экосистем выступает популяция особей данного вида, участвую­щих в функционировании этой экосистемы, однако ввиду высокого видового обилия природных экосистем (особенно в отношении бес­позвоночных животных и микроорганизмов) и отсутствия необхо­димой информации для многих видов при описании экосистем чаще всего останавливаются на уровне групп популяций, которые называют функциональными или трофическими группами, а в последнее время все чаще — гильдиями, так как в этих группах агрегируются популяции нескольких сходных в том или ином от­ношении видов.