Геосисте́ма (географическая система), территориально единая совокупность природных компонентов, непосредственно взаимодействующих друг с другом и как единое целое – с внешней средой. В качестве внешней среды геосистемы рассматриваются соседствующие, или вмещающие, геосистемы более крупного ранга, включая географическую оболочку, а также глубинные геосферы «твёрдой» Земли, космическое пространство и человеческое общество. Различают три масштабных уровня геосистем: планетарный (географическая оболочка), региональный (ландшафтные зоны и др.) и локальный (урочища и др.).

Свойства и типы геосистем

Геосистемам присущи все основные свойства систем, важнейшими из которых являются целостность, несводимость к простой сумме составляющих её частей (эмерджентные свойства); наличие взаимосвязанных между собой структурных элементов, взаимодействие с внешней средой в качестве самостоятельного единства посредством прямых и обратных (положительных и отрицательных) ландшафтных связей; иерархичность структуры и др.

Поскольку в процессе развития природы одновременно действуют законы выравнивания и дифференциации, принято различать геосистемы с гомогенной структурой (геомеры) и разнокачественной структурой (геохоры). Их сосуществование в пространстве отражено в принципе двухрядной классификации геосистем В. Б. Сочавы (1978).

Пространственная структура геосистем

Пространственный аспект геосистемной структуры (хороструктуры) заключается в упорядоченности взаимного расположения составных частей геосистемы, рассматриваемых как компоненты (вертикальная, или радиальная, структура) и как субсистемы, т. е. подчинённые геосистемы более низких рангов (латеральная, или горизонтальная, структура). Соответственно по способам соединения составных частей геосистемы различают две системы внутренних связей: вертикальную (межкомпонентную) и горизонтальную (межсистемную). Компоненты геосистемы подразделяют на абиотические (морфолитогенная основа, воздушные массы, природные воды), биотические (растительность, животный мир) и биокосные (почвы). Взаимодействие всех компонентов в геосистеме обусловливается их вещественными, энергетическими и информационными свойствами. Вещественно-энергетические связи обусловлены, по утверждению российского ландшафтоведа В. В. Сысуева (Сысуев. 2020), биогенными процессами разной продолжительности (биогеохимический круговорот, поглощение влаги, биопродуцирование, перенос вещества и энергии по трофическим цепям и др.), водной миграцией и почвенными процессами (испарение, сорбция-десорбция в почвах, метаморфизация атмосферных выпадений биогоризонтами и др.), латеральными процессами сопряжения составных частей (поверхностный и внутрипочвенный сток, миграция организмов, гравитационный склоновый перенос твёрдого вещества и др.). Примером информационных свойств природных компонентов как меры их упорядоченного разнообразия могут служить комплексность почвенного и растительного покрова, смена сезонов и погод в пределах климатического года и др. По ранним представлениям (Сочава. 1963; 1978), понятие «геосистема» фактически отождествлялось с понятием «природный комплекс». К концу 20 в. сформировалось представление, что в реальности горизонтальные вещественные, энергетические и информационные связи обусловлены, по утверждению российского ландшафтоведа В. Н. Солнцева (Солнцев. 1997), тремя видами относительно независимых геофизических полей – биоциркуляционным, геоциркуляционным и геостационарным, – которые различаются по источникам энергии, пространственно-временным масштабам, периодичности. Поэтому подчинённые геосистемы одновременно интегрируются в несколько различных по природе и генезису вмещающих геосистем, что приводит к полиструктурности ландшафтного пространства, проявленной на любом масштабном уровне геосистемы. Биоциркуляционный механизм дифференцирует и агрегирует геопространство в зависимости от различий и сходства в ориентировке поверхностей к потоку инсоляции и формирует изопотенциальную (т. е. зональную) упорядоченность геосистем; геоциркуляционный механизм – по различию или сходству латеральных геопотоков, формируя векторную упорядоченность; геостационарный механизм – по различию или сходству стабильных геомасс, формируя мозаичную упорядоченность (Солнцев. 1997).

По утверждению российского ландшафтоведа В. А. Бокова (Боков. 1990) в ходе радиальных и латеральных взаимодействий происходит приближение характеристик геосистемы (формы, размеров, расстояний до объектов, ориентации по отношению к геофизическим полям и потокам, длительности состояний и др.) к такой пространственно-временной совокупности, которая обеспечивает её нормальное устойчивое функционирование. Механизмы приспособления обеспечиваются дроблением потоков в ходе их ландшафтной и барьерной трансформации, позиционной трансформации потоков, выравнивающих функций потоков, кумуляции эффектов короткопериодных явлений, зонированием свойств и др. Например, взаиморасположение и размеры овражных урочищ в пределах наклонной лёссовой равнины формируются в условиях конкуренции за нисходящие по уклону водные потоки. Закономерная последовательность размещения олиготрофных, мезотрофных и мегатрофных сообществ на склоне определяется постепенным насыщением внутрипочвенных водных потоков элементами минерального питания при фильтрации через горные породы и накоплением их на геохимических барьерах в местах разгрузки. Формирование пятен и полос берёзовых криволесий на фоне хвойных лесов в высокогорье связано с накоплением эффектов кратковременных лавинных событий регулярной повторяемости.

Целостность геосистем

Различаются классы геосистемных целостностей: вертикальная целостность и горизонтальная целостность (Боков. 1990). Вертикальная целостность обусловлена радиальными взаимодействиями геокомпонентов. Горизонтальная целостность проявляется неодинаково в зависимости от ранга геосистем. Интеграционная горизонтальная целостность (стоковая, атмосферно-циркуляционная, снеговая, почвенно-грунтовая, биоценотическая, нуклеарная и др.) проявляется у геосистем ранга ниже местности. При интеграционной целостности возможны устойчивость в определённом диапазоне значений факторов, свойства самовосстановления и самоорганизации, особые временные ритмы. Горизонтальная целостность однотипного реагирования (например, сходная реакция биопродукционного процесса разных урочищ на внутрисезонные колебания увлажнённости) характерна для ландшафтов, физико-географических провинций. Генетическая целостность свойственна ландшафтам, физико-географическим провинциям и реализуется в однотипных сочетаниях природных комплексов, унаследованных от палеогеографических обстановок (моренные холмистые равнины, водно-ледниковые волнистые равнины, ступенчатые лавовые плато и т. п.). Позиционная билатеральная целостность проявляется по принципу пространственной компенсации: положительные отклонения от среднего фонового значения (например, суммарной солнечной радиации) компенсируются отрицательными (например, в виде закономерного соседства остепнённых и залесённых склонов противоположной экспозиции в долине). Выделяются также элементарная (близкодействия) и суммативная горизонтальная целостность. Ландшафтный комплекс может быть одновременно включён в несколько типов целостности. Некоторые исследователи (А. Ю. Ретеюм, К. Н. Дьяконов) придерживаются узкого толкования термина «геосистема», соответствующего только интеграционной целостности, обусловленной потоками вещества (бассейн, катена, нуклеарная геосистема). Цепные реакции между геокомпонентами или комплексами распространяются только в пределах данной интеграционной целостности. Так, эффект роста поверхностного стока и высоты паводков в результате рубок леса в пределах речного бассейна распространяется в пределах стоковой целостности, а диффузионное рассеяние привнесённого в почвы вещества на плоской поверхности – в пределах почвенно-грунтовой целостности.

Временная структура (хроноструктура) геосистем

Составные части геосистемы также упорядочены во времени, поэтому в понятие структуры геосистемы включают и временную структуру (хроноструктуру), при описании которой базовым понятием выступает состояние геосистемы – упорядоченное соотношение параметров её структуры в определённый промежуток времени. Различают внешнее и внутреннее время геосистем. Внешнее (абсолютное) время может быть абстрактным и задаваемым числом внешних циклов. Внутреннее (относительное) время может задаваться через характерное время процессов, число внутренних циклов, порядок следования событий, положение геосистемы на оси её эволюции, время самоорганизации по мере движения к некоторому финальному состоянию. Характерное время соответствует времени релаксации, которое необходимо для восстановления равновесия после возмущения геосистемы. Реальный облик территории, отражённый в ландшафтном разнообразии, представляет собой статистический ансамбль состояний, которые проходят её территориальные элементы в результате их взаимодействий за несколько десятилетий. Геосистемы, по В. Б. Сочаве (1978), представлены разного рода коренными структурами и переменными состояниями, подчинёнными определённому инварианту, изменение которого выражается в эволюции геосистемы. По степени отклонения от коренного состояния фации делятся на коренные (суглинистые хорошо дренированные плакоры, отражающие зональную норму), мнимокоренные (с гипертрофированным воздействием какого-либо экологического фактора) и серийные (в которых не достигнута стабилизация строения).

Пространственные и временные элементы структуры геосистемы образуют инвариант геосистемы – совокупность устойчивых отличительных черт системы, придающих ей качественную определённость и специфичность. По глубине изменений процессов перемещения, обмена и трансформации вещества, энергии, информации в геосистеме в процессе саморазвития или под влиянием внешних факторов выделяют динамику, или функционирование (ритмичные изменения, не приводящие к смене состояний геосистемы); развитие, или онтогенез, геосистем (восстановительные смены состояний геосистемы, аналогичные сукцессионным рядам растительности); эволюцию, или филогенез, геосистемы (направленные необратимые изменения, приводящие к коренной перестройке структуры геосистемы и к смене её инварианта, т. е. к появлению новой геосистемы).

Саморазвитие геосистем

Изучение процессов динамики, развития и эволюции геосистем позволяет выявить основные механизмы саморазвития (в виде саморегулирования и самоорганизации) и пределы устойчивости геосистемы как реакцию на глобальные изменения природной среды и антропогенные воздействия. Саморазвитие противопоставляется вынужденному развитию под действием внешних факторов (экзорегуляции). Процессы саморегулирования являются продуктом более мощных процессов экзорегуляции.

Саморегулирование геосистемы направлено на обеспечение равновесия, которое нарушается отклонениями среды от средней нормы. Это механизм приспособления к флуктуациям среды с сохранением структуры путём включения отрицательной обратной связи (Арманд. 1988). Так, при сокращении влагообеспеченности степные геосистемы сокращают фитомассу и тем самым уменьшают потери влаги. Другой механизм саморегулирования – временный переход в закрытое состояние (прекращение вегетации и многих почвенных процессов зимой). Фундаментальным свойством саморегулируемых систем является потребность в определённом характерном пространстве. На стадии становления геосистема должна иметь экспансивный характер, позже – переходить в стадию самоорганизации и самоограничения для уменьшения зависимости от ресурсного источника (Ковалёв. 2009). При недостаточности внутренних механизмов саморегулирования могут включаться механизмы самоорганизации, т. е. способности изменить структуру для адаптации к изменившейся среде и усиления способности к саморегулированию (Арманд. 1988). Например, адаптация лесотундровой геосистемы криолитозоны к климатическим флуктуациям проявляется в виде периодического варьирования площадных соотношений между редколесными буграми пучения и заболоченными термокарстовыми котловинами, обусловливающих развитие друг друга. Самоорганизация проявляется и в виде развития позиционности, т. е. такого положения частей, которое обеспечивает устойчивое функционирование целого (Ковалёв. 2009). Если организация геосистемы – это определённым образом упорядоченная в пространстве и/или времени совокупность её элементов, соответствующая ряду внутренних требований, то самоорганизация рассматривается как способность самопроизвольно поддерживать и совершенствовать порядок в системе – её организацию – при условии поступления внешней энергии или потоков вещества, т. е. самоорганизация имеет диссипативную природу (Черванёв. 2004). Самоорганизация закрепляется в природе геосистемы в виде способности себя воспроизводить (независимо от внешних воздействий и при определённой автономии системы относительно её окружения), поддерживать, углублять и совершенствовать структуру, функциональные отношения и способы их саморегуляции. Например, концентрация стока в относительно узких полосах с развитием эрозионных урочищ можно трактовать как изменение пространственной структуры геосистемы, направленное на предотвращение избыточного накопления атмосферной влаги и, как следствие, смены инварианта.

Современная проблематика исследований геосистем

В современных исследованиях геосистем приоритетное внимание привлекают нелинейные эффекты: чередование периодов относительно монотонного самодвижения и утраты устойчивости к малым возмущениям (бифуркации), скачкообразные изменения свойств на фоне плавного изменения параметров (катастрофы), синергетические взаимодействия (Naveh. 2001; Пузаченко. 2010). По современным представлениям эволюция геосистемы заключается не столько в отборе идеально устойчивой равновесной со средой структуры, сколько в отборе состояний, позволяющих в точке бифуркации изменить структуру и выбрать оптимальную траекторию развития. Эволюция приводит к росту взаимонезависимости компонентов геосистемы, росту стохастичности связей, что в конечном итоге приводит к смене инварианта (Гродзинський. 2005). Геосистема в ходе развития стремится к созданию комплементарных внутренне неуравновешенных структур, которые реализуют кооперативное функционирование элементов; это означает, что внутренняя динамика должна быть нелинейной (Ковалёв, 2009). Становится очевидной необходимость рассмотрения ландшафтов как сложных динамических систем (Пузаченко. 2010) с привлечением аппарата физико-математического моделирования процессов и пространственной организации. Геоморфометрические величины, рассчитываемые по цифровым моделям рельефа, привлекаются для описания градиентов полей силы тяжести и инсоляции. Потоки описываются как результат действия градиентов гравитационного, магнитного и электромагнитного полей, взаимодействующих с полями давлений, температур и химических потенциалов в различных компонентах ландшафтов и в целом в ландшафтном покрове (Сысуев. 2020).

История исследований и трактовки геосистем

Термин «геосистема» введён в широкий научный обиход отечественным географом В. Б. Сочавой в 1963 г., однако ещё в 1934 г. отечественным геоботаником И. А. Титовым были высказаны революционные для того времени соображения о системном пространственно-временно́м характере взаимодействий растительных сообществ и абиотических условий среды, развивающихся как единое целое в рамках «георастительных систем». По-видимому, эту концепцию можно считать прообразом учения о геосистемах, получившего впоследствии широкое развитие в трудах российских ландшафтоведов В. Б. Сочавы, В. С. Преображенского, А. Г. Исаченко, В. А. Николаева, А. Д. Арманда, В. Н. Солнцева, А. Ю. Ретеюма, К. Н. Дьяконова, Ю. Г. Пузаченко, В. В. Сысуева, В. Н. Петлина, А. К. Черкашина, А. П. Ковалёва и др. Внедрение системного подхода в ландшафтоведение способствовало усилению внимания к структурно-динамическим и функциональным свойствам объектов, эмерджентным эффектам взаимодействий составных частей, латеральным потокам вещества и энергии, иерархической организации ландшафтной оболочки.

Помимо трактовки геосистемы как синонима природного или природно-антропогенного комплекса (В. Б. Сочава, Л. Миклош), существуют также как более узкие, так и более широкие трактовки термина «геосистема». К узким трактовкам относятся: а) территория, в границах которой действует однонаправленный поток вещества и энергии – катена, бассейн (Н. А. Гвоздецкий, А. Ю. Ретеюм, К. Н. Дьяконов); б) сложная комбинация процессов, связывающих между собой регионы или геокомпоненты, – атмосферная циркуляция, круговорот воды и т. д. (Д. Л. Арманд, А. П. Ковалёв, Р. Кристоферсон); в) мысленная конструкция, модель реальности, её абстрактное отображение (А. Д. Арманд); г) регион определённого таксономического ранга, примерно – физико-географический район (Ж. Бертран); д) территории, объединяемые взаимодействием абиотических компонентов (европейские геолого-геоморфологические школы). Широкие трактовки подразумевают, что геосистема – это: а) территория с закономерным единством природы, населения и хозяйства (Ю. Г. Саушкин); б) родовое обозначение любых территориальных систем – природных, социально-экономических, интегральных (Я. Демек, Й. Крхо, В. С. Преображенский, В. М. Пащенко).