Мелиорация осуществляется практически во всех ландшафтах планеты, частично их преобразовывает. Однако все ее виды и способы традиционно однообразные, технические, не отражают природную системность. Эта проблема решалась в фундаментальных работах А.Н. Голованова с соавторами [1, 2], И.П. Айдарова [3], Н.Н. Дубенок [4]. Дополнительно проанализировано еще около 50 работ по мелиорации за последние 10 лет. Однако ни в одной из них не отражено главное свойство мелиорации планеты – ее системное единство с географией, выраженное посредством географической и цифровой информации. Поэтому объектом исследований данной работы явилась геоинформационная и цифровая мелиорация, предметом – теоретико-методическое направление в современной мелиорации. Основная цель работы – обоснование оптимизации экологических процессов и мелиоративной деятельности.
Основы географические и цифровые мелиорации
Основные положения географии отражают ее общность с мелиорацией. Так, все географические явления любых форм принадлежат планете Земля и определяются ее признаками. Географические системы – это переменные состояния природных комплексов, к ним относятся и мелиоративные объекты. Природно-технические системы функционируют по согласованным природным и социальным законам. Приведенные признаки отражают единство и различие мелиоративных и географических систем.
В ХХ веке выполнены фундаментальные исследования по интенсивности физико-географического процесса [5–7]. В них обосновано оптимальное развитие процесса с эквивалентным равенством ресурсов тепла и влаги. При нем формируется максимальная биологическая продуктивность растений. Здесь ресурсы тепла и влаги, продуктивность растений оказались оптимальными мелиоративными характеристиками. Они определяют не только вектор развития географического процесса, но и являются точкой отсчета норм орошения и осушения в мелиорации. Практически – физико-географический процесс определил географо-цифровую модель построения, эксплуатации и создания совершенных природно-технических системы с характерными свойствами управления, экологического и экономического сопровождения.
Имеется множество предложений по управлению такими системами. Более детально проанализированы приемы управления водными режимами мелиорируемых полей в работах И.М. Михайленко [8], Л.А. Александровской с соавт. [9], Е.А. Захаровой с соавт. [10]. Однако все они, локальные или региональные, могут быть некоторым примером функционирования систем будущего. Возникает необходимость в поиске единой стратегии управления мелиоративным процессов в разномасштабных системах. Предстоит строить мелиоративные системы с заранее установленным автоматическим или саморегулирующим управлением с необходимыми экологическими ограничениями. Это особый блок оптимального управления мелиоративными объектами, охватывающий практически все природные системы. Он должен быть подобен универсальному физико-географическому процессу. При решении данной задачи прекратятся споры о способах управления водными режимами почв. В науке уже известны подобные ситуации. Так, В.Р. Вильямс [11], несмотря на ряд ошибочных мелиоративных положений, четко сформулировал представление об эволюции органического мира, как главной движущей силы эволюции почв. Его концепция совпала с биогеохимическими идеями В.И. Вернадского [12]. Видимо, стратегическое (планетарное) решение задач управления географическими системами, их переменными мелиоративными состояниями следует соизмерять с эволюцией почв, с экологией ландшафтов.
Методической проблемой остается сравнительная оценка экологических и экономических затрат на эффективную деятельность природно-технических систем – безопасных для природы и человека. Данной проблеме посвящено много работ [3, 13–15]. Эти научно-практические исследования крайне необходимы. Однако в них односторонне и регионально освещаются приоритеты экологии или экономики. Нет масштабного сравнительного анализа – пределов ограничения экологических или мелиоративных эффектов, определения их равноценности, безвредного влияния на среду обитания человека. С этих позиций новую мелиорацию следует рассматривать как систему, в которой взаимодействие природы и общества осуществляется в пределах соразмерных экологических и экономических затрат, с экологическим приоритетом.
Проблема цифровой мелиорации появилась давно. Однако применялись математические приемы практически раздельно при выборе местоположения, рекультивации, строительстве, эксплуатации и сборе урожая. Это не всегда обеспечивало ожидаемый эффект. Возникла необходимость в создании единой математической модели всего мелиоративного процесса, как согласованных множественных взаимодействующих этапов мелиоративной деятельности. Задача определяется не только созданием стратегических приемов формирования для всех частей мелиоративной системы, но и обеспечением методических основ их взаимной согласованности и оптимизации. Современный научно-технический прогресс уже может решить данную задачу.
Важной проблемой остается поиск географической и цифровой информации не только в самих системах, в центрах, управляемых ими, но и в пределах географической оболочки и прилегающих к ней сфера, оказывающих прямое или косвенное влияние. Масштаб информационной среды оказывается планетарно-космическим, ограниченным тепловым излучением Солнца. В данных информационных пределах между составляющими природы, хозяйств и техники следует обосновывать решения целевых задач наземной мелиорации.
Таким образом, геоинформационная и цифровая мелиорация – это система мероприятий строительства и совершенствования мелиоративного объекта с информационной структурой. Информационное поле мелиоративной системы обширное: от элементарного наземного объекта, биосферы, географической оболочки до космического пространства. Здесь особенно следует знать сферу мелиоративного воздействия [16, 17].
В анализируемом мелиоративном пространстве важное место занимает «диалог» человека с мелиоративной системой. Потребность в нем возникла в связи с поиском управления человеком мелиоративным объектом, а также с совершенствованием его отдельных структур и режимов. Конкретно «диалог» определяется взаимодействием человека с элементами системы, основанным на прямых и обратных связях между ними.
Статистические пределы формирования мелиоративных и биологических систем
В мелиоративных системах сохранились многие экологические свойства прежней природы, но привнесены и новые. Состав культурных растений оказался с низким биоразнообразием, высокой продуктивностью, но с пониженной устойчивостью [18].
В природе имеют место несколько подобные естественные состояния географических систем – лесостепи, саванны, прерии, разделяющие влажные и аридные ландшафты. Определяются они как «экотон» – с максимальной продуктивностью. Это зоны равенства тепла и влаги с неустойчивым, переменным режимом отражают оптимальные сочетания тепла и влаги при наименьшей влагоемкости почв.
В мелиоративном почвоведении наименьшая влагоемкость рассматривается как средняя арифметическая величина оптимального увлажнения почв, обеспечивающая оптимальную (максимальную) биологическую продуктивность растений. Крайние отклонения от нее – это критические состояния увлажнения, при которых продуктивность растений минимальная или совсем не воспроизводится. Так, в условиях избыточного увлажнения полная влагоемкость почв превышает наименьшую (НВ) в 1,33 раза, а влажность завядания составляет 0,68–0,72 НВ. В обоих случаях отклонения от НВ находятся в пределах 30–34 %.
В статистике при стандартной (квадратической) величине, равной ±1, двухстороннее отклонение от среднего арифметического значения, охватывает 68 % всех отклонений. Одностороннее составляет 34 %. С большим приближением коэффициент парной корреляции в диапазоне ±σ (68 %) возможно принять за предел максимальной вероятности развития растений суши. Однако в природе даже после катастрофических климатических изменений растительность, благодаря сохранившейся корневой системе, быстро восстанавливается [7]. В данном случае растительность выступает мощнейшим стабилизирующим фактором.
Приведенные мелиоративные изменения влажности почв следует оценивать как пределы применения геоинформационной и цифровой мелиорации. За данными пределами имеют место естественные проявления катастрофических природных процессов и рисков.
Географические пределы пространственных изменений ресурсов тепла и влаги
В Иркутской области, Республике Бурятия и Забайкальском крае выявлено от 4 до 9 пространственных корреляций температур и осадков с высотами местности. Это внутриконтинентальные региональные географические системы дисперсные, но с единым функционированием в пределах 90000 до 150000 км2. Их информация представлена локальными данными метеорологических станций, изолированных в географическом пространстве.
Формирование в одном природном объекте нескольких дисперсных систем осуществляется наличием в нем независимых инвариантных структур, ограничивающих пространственное распределение влаги и тепла. Такими являются формы рельефа, которые по-разному прогреваются солнечным теплом и обеспечиваются разным количеством атмосферной влаги. Подобное явление возможно объяснить процессом диффузии – ограничивающим взаимодействие природных систем с разными энергетическим и вещественным потенциалами. В них интенсивность взаимодействия обеспечивается температурами и завершается установлением их равновесия. С высотами местности воздух расширяется, температуры понижаются, взаимодействие между географическими системами уменьшается и на определенных высотах полностью прекращается, сравнивается. Начинает формироваться единый тепловой фон приземной атмосферы.
Диффузия совместно с адиабатическим процессом существенно понижают процесс формирования осадков высоких облаков. Эти процессы с испарением капель дождя не только ограничивают приземное увлажнение, но и его прекращают. К подобным дисперсно-адиабатическим системам относятся субконтинентальные физико-географические области и природные зоны. Обусловлены они особым строением земной коры и круговоротом «континент – океан». Если множественные типы увлажнения планеты разделить по ландшафтным признакам, то суммарная величина переувлажненных почв составит 68 млн км2 (46 %), сухих – 61 млн км2 (44 %), оптимального увлажнения – 4,4 млн км2 (3 %). Их планетарный баланс подтверждает однотипное независимое увлажнение и в то же время нахождение в единой дисперсно-адиабатической географической системе.
Главное свойство дисперсно-функционирующих географических и мелиоративных систем – это сетевое распределение элементов природы земной поверхности. Составляют они специализированный класс природных объектов, которые не охватывают все пространство. Если по каким-то причинам естественный процесс замещается иным более мощным пространственным явлением, дисперсно-функционирующие системы разрушаются, приобретают иные экстремальные свойства.
Экстремальные природные явления
Геоинформационная и цифровая мелиорация сформировалась из недр хозяйственной деятельности человек. Выявлено, что любое природопользование трансформирует географическую оболочку. Возникла проблема сохранения экосистем планеты. Истории известен факт гибели ассиро-вавилонской цивилизации. В шестом веке до новой эры была осуществлена попытка расширения ирригационной системы в бассейне Тигра и Евфрата за счет вод гор. Мощные водные потоки выносили много горных пород на поля. Мелиоративные системы перестали выполнять хозяйственные функции, что привело к гибели цивилизации.
Н.Н. Моисеев [19] осуществил моделирование глобальной окружающей природной среды применительно к разным сценариям развития мира и выявил, что угроза ядерной войны является не военной, а антропогенной, глобальной экологической катастрофой планетарного масштаба, выраженной «ядерной ночью» или «ядерной зимой».
Известны и «вулканические зимы», которые порождаются мощными извержениями вулканов, накоплением пыли в атмосфере, сокращением притока солнечного тепла. Сопровождаются сильнейшими холодами и снегопадами. Ряд ученых утверждают, что извержение вулкана Тобо на о. Суматра сократило численность людей планеты до 10 тыс., а землетрясение в Карпатах стало причиной вымирания неандертальцев. В настоящее время в Америке предсказывают извержение супервулкана Иеллоустона. Его последствия могут погубить природу и человечество всего северного континента. В этой связи проанализируем явление – «черные ландшафты». Имеется в виду превращение земель суши в агроландшафты. Вспаханная земля, как черное тело, получает максимальное количество тепла. В естественных ландшафтах приток тепла меньший. При их мелиорации разница в притоке тепла может увеличиваться на 10–20 %. Это не столь огромные изменения. Распаханные земли составляют около 10 % площади суши Земли. Они быстро зарастают, покрываются снегом в умеренных и арктических широтах [20]. В итоге «черные ландшафты» не представляют угрозу человечеству. Однако региональные изменения могут быть существенными: увеличится испарение с полей, уменьшится сток, возрастет водная эрозия во время ливней.
Мелиоратор преобразовывает не только почву, но с ней изменяет бесчисленные связи между компонентами природы. Необходимо учитывать экологические процессы в любой мелиоративной деятельности. Мелиорация не улучшает природу, не охраняет ее, а лишь преобразует отдельные ее составляющие. В улучшении природа не нуждается, она естественно эволюционирует. При достижении предельных воздействий они могут трансформироваться и формировать планетарные катастрофы.
Формирование мелиорации в новой России
Проанализированные положения геоинформационной и цифровой мелиорации рассмотрены на фоне хозяйственной деятельности России. На протяжении последних трех десятилетий природа и общество России существенно трансформировались. Мелиорацию России преобразовали два фактора – переход на капиталистический путь развития и глобальное потепление. Мелиорация оказалась в государственно-хозяйственной неопределенности. Что касается климата, то вопрос остается дискуссионным: чего ждать – глобального потепления или ледникового периода [21]?
В данной неопределенности наука и практика отреагировали обоснованием не переменных, а более обоснованных инвариантных факторов развития новой мелиорации [22, 23]. Ее сдвиг произошел в предсказуемые информационные поля законов множественных фундаментальных наук: физики, географии, биологии, климатологии, почвоведении. Началась формироваться мелиорация как фундаментальная наука о природно-технических системах, включающих элементы природы, общества, информационную сферу. При этом обоснование объекта мелиорации, установление его функциональных, информационных основ стало главным. С таким содержанием сформировалась мелиоративная матрица России – «Геоинформационная и цифровая мелиорация». Прежняя мелиорация выполнила историческое назначение, а новая начала формироваться на эколого-экономических и географических основах [17]. Ряд её положений были опубликованы автором работы ранее [24, 25].
Заключение
Обосновано новое направление – географическая и цифровая мелиорация на положениях оптимального географического и эколого-хозяйственного функционирования мелиоративных систем. Запрограммированы они на сохранение экосистем и эффективную мелиоративную деятельность.
Дано определение новой мелиорации – геоинформационной и цифровой, как системе с мелиоративным объектом (ядром), информационной сферой и механизмом, управляемой человеком. Обоснована информационная среда мелиоративного объекта, которая изменяется от элементарного природного комплекса до планетарно-космического. Установлена структура мелиоративной системы. Она содержит согласованное единство географических, биологических, социальных и технических свойств системы. На данной согласованности проанализирован ряд мелиоративных аспектов, обеспечивающих формирование оптимизированных природно-технических систем.
Концепции ноосферы, коэволюции, природообустройства явились определяющим вектором современного научного познания мелиоративного единства природы и общества. Началось формирование прогрессивного научно-производственного направления – геоинформационная и цифровая мелиорация. Это взаимодействие природных и технических систем направлено на решение проблем продовольственной безопасности и эффективного жизнеобеспечения человека.