7. Применимость теории развития экосистемы и эволюции биосферы к экологии человека
Принципы развития экосистемы имеют важное отношение к взаимодействиям между человеком и природой, потому что тенденции развития природных систем, заключающиеся в повышении уровня структурированности и сложности на единицу потока энергии (стратегия максимальной сохранности), часто вступают в противоречие со стремлением человека получить максимум продукции (иными словами, получить наибольший возможный урожай).
Основной конфликт между стратегиями человека и природы изображен на рис. 8.14 (и на рис. 8.2). Способ подразделения потока энергии на ранних стадиях развития экосистемы (30-дневный
Рис. 8.14. Противоположные пути распределения энергии в развивающейся и зрелой системах.
микрокосм или 30-летний лес) иллюстрирует современные представления политических и экономических лидеров о том, как следует управлять природой. Например, цель современного сельского или интенсивного лесного хозяйства состоит в получении высоких урожаев легко убираемых продуктов, с тем чтобы доля урожая на корню, которая остается и накапливается в ландшафте, была как можно меньше; иными словами, хозяйство направлено на достижение высокого отношения PIB. Человек всегда старается получить как можно больше продукции с ландшафта, развивая и поддерживая экосистемы ранних стадий сукцессии, обычно монокультуры. Ho ведь человеку нужны не только пища и одежда; ему необходимы также сбалансированная по СОг и О2 атмосфера,, мягкий климат, который обеспечивают океаны и зеленые массивы, чистая (т. е. непродуктивная) вода для бытовых, культурных и промышленных нужд. Многие необходимые для жизни ресурсы, не говоря уже о тех, которые необходимы для удовлетворения рекреационных и эстетических потребностей, лучше обеспечивают менее продуктивные ландшафты.
Поскольку одпу и ту же систему невозможно оптимизировать по двум несовместимым критериям, вырисовываются два приемлемых решения дилеммы: либо мы должны все время искать какой-то компромисс между количеством урожая и качеством жизненного пространства, либо должны продумать такой план расчленения ландшафта, при котором можно было бы на разных участках поддерживать высокопродуктивный и преимущественно протективнып типы в качестве отдельных единиц, к которым применяется совершенно различная стратегия ведения хозяйства (стратегия при этом варьирует от, например, интенсивного сельского хозяйства с одной стороны, до сохранения совершенно нетронутой природы — с другой).
Импульсная стабильность. Более или менее регулярные, но резкие физические возмущения, поступающие извне, могут поддерживать экосистему на некоторой промежуточной стадии развития, так сказать, в состоянии компромисса между молодостью и зрелостью. Хорошим примером этого служат так называемые «экосистемы с колеблющимся уровнем воды». Лиманы и литораль в общем поддерживаются на ранних относительно плодородных стадиях благодаря приливам, поставляющим энергию для быстрого круговорота биогенных элементов. Сходным образом пресноводные болота, например, в Национальном парке Эверглейдс во Флориде поддерживаются на ранней стадии сукцессии сезонными колебаниями уровня воды. Падение уровня воды в сухой сезон ускоряет аэробное разложение скопившегося органического вещества, в результате чего высвобождаются биогенные элементы, которые при паводковом затоплении поддерживают расцвет продуктивности. Жизненные циклы многих организмов тесно связаны с этой периодичностью, как, например, у лесного аиста (см.
ническим материалом и произошла бы сукцессия от современного прудово-прерийного ландшафта к кустарникам или заболоченному лесу.
Вызывает удивление, что человеку так трудно оценить всю важность периодических изменений уровня воды в природной ситуации, такой, как в парке Эверглейдс, когда подобные изменения лежат в основе одного из наиболее древних способов производства пищи человеком. Периодическое заполнение и осушение прудов на протяжении многих веков было одним из обычных приемов в рыбоводстве как в Европе, так и на Востоке. Другой пример — затопление, осушение и аэрация почвы при выращивании риса. В этом смысле рисовое поле — культурный аналог природного болота или литоральной экосистемы.
Другой физический фактор, периодические воздействия которого имели жизненно важное значение на протяжении столетий, — это пожары. Как было описано в гл. 4, целые биоты, такие, как африканские степи и калифорнийский чапараль, адаптировались к периодическим пожарам, сформировав то, что экологи часто называют «пирогенным климаксом». На протяжении веков человек сознательно использовал пожары для поддержания таких климаксов или для возвращения сукцессии на какую-либо из желаемых стадий. Контролируемый пожарами лес дает меньший урожай древесины, чем интенсивные лесные хозяйства (где растут молодые деревья приблизительно одного возраста, расположенные рядами с коротким циклом воспроизведения), но он лучше защищает ландшафт, дает древесину более высокого качества и служит убежищем для птиц — объектов спортивной охоты (перепелов, диких индеек и т. п.), которые не выживают в условиях интенсивного лесного хозяйства. Таким образом, пиро- генный климакс представляет собой пример компромисса между продуктивностью и простотой с одной стороны и защитой и разнообразием — с другой.
Импульсная стабильность срабатывает только в том случае,, если сообщество в целом (т. е. не только растения, но и животные* и микроорганизмы) адаптировано к некоторой определенной частоте и интенсивности возмущений. Адаптация (возникающая под действием отбора) требует времени, измеряемого в эволюционном- масштабе. Большинство антропогенных физических стрессов слишком внезапны, слишком разрушительны или слишком аритмичны, чтобы к ним можно было адаптироваться; поэтому они приводят к сильным колебаниям, а не к стабильности. По крайней мере во многих случаях попытки приспособить естественно адаптированные экосистемы к хозяйственным нуждам, вероятно, дадут лучшие результаты, чем их полная переделка.
Перспективы ведения сельского хозяйства на основе детрита* Гетеротрофное использование первичной продукции в зрелых
экосистемах в значительной степени связано с потреблением разлагаемого детрита. Нет причин, по которым человек не мог бы интенсивнее использовать детритную пищевую цепь для получения пищи и других продуктов, сохраняя в то же время защитные функции экосистем. Такое решение вновь означало бы компромисс, так как «сиюминутный» урожай не может быть таким же большим, как при непосредственной эксплуатации пастбищной пищевой цепи. Однако у детритного сельского хозяйства имелись бы некоторые компенсирующие недобор урожая преимущества. Современное сельское хозяйство ориентировано на селекцию растений, быстрый рост и высокую пищевую ценность, что, конечно, делает их восприимчивыми к насекомым и болезням. Следовательно, чем интенсивнее мы ведем отбор на сочность и скорость роста, тем больше сил нам приходится затрачивать на химические средства борьбы с вредителями. Это в свою очередь увеличивает вероятность отравления полезных животных, не говоря уже о самом человеке.
Почему бы нам не практиковать также и обратную стратегию — отбор малосъедобных растений или растений, вырабатывающих в процессе роста собственные системные инсектициды с последующей переработкой чистой продукции в продукты питания путем микробиологического или химического обогащения на пищевых фабриках? Тогда мы могли бы направить биохимические исследования на изучение процессов обогащения, вместо того чтобы отравлять наше жизненное пространство химическими ядами.
Блоковые модели землепользования. Анализируя вопрос о том, каким образом принципы развития экосистемы связаны с ландшафтом в целом, рассмотрим блоковые модели, изображенные на рис. 8.15. На верхней диаграмме изображены три типа окружающей среды, служащие системами жизнеобеспечения для четвертого блока, представляющего собой гетеротрофную систему промышленно-городского типа. Продуктивная «окружающая среда» человека представлена экосистемами на ранних стадиях сукцессии, такими, как посевы, пастбища, древесные плантации и интенсивно эксплуатируемые леса. Все эти экосистемы обеспечивают человека продуктами питания и волокном. Зрелые экосистемы, такие, как старые леса, климаксные степи и океаны, выполняют в большей степени защитную, чем продуктивную функцию. Они стабилизируют субстраты, служат буферами в круговоротах воздуха и воды, смягчают колебания температуры и другие физиче-
Рис. 8.15. Блоковые модели для планирования использования окружающей среды. А. Разделение в соответствии с теорией экосистемы. Б. Разделение с точки зрения ландшафтного архитектора и дизайнера. Объяснения CM. в тексте.
ские факторы и при этом часто дают полезные продукты. Третья категория естественных или полуестественных экосистем принимает на себя главную нагрузку по ассимиляции большого количества отходов, производимых городскими промышленными и сельскохозяйственными системами. Эти экосистемы представлены водными путями (континентальными и береговыми), болотами и другими местами, подвергающимися сильной нагрузке. Экосистемы этой произвольной категории находятся преимущественно на промежуточных, эвтрофицированных или задержанных стадиях развития сукцессии. Все они непрерывно взаимодействуют, будучи объединены друг с другом входами и выходами (на рисунке показаны стрелками).
Подразделение ландшафта на три компонента окружающей среды — «природный», «освоенный» и «искусственный», как это традиционно делается в ландшафтной архитектуре (рис. 8.15, Б),— открывает другой удобный подход к изучению потребностей и взаимосвязей нашего хозяйства.
Хотя урбанизированная, или искусственная, среда «паразитирует» на среде жизнеобеспечения (природной и «одомашненной»), получая биологическую продукцию для своих нужд, она создает и экспортирует другие, преимущественно небиологические ресурсы. Это удобрения, капитал, произведенная энергия и товары, которые могут быть как полезными, так и опасными для биологической среды. Можно было бы сделать значительно больше для увеличения полезных субсидий и снижения стрессовых воздействий на выходе с этой заряженной энергией и плотно населенной «горячей точки», и отныне это должно стать главной целью человечества. Неизвестно, может ли соответствующая технология заменить в глобальном масштабе блага, предоставляемые биотическим комплексом жизнеобеспечения, и услуги, выполняемые природными экосистемами (вспомните обсуждение автономного космического корабля в гл. 2, разд. 7).
Прежде чем рассматривать перспективный план землепользования, или «систематизированного развития», вместо существующего, которое ведется от случая к случаю, преимущественно ради «сиюминутных» политических и экономических выгод, определяющих пользование землей и водой (см. Watt, 1977, гл. 2, для сравнения случайного и систематизированного развития), остановимся вкратце на подразделении, или расчленении, окружающей среды в США в 1980 г. Около 24% площади суши (рис. 8.16,А) составляют агроэкоспстемы и 6 % — городские промышленные системы (включая транспортную сеть). Оставшиеся примерно 70% — это природные экосистемы, которые в разной степени подвержены выпасу, заготовкам древесины, использованию в качестве рекреационной зоны и загрязнению. 4% входит в состав национальных парков или парков штатов, убежищ дикой природы и диких животных. Эти 4% лучше всего защищены от антропогенных нарушений, хотя некоторые из них контролируются, с тем чтобы сохранить определенную растительность, виды диких животных или их научную ценность. Общественные леса и открытые пространства (степи и пустыни) составляют около 30% поверхности 48 штатов (кроме Аляски и Гавайев). Предполагается, что здесь хозяйство ведется так, чтобы сохранялось устойчивое состояние растительных структур и чтобы собираемый урожай и выпас ^уравновешивались компенсирующим приростом. Однако перед ли-
Рис. 8.16. Землепользование в США в 1980 г. А. Земельная площадь континентальной части США. Б. Площадь с включением вод над континентальным шельфом.
цом растущей численности и запросов населения становится все труднее следовать этой национальной политике.
Воды океана над континентальным шельфом функционируют как большие системы ассимиляции отходов и смягчения климата. Они служат также источником пищи, поэтому представляют собой существенную часть системы жизнеобеспечения прилежащих континентальных районов. Если воды над шельфом включить в общую схему (рис. 8.16,5), то получим, что 75% поверхности США находится в природном или полуприродном состоянии (в разных: случаях под воздействиями разной силы) и 25% составляют городские и сельскохозяйственные системы.
Прежде чем делать вывод, что соотношение от 3:1 до 5:1,. характеризующее доли природной и окультуренной среды, указывает на достаточное (по-видимому, более чем достаточное) раз- витие среды жизнеобеспечения, подумаем о следующих трех ограничениях: Поскольку уровень мощности городских промышленных систем примерно в 100 раз выше уровня в любой природной экосистеме (см. табл. 3.18), для рассеяния неупорядоченности на выходе городской системы малой площади нужна очень большая площадь природной системы, которая, как уже отмечалось, должна обладать определенной диссипативной емкостью, чтобы могли развиваться и поддерживаться высокоорганизованные структуры. Жизнеобеспечивающая способность природной среды может меняться на несколько порядков в зависимости от ее продуктивности (рабочего потенциала) и степени уже действующего стресса. Так, I га пустыни никогда не может быть столь же эффективным, как I га плодородного прибрежного болота, а уже сильно* загрязненное озеро имеет очень немного дополнительной возможности для жизнеобеспечения. Страны с высокой плотностью населения и развитой промышленностью, такие, как Япония и многие европейские страны,, зависят в обеспечении необходимого притока энергии, материалов,, продуктов питания и общих благ и услуг от обширных пространств вне собственной территории. Эти потребности в окружающей среде на входе Боргстром (Borgstrom, 1969) назвал «акрами-приведениями». Он подсчитал, что в Японии только для обеспечения населения страны одной пищей на каждый акр сельскохозяйственных угодий в пределах государства требуется 5 акров моря и суши вне страны. Примерно так же высоко отношение акров-привидений к акрам внутри страны в Бельгии, Голландии и повсюду в Европе. США, напротив, не только сами кормят себя., но и экспортируют продукты питания, обеспечивая тем самым акрами-привидениями другие страны, которые не в состоянии прокормиться сами. Следовательно, нельзя сравнивать схемы землепользования и соответствующие им коэффициенты в малых* плотно населенных странах с такими же показателями в больших •странах с низкой плотностью населения, если не учитывать внешние площади жизнеобеспечения, в которых нуждаются страны первой категории. Если включить в рассмотрение эти площади, то отношение площади жизнеобеспечения к площади городов и промышленных районов окажется во всех случаях высоким.
Все это делает крайне трудным объективное определение того, как много природной среды нужно сохранить в пределах каждой данной политической единицы (штата или страны), чтобы обеспечить заданный уровень развития человеческого общества. Один подход, предложенный Одумом и Одумом (Odum, Odum, 1972), состоит в построении такой модели землепользования, в которой можно было бы менять соотношение природных и окультуренных земель, как показано на рис. 8.17. Если все входы и выходы компонентов модели количественно оценить в единицах энергии, то разные варианты планирования землепользования можно проигрывать на цифровой или аналоговой машине. «Природные земли» определяются в такой модели как часть ландшафта, которая сама себя обеспечивает и для поддержания себя нуждается лишь в минимальном вмешательстве человека. В функциональном отношении «природная среда» — это такая часть системы жизнеобеспечения человека, которая работает без включения на вход человеческой энергетики или экономики. На рис. 8.17 показаны кривые, характеризующие (в величинах чистой энергии) одно из решений такой модели. Если площадь обрабатываемой и застроенной земли превышает 40%, то, как только возможности природного жизнеобеспечения оказываются не в состоянии удовлетворить потребности интенсивного городского и сельскохозяйственного развития, стоимость всего ландшафта резко падает. В этой ситуации пропорционально уменьшился оборот (гл. 3, разд. 8, см., в частности, рис. 3.20). По словам Одума и Одума, «даже простейшие модели ясно показывают, что высокоэнергетические системы, такие, как города, нуждаются в обильном природном жизнеобеспечении. Если для обеспечения необходимых входов от природы пе сохраняются большие пространства природной среды, то качество жизни в городе снижается, и этот город не может больше экономически конкурировать с другими городами, где имеются мощные входы системы жизнеобеспечения. Часто именно это, а не энергия сама по себе становится лимитирующим фактором. При этом некоторые основные природные ресурсы нуждаются в высоком уровне потока энергии для своего поддержания. Непрерывный городской, промышленный и (или) сельскохозяйственный рост во многих частях США (и мира в целом) будет зависеть от создания новых водных ресурсов (опреснение морской воды, выкачивание подземных вод или использование удаленных источников). Все это требует больших энергетических затрат. Ec-
Рис. 8.17. А. Модель земельного хозяйства, допускающая изменение соотношения природных и освоенных земель для определения оптимального- с точки зрения среды в целом их баланса. В. Характеристические кривые, основанные на данных, полученных с помощью модели для гипотетического= региона с экстенсивным развитием городов. (Odum, Odum, 1972.) I — общая стоимость; II — стоимость освоенных земель; III — стоимость природы; IV — стоимость взаимодействия.
ли создавать такие источники, то энергетическая цена города ^возрастет настолько, что он не сможет более конкурировать с теми городами, которые не оплачивают столь большие энергетические затраты. -Складывается грустная ситуация, когда город перерос (свои средства и не может больше оплачивать свое существование. Эти города занимают деньги или требуют федеральные дотации, чтобы расти еще больше и соответственно предъявлять еще большие требования к системам жизнеобеспечения, тогда как им следовало бы направлять все больше энергии на сохранение качества и эффективности уже освоенной окружающей среды и на уменьшение нагрузки на жизненно важную поддерживающую ‘часть окружающей среды».
Определение оптимального соотношения разных типов ландшафта — это, конечно же, самый первый и простой шаг в разумном планировании. В такой же мере для достижения нужного взаимодействия важна пространственная структура, т. е. размещение энергетических станций, промышленных районов, сельскохозяйственных угодий и участков природы. Иными словами, если электростанции, аэропорты и промышленные предприятия окружены зелеными поясами естественных природных участков, то буферная емкость этих участков оказывается более эффективной, чем если эти же самые площади природных зон расположены в удалении. Огромное значение приобретают социальные проблемы, такие, как неравенство, экономическое положение и социальная ¦справедливость, особенно если плотность населения велика и промышленность интенсивно развита. Последствия выбранного варианта планирования нужно определять не только в целом (на душу населения), но и по отношению к разным социальным, расовым и экономическим группам, воздействие на каждую из которых данного варианта плана может быть очень различным. Так, скоростная дорога, проектируемая на благо местному хозяйству, в долговременном аспекте может оказаться чистым убытком, если она будет отрицательно воздействовать на соседние жилые районы. Наряду с планируемой экономической выгодой необходимо учитывать и стоимость разрушения общественной структуры.
Моих учеников, моих коллег и меня самого несколько раз просили построить холистические модели для принятия решения относительно строительства сверхскоростных дорог. В одном случае нужно было выбрать между альтернативными трассами, в другом — отказаться от строительства пригородной дороги через одно .из населенных предместий Атланты, в третьем — изменить направление скоростной дороги с интенсивным движением, чтобы снизить ее отрицательное воздействие на природные участки, обладавшие рекреационной и эстетической ценностью и важные для жизнеобеспечения. В каждом случае все доступные величины — экономические, экологические, социальные и т. п. — были даны в числовом масштабе общих единиц измерения и взвешивались в соответствии с лучшими из имевшихся экспертных оценок (см. Е. P. Oduro et al., 1976). В каждом случае попыткам оценить тотальный вред противопоставлялись деловые и прочие частные интересы, но когда «все карты были раскрыты», оказалось довольно просто согласовать эти интересы в соответствии с решением, выданным холистической моделью. Редакционная статья одной из газет выразила это так: «Это единственный путь к согласию на благо целого, которое может быть достигнуто в условиях демократии».
Если вернуться к структуре землепользования в США, которая показана на рис. 8.16, то в свете уже обсуждавшихся теоретических соображений представляется вполне приемлемым отношение Vs освоенной территории: 2/з природной среды. Для страны в целом можно сказать, что американцам повезло в обладании таким обилием природных благ и услуг. Однако большая часть США аридна и не обладает такой поддерживающей способностью, как хорошо увлажненные районы. Об этом свидетельствуют острый недостаток воды и увеличение ее цены в большинстве Западных штатов. Таким образом, в США никоим образом нет излишков площади жизнеобеспечения, и американцам следует заботиться о постоянной защите существующей природной среды, о ее качестве и емкости. Кроме того, увеличивающееся распространение кислых дождей, смога и других загрязнений говорит о том, что уже исчерпана емкость некоторых регионов, таких, как Южная Флорида, Южная Калифорния, промышленное Северо-Восточное побережье и индустриальный район Великих озер.
Всеобъемлющее планирование с учетом перспективы экологического и эволюционного развития. Некоторые новаторские под- ходы к конструированию ландшафта, базирующиеся на холистических экологических принципах, будут проиллюстрированы тремя примерами.
Прекрасно иллюстрированная книга Мак-Харга (McIIarg, «Конструируем с природой» стала классической и вдохновила много попыток проектирования, согласованного с природными особенностями ландшафта. Впервые в одной книге в доступной форме приведены факты в пользу целостного планирования землепользования как альтернативы неконтролируемого развития. Перефразируя Мак-Харга, можно сказать, что неконтролируемое развитие, распространяясь широко, уничтожает ландшафт вследствие перенаселения и загрязнения; оно необратимо разрушает все красивое и памятное независимо от того, насколько хорошо спланированы отдельные дома или участки территорий. В табл. 8.3 сравниваются последствия беспланового землепользования с плановым развитием городского района, предложенным Заказ № 1483
Мак-Харгом. В этом районе предусмотрен рост населения от 20 ООО до 100 ООО жителей. При разумном планировании развития жилых и прочих массивов треть всей площади, включающая холмы и все речные долины, остается в виде свободного пространства. Желательно также строить промышленные предприятия посреди обширных зон, предназначенных для переработки отходов. где расположены пруды и другие полуестественные системы третичной обработки, которая была бы эффективной и недорогой (рис. 7.23,Б). Очень удачный «новый город», в котором сочетается все лучшее из промышленного развития с типом устройства открытых пространств, показанным в табл. 8.3, — это Колумбия в шт. Мэриленд. Этот город — итог размышлений мастера планирования Джеймса Роуза. Роуз начал с проектирования и строительства закрытых торговых рядов, но скоро стал с энтузиазмом заниматься новаторскими проектами более широкого масштаба,, включая реконструкцию внутренних городских районов, и новыми городами. В ходе этой работы Роуз и его сотрудники стали очень пылкими, но практичными консервационистами[VII]. Колумбия в Мэриленде занимает площадь в 22 квадратные мили (примерно величиной с Манхэттен), здесь живет 60 000 человек, из них 30 000 работает в городе. В городе имеется пять автономных центров (вместо одного), каждый из которых включает в себя три-четыре жилых массива со смешанной застройкой, где есть высоко- и малодоходные дома. Треть города — постоянное, не подлежащее застройке «открытое пространство», состоящее из речных долин, старых лесных массивов и других живописных мест. Этот город — целиком частное предприятие, была выдана всего лишь одна небольшая правительственная субсидия для строительства дешевых домов. Колумбия Ассошиэйшн, ведущая коммунальное хозяйство, содержит в своем штате эколога, наблюдающего за растительностью, реками, озерами, дорогами и дикими животными и птицами, в том числе за сипухами, которые живут в старых постройках, превращенных в склады или подсобные помещения в местах отдыха. Сохранение открытых пространств стоит меньше 10 000 долларов в год, поскольку сенокос и другие дорогостоящие мероприятия по поддержанию среды проводятся только в местах, где расположены игровые площадки[VIII].
Третий пример новаторских размышлений об использовании окружающей среды дает небольшая книга под названием «План завтрашней Калифорнии», изданная Альфредом Хеллером (Heller, 1972). В этом отчете, составленном группой авторов по данным
Таблица 8.3. Сравнение беспланового (бесконтрольного) и планового (оптимального землепользования) развития быстро растущего городского района