ОСНОВНЫЕ НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ДОСТИЖЕНИЯ

В области комплексной физической географии и географической экологии

В данной области в течение последних 35 лет, Э.Г. Коломыц выдвинул и в различной степени проработал следующие научно-методические концепции:

1) принципы и методы дискретного эмпирико-статистического моделирования пространственной организации разнопорядковых гео(эко)систем, а также создания прогнозных моделей их климатогенных преобразований; 2) положение о географических экотонах как первоочередных объектах изучения воздействия человека на природу; 3) региональная палео-прогнозная концепция, рассматривающая прогнозируемые эколого-географические сценарии и их палеогеографические аналоги как единую региональную систему глобальных изменений природной среды; 4) топо-экологическая прогнозная концепция «Глобальные изменения на локальном уровне» как научно-методическая основа геосистемного мониторинга; 5) эволюционная ландшафтно-экологическая концепция как предвестник новой отрасли комплексной физической географии и геоэкологии – эволюционного ландшафтоведения.

В основе этих концепций лежат разработанные автором эмпирико-статистические модели, вскрывающие причинные механизмы структурно-функциональной организации динамики и эволюции природных экосистем на примере как равнинных, так и горных территорий, как внутриматериковых регионов, так и островных. В этих моделях географическая экология приобретает эффективный формализованный инструмент анализа и прогноза, использующий методы дискретной математики для обработки и обобщения массового эмпирического материала, получаемого при полевых и камеральных ландшафтных исследованиях. Описанные методы и результаты моделирования призваны также служить дальнейшему развитию региональных аспектов физики биосферы и созданию научно-методической базы биоэкологического и геосистемного мониторинга.

Наиболее значимые научно-методические результаты многолетнего поиска автора в области географической экологии состоят в следующем:

  1. создана кибернетическую модель природного комплекса как иерархической системы управления; модель обогатила современные представления о механизмах и структурных уровнях пространственной организации природной среды;
  2. продемонстрированы новые подходы к исследованию биогеографических и ландшафтных экотонов как триггерных систем с гистерезисными свойствами и как приоритетных индикаторов глобальных воздействий человека на природу (введенное понятие «бореальный экотон» уже нередко встречается в литературе);
  3. выдвинуты и обоснованы новые положения моно- и полисистемной организации географической среды, разработан целый спектр моделей этой организации, в том числе эмпирические модели лесных биогеоценозов в различных зональных и высотно-поясных условиях равнинных и горных стран;
  4. разработан метод исчисления функциональной устойчивости лесных биогеоценозов (как целостных образований – в духе учения В.Н. Сукачева) по дискретным параметрам их биологического круговорота, а также доказана эффективность применения методов современной биогеоценологии к решения системных задач эколого-географического прогнозирования;
  5. предложена стратегия и разработаны алгоритмы применения методов ландшафтной экологии для количественных прогнозных оценок биотической регуляции углеродного цикла при глобальном потеплении; показано, что ландшафтный подход предусматривает пространственное многообразие типов этой регуляции и позволяет вскрыть истоки тех механизмов углеродного обмена лесных экосистем с атмосферой, которые обеспечивают устойчивость континентальной биосферы к изменениям климата.

Особо можно отметить проведенный научный поиск в области географической зональности – фундаментальной эколого-географической теории, созданной А.А. Григорьевым. Переосмысливание ее положений на основе регионального эмпирического моделирования и системного анализа позволило: а) сформулировать новую модель зонального строения Русской равнины на основе теории симметрии; б) установить экологические принципы и механизмы формирования зонального географического пространства и его границ; в) разработать концепцию полиморфизма ландшафтно-зональных систем как базовой модели, перспективной для дальнейшего развития комплексной физической географии и геоэкологии. На примере Волжского бассейна показано, что концепция полиморфизма открывает путь к переходу от единой модели природно-территориальной организации к множеству моделей, дающих более разностороннюю картину процессов дифференциации и интеграции в географической оболочке. Рассмотрены два типа геосистемного полиформизма: параметрический и тер­риториальный.

Немаловажное место в географической экологии может занять региональная палеопрогнозная концепция, которая реализована на примерах Волжского бассейна и Большого Кавказа. В этой концепции впервые: а) детально описана региональная биоклиматическая система для равнинных и горных территорий как ландшафтно-геофизическая основа экологических прогнозов и палеореконструкций; б) предложены и апробированы методы численного ландшафтно-экологического прогнозирования (см. ниже), с помощью которых получены развернутые сценарии состояний разномасштабных природных комплексов в свете ожидаемых антропогенных изменений климата; в) выдвинуто методическое положение о функциональном изоморфизме природных экосистем как корректирующем факторе их взаимных климатогенных трансформаций. По картографическим и аналитическим моделям установлены закономерности структурного и функционального отклика зонально-региональных геосистем на глобальные климатические сигналы, с получением такой развертки ландшафтно-геофизических связей, которая обеспечивает достаточно эффективное использование метода актуализма в ретроспективном и численном экологическом прогнозировании.

Достаточно обширный круг проблем освещен в топоэкологической концепции «Глобальные изменения на локальном уровне». На основе материалов крупномасштабных ландшафтных съемок, проведенных на экспериментальных полигонах Среднего Поволжья созданы: 1) дискретные эмпирико-статистические модели структурно-функциональной организации лесных биогеоценозов в различных зональных условиях; 2) модели эмпирической имитации регионального биоклиматического тренда экосистемам локального уровня; 3) графо-аналитические модели функционально-структурных преобразований лесных экосистем при заданных сценариях глобальных климатических прогнозов; 4) общая схема-модель, описывающая движущие силы климатогенных сукцессий, т.е. принципиальный механизм перехода от функциональных изменений гео(эко-)систем к их структурным преобразованиям под воздействием глобального потепления; 5) дискретные модели климатогенных изменений биологического круговорота и углеродного баланса в лесных экосистемах как ведущих факторов биотической регуляции окружающей среды.

Рассмотрены пути отображения зональных биоклиматических условий в ландшафтных связях, формирующих природные комплексы локального уровня. Показано, как местные геоморфологические и гидроэдафические факторы преломляют зональный фон и формируют региональные системы локальной зональности, состоящие из векторных рядов плакорных и экстразональных биогеоценозов. Благодаря этому, на локальном уровне ландшафтной организации вырисовывается явление полизональности, которое может имитировать реакцию топогеосистем на глобальные изменения климата и может трактоваться как форма этой реакции.

При топологической интерпретации известного фундаментального ландшафтно-геофизического фактора – соотношения тепла и влаги, введен новый комплексный параметр – коэффициент эдафического увлажнения, более адекватно отражающий разнообразие локальных геосистем и их множественную реакцию на фоновые климатические сигналы. Изложен метод расчета этого коэффициента. Приведен пример прогноза динамики лесных экосистем по изменениям состояний их гидроэдафотопов при прогнозируемом глобальном потеплении.

Все эти результаты могут дать определенный толчок к развитию прогнозного направления в топологии гео(эко-)систем – разделе комплексной физической географии и геоэкологии, приоритет в становлении которого принадлежит плеяде выдающихся отечественных естествоиспытателей – Б.Б. Полынову, Г.Н. Высоцкому, Л.Г. Раменскому, А.И. Перельману, М.А. Глазовской, Н.А. Солнцеву, Д.Л. Арманду, В.Б. Сочаве, Ф.Н. Милькову и др. Актуальность развития этого направления для лесной биогеоценологии несомненна, ибо современное прогрессирующее глобальное потепление может вызвать необратимое ухудшение лесорастительных условий на обширных территориях суббореального пояса и южной полосы пояса бореального.

Полученные материалы по состоянию лесных и лесостепных экосистем и прогнозным оценкам их грядущих изменений будут иметь также научно-практическое значение для территории Волжского бассейна как демографического и индустриального «ядра» Европейской России. Построенные согласно термоаридному климатическому тренду прогнозные аналитические модели и ландшафтно-зональные карты Центральной России вскрывают резкое обострение в ближайшие десятилетия проблем сохранения и воспроизводства водных и лесных ресурсов, а также сельскохозяйственных культур в этом регионе. По термо- и гидроэдафическим нишам лесных экосистем установлены их критические состояния на зональном экотоне леса к степи. В свете термоаридного климатического тренда прогнозируется тотальный процесс саваннизации широколиственных и смешанных лесов Русской равнины.

Систематизированный банк данных может быть использован при разработке экологических основ сохранения, воспроизводства и рационального использования лесных ресурсов, а также формирования сети охраняемых и рекреационных территорий, что особенно важно для районов с критическими условиями существования лесной растительности, к которым относится зона контакта леса и степи.

На примере экспериментальных полигонов в высокогорном Приэльбрусье впервые осуществлен опыт топологического высокогорного мониторинга и намечены пути построения комплексной геоэкологической модели высокогорья, с получением критических параметров состояний субальпийских лесных экосистем, необходимых для проведения мониторинга.

Региональный и топологический прогнозные анализы климатогенных преобразований природных гео(эко-)систем основаны на разработанной автором методике численного ландшафтно-экологического прогнозирования. Методика доведена до рецептурного уровня и может по-видимому войти в научно-методический арсенал ландшафтной экологии. В иней органично сочетаются, с одной стороны, достаточно строгий формализованный подход к решению прогнозных задач, а с другой, – доступность для широкого круга исследователей процедуры сбора, обработки и анализа эмпирического материала.

В отличие от известных отечественных и зарубежных подходов, в данной методике предусмотрен множественный характер трансформации природных комплексов при фиксированном значении климатического тренда. Впервые удалось рассчитать не только вероятности, но и скорости функциональных преобразований ландшафтов и биогеоценозов, что позволило выйти на прогнозные оценки с заданной заблаговременностью. Разработаны два типа прогнозных моделей: хорометрический и хронометрический, – по которым представлены региональные и локальные сценарии климатогенных изменений природных комплексов Русской равнины и Большого Кавказа, в том числе его высокогорий. Перечисленные научно-методические достижения до сих пор они не имеют подобных аналогов ни в нашей стране, ни за рубежом.

На примере Приокско-Террасного биосферного заповедника изучены перспективы регионального и глобального геосистемного мониторинга по структуре, функционированию и динамике лесных биогеоценозов. Выявлены наиболее эффективные каналы внешних воздействий на гидротермический режим, структуру и функционирование лесных биогеоценозов заповедника. Установлены причинные механизмы формирования их различных эдафических климаксов. Показана определяющая роль катенарной организации лесных сообществ в многообразии их сукцессионной динамики и ответной реакции на внешние воздействия. По структурному развитию и параметрам биологического круговорота выелены лесные фитоценозы, которые наиболее близки к зональному климаксу и по параметрам биологического круговорота могут служить приоритетными объектами глобального биосферного мониторинга.

Значительное место в исследованиях Э.Г. Коломыца заняли эволюционные биосферные процессы и явления в Тихоокеанском подвижном поясе – тектонически и климатически активной зоне контакта материка и океана как фокусе биогеоценотических процессов, создающих новые субаэральные ландшафты на современном этапе развития биосферы. Им изложена проблема изучения организации биогеоценотических и ландшафтных систем островной и окраинно-материковой суши на Тихоокеанском мегаэкотоне Северной Евразии. Представлена развернутая эволюционная ландшафтно-экологическая концепция, основанная на дискретном эмпирико-статистическом моделировании лесных природных комплексов для различных этапов геологической истории формирования континентальной биосферы в Северо-Западной Пацифике. Эта концепция рассматривается автором как первый шаг к созданию эволюционного ландшафтоведения – новой отрасли физической географии и геоэкологии.

По материалам крупномасштабных ландшафтных съемок, проведенных на экспериментальных полигонах в различных секторах мегаэкотона, а также по известным биоклиматическим и геолого-геоморфологическим материалам описаны три пространственно-временных среза с общей траектории субаэрального ландшафтогенеза: 1) неопацифический островодужный прогрессивный – этап зарождения и восходящей эволюции вулканогенных островных геосистем неоген-четвертичного возраста в океанической среде, с формированием на локальном уровне зачатков зональных типов географической среды и с появлением «климатически неоправданных» высокопродуктивных лесов благодаря геотермической энергии действующих вулканов; 2) субпацифический окраинно-материковый – этап их последующего континентального развития как молодой (мезозойской) горно-долинной морфоструктуры, с образованием буферных лесных сообществ эволюционного климакса; 3) субпацифический регрессивный – заключительный этап затухающей эволюции, обусловленный дроблением и погружением окраинных участков ма­терика, с появлением материко­вых островов с «дряхлым» денудационным рельефом, активным экзогенным морфолитогенезом и упрощенной структурой лесного покрова.

Наконец, можно отметить результаты проведенных Э.Г. Коломыцем исследований механизмов организации лесных природных комплексов в урбосфере в целях дальнейшего развития биоэкологического и геосистемного мониторинга больших городов. Данный геоэкологический аспект рассмотрен на примере крупного мегаполиса – Нижнего Новгорода. По специально разработанной методике проведен опыт эколого-микроклиматического районирования большого города. По локальным эмпирико-статистическим моделям техногенной трансформации межкомпонентных связей в городских лесных экосистемах установлены основные признаки их антропогенного «расшатывания», а также их адаптации к урбосфере с высоким уровнем загрязнения приземной атмосферы и почвы.

В области географии снежного покрова

Э.Г. Коломыц сформулировал и обосновал эволюционное направление в структурном снеговедении, изложенное в двух фундаментальных трудах:

  1. Теория эволюции в структурном снеговедении. Атлас-монография. М.: ГЕОС, 2013. 482 с;
  2. Theory of Evolution in Snow Cover Science. Atlas-Monograph. New-York: Nova Science Publishers, 2013. 408 p.

Теоретическое и научно-методическое значение этих работ состоит в следующем.

  1. В обоих изданиях Атласа-монографии подробно изложена эмпирически обоснованная теория системной организации и эволюции снежного покрова, опирающаяся на его кристалломорфологию и фундаментальные законы природной симметрии, что является принципиально новым направлением в развитии структурного снеговедения. Все представленные в книгах теоретические и методические разработки — результат многолетних стационарных и маршрутных исследований автора в равнинных и горных районах Сибири, Дальнего Востока и Европейской России.
  2. Впервые осуществлен методологический подход к изучению процессов сублимационного метаморфизма снега с позиций общей теории эволюции. Для этого были использованы известные теоретические положения минералогической кристаллографии и эволюционной биологии, а также методы теории информации, теории «размытых» множеств и кибернетики. Снежный покров рассматривается как иерархически организованное сообщество форм кристаллов, растущих в тесном взаимодействии и испытывающих воздействие внешней среды. Подробно изложена разработанная автором детерминированная модель, описывающая эволюционный незамкнутый сублимационно-метаморфический цикл снежного покрова и полиморфные варианты этого направленного процесса. Важно подчеркнуть, что автор трактует этот цикл как эволюционный биосферный процесс, как модель парциального звена физико-географического процесса — в духе учения А.А. Григорьева.
  3. Показано, что инвариантная смена периодов и стадий метаморфизма в каждом снежном горизонте обусловлена последовательной суперпозицией кристаллохимической симметрии растущих кристаллов и вещественно-энергетической диссимметрии системы почва-снег-воздух — в соответствии с фундаментальным принципом Пера Кюри, отображающем, как показал В.И. Вернадский, наиболее общие законы эволюции в природе.
  4. Кинематическими моделями авторегуляции метаморфического цикла установлен стохастический характер его вариантов, каждый из которых может периодически доминировать в толще снега в соответствии с метеоусловиями данного периода зимы. Тем самым доказано, что снежный покров есть адаптивно-эволюционная гляциосистема.
  5. На основе указанных моделей разработана новая, кристалломорфологическая классификация снега. Она носит динамический характер и позволяет извлекать гораздо более богатую информацию о внутренних процессах, происходящих в снежной толще, по сравнению с известными Международными метафизическими классификациями, которые используют традиционные безликие представления о зернистости снежных частиц и не основаны на законах эволюции. Новая классификация уже нашла применение в прогнозировании снежных лавин в ряде горных районов нашей страны. На ее основе создана и успешно работает Сахалинская школа снеговедов-лавинщиков.
  6. Впервые разработаны также статистические методы исчисления структуры снежного покрова на основе кристалломорфологии снега как его фундаментального структурного качества. Введен целый комплекс количественных мер (симметрийных и морфологических) состояний кристаллических сообществ в снежных горизонтах и всей снежной толщи.
  7. На основе полученных Э.Г. Коломыцем корреляций интегральных мер перекристаллизации снега с зимней континентальностью климата проведено картографирование региональной структуры снежного покрова Евразии и Северной Америки, с выделением сублимационно-метамофических формаций снега различного типа. Проведена также типизация локальных снежных разрезов по геоморфологическим и гидроэдафическим факторам.

Все эти результаты свидетельствуют о том, что для Э.Г. Коломыца снежный покров в конечном итоге остается объектом физико-географического исследования.

Перечисленные теоретические и научно-методические разработки Э.Г. Коломыца вносят несомненный вклад в приоритеты отечественной гляциологии.

Э.Г. Коломыцем очерчен также гораздо более широкий методологический аспект разработанной им снежно-структурной концепции — а именно в области изучения эволюционных биосферных процессов, многие закономерности которых могут чрезвычайно ярко проявиться в кристалломорфологии и метаморфизме снежного покрова. Последний по существу представляет собой весьма благоприятную и притом «быстротекущую» природную модель для изучения целого ряда эволюционных процессов, которые были в геологическом и историческом прошлом и происходят ныне как в неорганической природе, так и в биотической среде. В этом состоит, несомненно, общенаучное значение эволюционного снеговедения.

Практическое значение работ Э.Г. Коломыца по географии снежного покрова состоит в следующем.

  1. Развитие эволюционного снеговедения имеет прямое отношение к практике снеголавинной службы в горах. Э.Г. Коломыцем создана научно-методическая база для разработки методов прогнозирования снежных лавин, которые так или иначе связаны с перекристаллизацией снега, и в особенности лавин «замедленного действия» (длительного развития). На большом фактическим материале собственных исследований Э.Г. Коломыц доказал, что методология структурного исследования снежного покрова должна базироваться на четком разграничении, с одной стороны, саморазвития и саморегуляции горизонтов снеж-ной толщи (т.е. процессов, относительно независимых от внешних сигналов), а с другой — регулирующего воздействия на метаморфизм со стороны, прежде всего, зимнего режима атмосферы. Это разграничение позволяет выявить и упорядочить все природное многообразие региональных и локальных ме-таморфизованных структур снега и, что самое главное, прогнозировать появление в снежной толще «ослабленных» горизонтов с лавиноопасными структурными и механическими свойствами, приводящими в движение снежный пласт на склоне. Таким образом, разработанные Э.Г. Коломыцем детерминированная и вероятностная модели сублимационного метаморфизма снега открывают путь к прогнозированию будущих результатов его перекристаллизации и могут быть продуктивно использованы при дальнейшей разработке методов прогноза снежных лавин.
  2. Существенный вклад внесен им также в развитии теории и методов ландшафтно-индикационного снеговедения. Кристалломорфологический анализ снежной толщи впервые позволил выйти на диагностику определенных параметров физических процессов в снегу (термического режима, характеристик массопереноса в системе почва-снег-воздух), а также температур воздуха и поверхности почвы, что особенно актуально для горных территорий, с их редкой сетью метеостанций, а часто и с их полным отсутствием.

Общее методическое значение работ Э.Г. Коломыца состоит в следующем. В его многочисленных публикациях последних 30 лет (в статьях в отечественных и зарубежных журналах и в монографиях) широко пропагандируется методология эмпирико-статистического моделирования в географической экологии и снеговедении, с применением методов дискретной математики. Используя свой солидный опыт географических исследований, он разработал методы сбора и обработки как полевого, так и камерального (картографического) материала, пригодного для дальнейшего формализованного анализа, с использованием компьютерных программ. В его методических разработках органично сочетаются, с одной стороны, достаточно строгий формализованный подход к решению поставленных задач, а с другой, — доступность для широкого круга ученых и практиков процедуры сбора, обработки и анализа эмпирического материала.

Актуальность фундаментальных исследований Э.Г. Коломыца по всем указанным направлениям подтверждается шестью исследовательскими и двумя издательскими грантами РФФИ, которые он получил в 1994, 1996, 2000, 2001, 2004, 2010, 2011 и 2014 г.г. и где он был и остается руководителем и основным исполнителем проектов.

Его творчеству свойственны нестандартность мышления и оригинальность подхода к решению актуальных эколого-географических проблем, что вызывает у специалистов повышенный интерес к его работам не только в нашей стране, но и за рубежом. Помимо многочисленных статей, опубликованных в зарубежных журналах, три его монографии переведены на английский язык и изданы в США и Германии. Его краткая научная биография включена Американским издательством «Marquis» в 18-й, 19-й и 21-й тома «Who’s Who in the World» (2001, 2002 и 2004 гг.) и в 6-й том «Who’s Who in Science and Engineering» (2002-2003 г.г.). Международная коллегия редакторов-экспертов Американского Биографического института присвоила Э.Г. Коломыцу престижный титул «Человек 2005 года» в ряду 10 000 удостоенных такой же номинации представителей науки, университетского образования, государственных служащих, местной исполнительной власти и руководителей бизнеса из 75 стран Мира. Наконец, в 2006 и 2012 г.г. он был удостоен Дипломов Международного Биографического Центра (Кембридж, Англия) в ряду выдающихся деятелей мировой науки.

26 апреля 2003 года Указом Президента Российской Федерации Э.Г. Коломыцу было присвоено почетное звание «Заслуженный деятель науки Российской Федерации».

ВОСЬМИДЕСЯТИЛЕТИЕ ЭРЛАНДА ГЕОРГИЕВИЧА КОЛОМЫЦА - География и природные ресурсы, №4 2016 г.