11.3 Об’єм та перекриття ніш

Різні типи геосистем розрізняються не тільки положенням ніш у просторі факторів, а й за їх величиною (об’ємами). Геосистеми, що мають великі ніші, можуть існувати в широкому діапазоні дії зовнішніх факторів. Геосистеми ж з малими нішами дуже вибагливі до умов зовнішнього середовища і загалом нестійкі при варіації цих умов. Об’єм ландшафтно-екологічних ніш слід враховувати при визначенні природоохоронних пріоритету природоохоронного статусу, оскільки такі геосистеми часто є реліктовими або екзотичними для певного регіону, їх стійкість здебільшого невисока.

Кількісно об’єм ніші можна оцінити за виразом

де V_S – об’єм ландшафтно-екологічної ніші;

Δх_і – величина ландшафтно-екологічної амплітуди геосистеми за і-м фактором;

x_m – центральне значення амплітуди;

n – число факторів, за якими побудована ніша (осей її простору);

П – знак добутку.

Запропоновано також формули для оцінки об’єму ніші, що враховують показники типу пристосованості ρ (В.І.Василевич, 1983). З них найбільш простими є ентропійна міра Н:

а також показник виду

Ландшафтно- екологічні ніші окремих геосистем перекриваються. Це свідчить про те, що в одних умовах зовнішнього середовища може формуватися та існувати кілька різних видів геосистеми, близькі за структурою та динамічними тенденціями. Тому оцінка ступеня перекриття ніш є показовою характеристикою подібності геосистем, зумовленою факторами зовнішнього середовища.

Перекриття ніш геосистем свідчить також про можливість їх боротьби за простір – витіснення геосистем менш пристосованих до даних умов зовнішнього середовища більш пристосованими. Активність та напрям цієї конкуренції в певних умовах дії зовнішніх факторів (тобто в певній точці простору ніш) визначаються різницею між показниками пристосованості ρ конкуруючих у даних умовах геосистем. Геосистеми з більшими значеннями показника r можуть збільшувати свою площу за рахунок геосистем з низькими показниками пристосованості r. Проте це твердження має гіпотетичний характер і може стверджуватися в масштабі еволюційних змін ЛТС.

ЛЕКЦІЯ №12

Динаміка та еволюція геосистем

(динамічна ландшафтна екологія)

12.1 Основні поняття та положення

Динаміку геосистеми в широкому розумінні можна визначити як зміну в часі значень її окремих характеристик, станів, набору та інтенсивності процесів, територіальних структур, яка, на відміну від еволюції, не приводить до безпосереднього формування принципово нової геосистеми.

Характерний час та часові масштаби аналізу геосистеми. Характерною особливістю геосистеми є те, що різні її характеристики змінюються з різною швидкістю: вологість і температура поверхневих горизонтів грунту – протягом годин, видовий склад біоценозів – десятків років, морфологія рельєфу – сотень і тисяч років. Для дослідження таких різномасштабних явищ потрібна їх типологія за тривалістю протікання. З цією метою в географію О.Д.Армад та В.О.Таргульян (1974) ввели поняття характерного часу – інтервалу, протягом якого певна властивість чи процес геосистеми проявляє свої основні особливості. Для періодичних процесів характерний час відповідає тривалості періоду (часу одного коливання), для квазіперіодичних (циклічних) – середній тривалості періоду, для неперіодичних (трендових) процесів – часу релаксації, тобто часу, необхідному для того, щоб після збурення геосистеми значення її характеристик повернулись до початкових. У табл..16 орієнтовні значення характеристик часів (ХЧ) деяких природних явищ.

Процеси з близькими значеннями ХЧ можуть впливати один на одного і досліджуватись у рамках єдиної моделі. Процеси ж із суттєво різними ХЧ в такій залежності не перебувають: характеристики з великими ХЧ по відношенню до процесів з малими ХЧ розглядаються як незмінні параметри (фон), а зміни характеристик з малими ХЧ по відношенню до процесів з великими ХЧ аналізуються як статистичний шум або взагалі не враховуються.

Стан, простір та області станів. Під станом геосистеми зручно розуміти точку в k – вимірному просторі її змінних (характеристик) і описувати його k значеннями цих змінних. Якщо протягом деякого проміжку часу значення всіх змінних лишаються сталими, стан геосистеми не змінюється. Залежно від ХЧ характеристик, обраних для опису динаміки геосистеми, виділяються її добові, сезонні та багаторічні стани. Динаміка геосистеми виявляється в послідовності зміни її станів. Графічно її можна описати фазовою діаграмою (синонім – фазовим портретом), на якій точки, що відповідають послідовним станам геосистеми, сполучаються лініями. Для двомірного простору змінних типові фазові діаграми наведено на рис.34.

Табл..16 Орієнтовна шкала характеристик часів деяких природних явищ за О.Д.Армандом, В.О.Таргульяном (за 1974, із скороченнями)

Характерний час, роки	Літосфера	Атмосфера	Педосфера	Біосфера	Гідросфера
108	Геологічні цикли	Кліматичні коливання, спряжені з геологічними циклами
107	Вирівнювання гір
106	Вирівнювання структурних форм рельєфу		Формування зрілого мінералогічного профілю грунту та кори вивітрювання
105	Вирівнювання льодовикових, алювіальних та інших акумулятивних форм	Кліматичні коливання в межах льодовикового періоду
104			Формування зрілого диференційованого за морфологією та хімізмом профілю грунту		Формування зрівноваженого хімічного складу озерних вод
103		Кліматичні коливання в межах історичного періоду	Формування зрілого гумусового профілю

Продовження табл..16

102		90-річний кліматичний цикл	Формування карбонатного профілю	Формування зрілого деревного ярусу	Саморозвиток гірського льодовика
101		Декадні кліматичні коливання	Біологічний круговорот у грунті	Формування трав’яного ярусу	Евтрофікація озер
100 (рік)		Сезонний метеорологічний цикл	Формування профілю легкорозчинних речовин та pH	Формування популяції мишоподібних гризунів та комах	Метаморфізація снігового покриву
10-1 (місяць)	Вирівнювання мікро форм рельєфу в пісках		Гідрологічний та температурний профілі грунту	Формування мікро біоценозів, добові біоекоцикли	Вирівнювання рівня ґрунтових вод
10-2 (день)		Циклони, добовий метеоцикл	Вологість та температура поверхових горизонтів грунту		Припливи
10-3
10-4 (година)		Внутрішньодобові коливання погоди			Вирівнювання рівня водойм

За фазовими діаграмами визначають суттєві риси динаміки геосистеми. Так, траєкторія змін станів, для якої характерна близькість початкового (t₀) та кінцевого (t_n) станів, свідчить про циклічність динамічних змін (рис.34,а), спіралеподібна траєкторія (рис.34,б) вказує на процес відновлення геосистеми після її збурення, траєкторія на рис. 34,в відповідає спрямованому динамічному процесу (тренду), який може призвести до руйнації геосистеми та формування її нового типу (еволюційної зміни).

Сукупність усіх можливих станів, у яких може знаходитись геосистема, називається її простором станів. Формально він являє собою множину всіх точок k – вимірного простору змінних геосистеми, в яких вона може знаходитись. Число станів геосистеми в цьому просторі дуже значне, причому відмінності між окремими його точками Ф(станами) можуть бути настільки несуттєвими, що враховувати їх недоцільно, а практично часто і неможливо. Тому при дослідженні динаміки геосистеми простір її станів розділяється на окремі частини – області станів; вважається, що зміни геосистеми в межах однієї такої області несуттєві з точки зору завдань дослідження.

Типи динаміки та часових структур геосистеми. Оперуючи поняттям області станів, аналіз динаміки геосистеми зводяться до вивчення закономірностей її переходів з однієї області станів до інших під впливом зовнішніх та внутрішніх факторів. На відміну від аналізу послідовності змін окремих станів, що ведеться за допомогою фазових діаграм, дослідження змін областей станів зручно вести за допомогою графів, вершинами яких є області станів, а орієнтовними ребрами – переходи між ними.

Аспект аналізу динаміки геосистеми як послідовності змін їх станів або областей станів можна вслід за Н.Л.Беручашвілі (1989) назвати етологією геосистеми, або її етологічною динамікою, а сукупність усіх процесів обміну та трансформації речовини та енергії в геосистемі – її функціонуванням, або функціональною динамікою (А.Г.Ісаченко, 1979). Важливим аспектом динамічної ландшафтної екології є аналіз часових змін ЛТС, які можна назвати хорологічною динамікою. Аналіз кожного з цих видів динаміки геосистем пов’язаний з виділенням специфічних типів її часових структур – етологічних, елементами яких є окремі стани або області станів, а відношення – переходи між ними (відповідно з ХЧ, якими характеризуються стани геосистеми, розрізняються добові, сезонні та багаторічні етологічні структури); функціональні, елементами яких є елементарні процеси, взаємодія між якими визначає певний інтегральний процес (наприклад, продуційний, який складається з таких елементарних процесів, як поглинання рослинами з атмосфери СО₂, транспортування мінеральних речовин рослиною, стадії розкладу мортмаси та синтезу гумусових речовин тощо). Аналіз хорологічної динаміки пов’язаний з виявленням складних просторово-часових структур, елементами яких є ареали геосистем, відношення – зміни їх метричних, топологічних, якісних характеристик у часі.

Інваріант, співвідношення між динамікою та еволюцією. Поняття інваріанту ввів у вчення про геосистеми В.Б.Сочава, який розумів його як сукупність деяких властивостей геосистеми, в разі зміни яких відбувається кардинальна трансформація її структури. На його думку, за інваріантом можна відрізнити динамічні зміни геосистеми від еволюційних: сі зміни, при яких зберігаються інваріантні властивості геосистеми, відносяться до динаміки, а еволюція – це послідовна зміна інваріантних структур (Сочава В.Б., 1978). Проте критеріїв інваріанту та методів його виявлення В.Б.Сочава та його послідовники не встановили. Воно досі лишається лише конструкцією, проте дуже корисною при аналізі геосистем на теоретичному рівні.