Геофизика и геохимия ландшафта. Конспекты лекций

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «КАБАРДИНО-БАЛКАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Х.М. БЕРБЕКОВА»

А.М. Хатухов

ГЕОФИЗИКА И ГЕОХИМИЯ ЛАНДШАФТА

Конспекты лекций

2-е издание, дополненное

Рекомендовано Редакционно-издательским советом КБГУ в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по направлению подготовки 06.03.01 Биология

Нальчик

КБГУ

2023

УДК 551.4 (075.8) ББК 26.82 я73 Х25

Рецензенты:

Центр географических исследований КБНЦ РАН

доктор географических наук, профессор Кабардино-Балкарского аграрного университета им. В.М. Кокова

Р.О. Калов

Автор: Хатухов А.М.

Х25 Хатухов, А. М. Геофизика и геохимия ландшафта : конспекты лекций / А. М. Хатухов ; Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова. – [2-е изд., доп.]. – Нальчик : Каб.-

Балк. ун-т, 2023. – 120 с. : ил. – Библиогр. : сс. 63,117–118. – 50 экз. – ISBN 978-5-7558-0672-5. – Текст : непосредственный.

Издание содержит основополагающие сведения о физических и химических процессах в ландшафте и их энергетике, а также геофизических и геохимических закономерностях дифференциации ландшафтной сферы.

Предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки «Биология».

УДК 551.4 (075.8) ББК 26.82 я73

2

3

РАЗДЕЛ 4. ХИМИЯ ЖИЗНИ И ГЕОХИМИЧЕСКИЙ ФАКТОР В ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ОРГАНИЗМОВ

ТЕМА 7. Химия жизни…………………………………………. 99

ТЕМА 8. Геохимический фактор в жизнедеятельности орга-

низмов …………………………………………………………… 103

РАЗДЕЛ 5. ГЕОХИМИЧЕСКИЙ ФАКТОР В ЛАНДШАФТНОЙ ДИФФЕРЕНЦИАЦИИ

ТЕМА 9. Катенный градиент – основа разнообразия элементарных геохимических ландшафтов ……………………. 108

ЛИТЕРАТУРА КО II-Й ЧАСТИ ………………………………… 117 ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………… 119

4

ЧАСТЬ I. ГЕОФИЗИКА ЛАНДШАФТА

РАЗДЕЛ 1. ВВЕДЕНИЕ

ТЕМА 1. Геофизика ландшафта как наука

1.Предмет, методы и задачи геофизики ландшафта.

2.Методологические основы геофизики ландшафта.

3.Практическое приложение геофизики ландшафта.

Геофизика ландшафта (ГЛ) представляет собой отрасль ландшафтоведения – науки о природно-территориальных комплексах (ПТК). Она изучает наиболее общие физические свойства, процессы и явления, характерные для ПТК. Термин «геофизика ландшафта» предложен советским физиком, географом и ландшафтоведом Д.Л. Армандом в 1964 г. Он рассматривал эту дисциплину как учение о взаимодействии (обмене веществом и энергией) компонентов ландшафта, анализируемом методами современной физики. Приставка «гео» в термине подчеркивает, что речь идет не о наиболее общих свойствах природы вообще, а об общих свойствах географической оболочки.

Предмет геофизики ландшафта – общие физические свойства,

процессы и явления в ПТК, элементарные части ПТК и элементарные процессы, а также геогоризонты и другие образования, которые возникают в результате синтеза этих частей и процессов в пространстве и времени.

Основные задачи геофизики ландшафта – установление законо-

мерностей и особенностей взаимосвязей физических свойств, процессов и явлений в ПТК (1) и их связи с другими характеристиками ПТК (2). К последним относятся характеристики, которые изучаются в отраслевых дисциплинах – геоморфологии, фитоценологии, почвоведении и других и которые являются специфичными именно для данного компонента (например, видовой состав растительности, рН, тип гумуса и многое другое).

5

Основной методологический принцип геофизики ландшафта – при-

знание существования природных единств типологического уровня – геосистем, для которых рассмотрены балансовые уравнения вещества

иэнергии. Для систем, образованных движением живого вещества, рассматриваются потоки энергии по цепям питания.

Методологическая основа ГЛ – системный подход. Он предполагает целостное, холистическое (греч. holos – целый) восприятие природы

ипредставляет собой методологический принцип, в соответствии с которым «целое больше суммы слагающих его частей». В то же время не игнорируется противоположный холизму другой методологический принцип – редукционизм, ищущий специфику целого в составляющих его частях (сведение сложного к простому). Редукционизм и холизм как анализ и синтез – два комплементарных познавательных приема в геофизике ландшафта.

Практическое приложение геофизики ландшафта. Ландшафтно-

географический подход позволяет сравнительно легко, без дополнительных дорогостоящих наблюдений выявить состояние ПТК и изучить особенности их динамики, что важно, как для мониторинга состояния природной среды, так и для рационального природопользования.

Связь геофизики ландшафта с другими науками. Как комплексная междисциплинарная наука ГЛ широко базируется на ряде географических, физических, биологических и других наук, таких как «Общее землеведение», «Экология», «Ландшафтоведение», «Климатология с основами метеорологии», «Физика». Знания, полученные в результате изучения названных дисциплин, способствуют освоению предмета «Геофизика ландшафта».

Контрольные вопросы

1.Предмет и методы геофизики ландшафта.

2.Системный подход в изучении ландшафтной оболочки Земли.

3.Суть методологических принципов холизма и редукционизма.

6

ТЕМА 2. Общие геосистемные принципы и понятия

1.Понятие о геосистеме, обзор ееосновных характерных свойств.

2.Пространственно-временная организация геосистемы.

3.Принципы функционирования геосистемы.

4.Геосистема как открытая динамическая саморегулирующаяся система с обратными связями.

Геосистема (термин введен в науку советским геоботаником В.Б. Сочавой в 1963 г.) – фундаментальная категория географии и геоэкологии, обозначающая совокупность взаимосвязанных компонентов географической оболочки, объединенных потоками вещества, энергии

иинформации. Она представляет собой целостное образование, целостность которого определяется прямыми и обратными связями.

Главными свойствами геосистем являются: а) целостность (наличие единой цели и функции); б) эмерджентность (несводимость свойств системы к сумме свойств отдельных элементов); в) структурность (обусловленность поведения системы ее структурными особенностями); г) автономность (способность создавать и поддерживать высокую степень внутренней упорядоченности, то есть состояние с низкой энтропией); д) взаимосвязанность системы и среды (система формирует

ипроявляет свои свойства только в процессе взаимодействия с внешней

средой); е) иерархичность (соподчиненность элементов системы); ж) управляемость (наличие внешней или внутренней системы управления); з) устойчивость (стремление к сохранению своей структуры, внутренних и внешних связей); и) множественность описаний (в силу сложности систем и неограниченного количества свойств их познание требует построения множества моделей в зависимости от цели исследования); к) территориальность (размещение в пространстве – это главное свойство систем, рассматриваемое географией); л) динамичность (развитие систем во времени); м) сложность (качественные и количественные различия ее элементов и атрибутов).

Геосистема – синоним географического комплекса (геокомплекса). Понятие «геосистема» близко по значению к понятиям «экосистема» и «биогеоценоз». В широком понимании географический ландшафт – синоним геокомплекса, а равно – геосистемы. Все эти термины объеди-

7

нены обобщающим понятием природно-территориальный комплекс

(ПТК), под которым понимается закономерное сочетание природных, географических компонентов (земной коры, рельефа, воздушных масс, сообществ живых организмов), образующих целостную систему – комплекс. Иначе, ПТК – это территория, обладающая определенным единством природы, обусловленным общим происхождением и историей развития, своеобразием географического положения и действующими в ее пределах современными процессами. ПТК бывают разных рангов.

Элементарные ПТК называют фациями (приурочены к одному элементу мезорельефа или отдельной форме микрорельефа; соответствуют биоценозу). Фации объединяются в более крупные морфологические единицы – урочища (приурочены к одной мезоформе рельефа – оврагу, холму и т.п. на однородном субстрате) и местности (связаны с отдельными крупными формами рельефа – долинами, водоразделами и др.). Они, в свою очередь, образуют ПТК региональной размерности –

ландшафты (нем. Landschaft – вид местности).

Ландшафт представляет собой генетически однородный ПТК, обладающий единым геологическим фундаментом, однотипным рельефом, общим климатом, единообразным сочетанием гидротермических условий, почв, биоценозов и, следовательно, однохарактерным набором простых геокомплексов (фаций, урочищ). В таком понимании географический ландшафт рассматривается как основная единица и основной объект ландшафтного исследования. «Ландшафт» – такое же фундаментальное понятие естествознания, как «химический элемент», «живой организм», «почва», «минерал».

Геосистема имеет сложную структуру, в которой различают пространственный и временной аспекты. В пространственном аспекте различают структуру вертикальную (радиальную) и горизонтальную (латеральную). Первая выражается в ярусном расположении компонентов, вторая – в упорядоченном расположении ПТК низших рангов.

Все геосистемы – будь то наземные, подводные или водные – стратифицированы, т. е. распадаются по вертикали, подчиняясь законам гравитации и ландшафтной стратификации, на ряд ландшафтных слоев – геогоризонтов. Каждый геогоризонт отличается от других преобладанием в своем составе тех или иных природных тел – геомасс: аэральных, водных, снего-ледовых, биогенных, биокосных, минеральных и др.

8

Геогоризонты можно рассматривать как подсистемы вертикального разреза («слоеного пирога») природной геосистемы. Существует их иерархия. Геогоризонтами первого порядка в наземных геосистемах являются (снизу-вверх): литогидрогенный (горизонт грунтовых вод); литогенный (толща горных пород в пределах зоны гипергенеза); биопедогенный – биокосный (почвенный горизонт с органикой, которая его насыщает, включая корни растений); аэрально-биогенный (наземная часть растительного покрова, животный мир, приземный воздух); аэральный (нижняя часть тропосферы).

Геогоризонтам более низких порядков соответствует, к примеру, ярусность фитоценоза (деревья, кустарники, травы). Морфологический профиль почв также распадается на горизонты А, В, С. Таким образом, геогоризонт – структурный элемент (подсистема) вертикального профиля природной геосистемы, обладающий специфичной геомассой и сформированный определенным природным компонентом (геокомпонентом) или (чаще) их сочетанием. Так, почва – компонент ПТК, состоящий из педомассы плюс гидромасса, аэромасса, литомасса, фито- и зоомасса.

Каждая элементарная геосистема обладает своей горизонтальной структурой. Закономерно сменяясь в пространстве, элементарные геосистемы (фации) образуют горизонтальную (морфологическую) структуру ландшафта, а их специфические сочетания – его текстуру (мозаику). В подавляющем большинстве случаев ландшафтная текстура зависит от особенностей его литогенной основы. При этом главным фактором выступает рельеф. В зависимости от «узора», образуемого элементарными ПТК, различают текстуру дендритовую, перистую, ячеистую и др.

Временной аспект структуры геосистемы прослеживается нагляднее всего на сезонных явлениях. Снежный покров – временный компонент многих геосистем – присутствует в них только зимой, а зеленая масса растений в умеренных широтах присутствует и «работает» только в теплое время года. Таким образом, в понятие геосистемы следует включать и определенный, закономерный набор ее состояний, ритмически сменяющихся в пределах некоторого характерного интервала времени, названного характерным временем, или временем выявления геосистемы. Таким отрезком времени является один год: это минимальный временной отрезок, в течение которого можно наблюдать все типичные структурные элементы и состояния геосистемы.

9

Подавляющее большинство параметров, характеризующих структуру и функционирование ПТК, имеет неодинаковую амплитуду колебаний в течение разных отрезков времени, и они часто асинхронны. Тем не менее синтез временных изменений процессов и явлений позволил вычленить «состояния ПТК» как целостные явления (высвеченные в данный момент времени облики ПТК), под которыми понимается некоторое соотношение параметров, характеризующих его в какой-либо промежуток времени. По длительности различают кратковременные, средневременные и долговременные состояния.

Первые длятся менее суток и связаны в основном с воздушными массами и их изменениями. Вторые имеют продолжительность от одних суток до года. Из них наиболее примечательны стексы – суточные состояния, зависимые от сезонной ритмики и погодных условий. В современных ландшафтно-геофизических исследованиях они занимают важное место. Продолжительность долговременных состояний составляет более одного года. Они обычно связаны либо с многолетними климатическими циклами, либо с сукцессиями растительного покрова. От смен состояний ПТК следует отличать смену самих комплексов, которая происходит при изменении инвариантных свойств структуры и функционирования ПТК.

Понятие структуры предполагает не только взаиморасположение частей геосистемы, но и способы их соединения. В этом плане различают две системы внутренних связей – вертикальные, т. е. межкомпонентные, и горизонтальные, т. е. межсистемные. И те, и другие осуществляются путем передачи вещества, энергии и информации. Примером системообразующих потоков может служить выпадение атмосферных осадков, их фильтрация в почву и грунтовые воды, поднятие водных растворов по капиллярам почвы и материнской породы. К горизонтальным потокам, связующим между собой отдельные ПТК в границах территориальных единств высших рангов, относятся водный сток, спускание холодного воздуха по склонам гор, перенос химических элементов из водоемов на суходолы с биомассой птиц и вторичноводных насекомых и др.

10