Современные проблемы физической географии и ландшафтоведения. Учебное пособие (курс лекций)

странственные и временные состояния геосистемы составляют ее инвариант.

Инвариантом называют совокупность устойчивых отличительных черт системы, придающих ей качественную определенность и специфичность, позволяющих отличить данную систему от всех остальных.

Структура геосистемы характеризуется устойчивостью по отношению к внешним воздействиям, т.е. способностью сохраняться при изменении внешних условий. Устойчивость геосистемы определяется наличием пластичности. Это свойство выработано в процессе эволюционного развития и наиболее присуще растительности. Растительные реликты встречаются на одних и тех же территориях десятки тысяч лет, несмотря на то, что физико-географические условия изменились. Например, на Русской равнине в отдельных местах сохранились растения, произраставшие еще в доледниковый период, на Таймыре, среди тундры, сохранилась знаменитая лиственничная роща (АрыМас), в Якутии – фрагменты луговых степей – свидетелей более теплых и более сухих условий.

Устойчивости геосистем способствует способность к саморегулированию – восстановлению исходного состояния геосистемы после прекращения внешнего воздействия. Восстанавливаться геосистема способна при условии, если внешнее воздействие не нарушило ее структуру и взаимосвязи между компонентами. В последнем случае говорят о деградации геосистемы. Саморегулирование геосистем возможно потому что геосистемы состоят из компонентов и (или) подсистем, связанных обратной связью.

Под динамикой геосистемы понимают такие ее изменения, которые имеют обратимый характер и не приводят к перестройке ее структуры, т.е. изменения, которые происходят в пределах одного инварианта (восстановление леса после вырубок, зарастание песчаных отмелей).

Генезис геосистемы определяется происхождением ее структуры и взаимосвязей между компонентами и подсистемами. Процесс формирования этих взаимосвязей очень длительный, например, требуются тысячелетия, чтобы сформировались взаимосвязи между почвами и растительностью.

Современная геосистема формируется на месте предшествующей в результате длительного этапа развития, который приводит

21

к коренной перестройке структуры и появлению новой геосистемы. Направление развития определяется общей тенденцией эволюции. Эволюция может быть спонтанной (саморазвитие) или быть обусловлена внешними по отношению к данной геосистеме факторами. Примером саморазвития может быть превращение озера в болото в результате зарастания его водной растительностью.

В целом саморазвитие геосистем происходит в рамках, ограниченных внешними условиями. Это значит, что при современном климате леса не займут территории степей, а степи не захватят территорию пустынь.

Изменениями внешних условий определяется происхождение ландшафтов Среднерусской возвышенности. В ледниковый период основная часть территории Среднерусской возвышенности не перекрывалась ледником, и здесь сохранялись ландшафты «холодной лесостепи», представлявшие собой чередование открытых пространств и участков леса, состоявшего из лиственницы, сосны

иберезы. Впоследствии, в связи с изменением климата изменилась

илесостепь – сформировался ландшафт, в пределах которого дубравы чередуются с луговыми степями.

Выделяют несколько типов развития геосистем:

1)равновесный режим, когда в геосистеме преобладают устойчивые связи, не испытывающие большой нагрузки и поддерживающие систему в относительно неизменном состоянии.

2)периодический режим, когда геосистема находится в колебательном (маятниковом) состоянии. Происходит периодическая смена состояний геосистемы, но в пределах одного инварианта. При таком колебательном режиме максимальную нагрузку испытывают связи саморегуляции, периодически возвращающие систему в исходное состояние.

3)переходный режим, при котором геосистема переходит из одного равновесного состояния в другое. Этот режим свидетельствует о постепенном изменении устойчивых взаимосвязей (эффект скачка).

4)тренд – направленное развитие. При таком развитии резко возрастает роль прямых связей, характерных для однонаправленного движения, что приводит к прогрессирующему накоплению тех или иных веществ, элементов.

22

Огромную роль в геосистемах играют многочисленные и многообразные связи между компонентами, которые определяют ее целостность и устойчивость. Все существующие в геосистеме связи принято подразделять на прямые или обратные, положительные или отрицательные. Прямая связь предполагает только воздействие комопонента А на компонент В, обратная – еще и обратное воздействие компонента В на компонент А. Таким образом, благодаря обратной связи, приходящий извне импульс, проходя через систему, приводит к цикличности воздействия. При этом отрицательная обратная связь вызывает замкнутый контур изменений, ослабляет воздействие и создает динамическое равновесие, а положительная обратная связь усиливает эффект импульса, поступившего извне, выводя систему из равновесия.

Среди многочисленных связей основными являются связи взаимодействия и развития. Связи взаимодействия представлены в геосистемах связями между объектами: растительностью и животными, растительностью и почвами, климатом и водами и т.д. При антропогенном воздействии возникают новые связи, связи преобразования (промышленное предприятие – загрязнение воздуха, земледелие – загрязнение воды), когда в результате взаимодействия двух или нескольких объектов последние изменяются, переходя в новое состояние. Так, между фермой и ближайшим озером может сложится следующая взаимосвязь: вода озера используется для питья животных. а в водоем попадают стоки фермы. При отсутствии очистки вода загрязняется и озеро переходит в состояние эвтрофированного водоема, вода которого не пригодна. И при ее использовании начнется гибель животных.

Связи развития определяются общей тенденцией эволюции, которая может быть спонтанной или обусловленной внешними по отношению к данной системе факторами.

В геосистемах постоянно происходят многочисленные и разнообразные процессы перемещения, обмена и трансформации энергии, вещества и информации, поступающих извне. Эти процессы объединяют общим понятием – функционирование геосистемы. Функционирование слагается из трансформации солнечной энергии, влагооборота, геохимического кругооборота, биологического метаболизма механического перемещения материала под действием силы тяжести и осуществляется по законам механики,

23

химии и биологии, т.е. любая геосистема – это сложная физико- химико-биологическая система.

Функционирование геосистемы проявляется в цикличности протекания основных процессов, связанной с цикличностью поступления солнечной энергии – основного энергетического источника функционирования геосистемы. При этом каждый компонент геосистемы обладает определенной инертностью – отставанием ответных реакций на внешние изменения. Так, кривая годового хода температур сдвинута по сравнению с кривой годового хода суммарной радиации. (в тайге северо-западной части Русской равнины наибольшие значения солнечной радиации наблюдаются в июне, наибольшая температура воздуха – в июле, наибольшая температура нижних горизонтов почвы – в сентябре. В Приангарье, где под покровом пихтового леса теплообмен еще более затруднен, при наибольших значениях солнечной радиации наблюдаются наименьшие значения температур нижних горизонтов почвы).

Годовая цикличность поступления солнечной радиации проявляется в некоторых геосистемах в определенных изменениях вертикальной структуры, когда летний и зимний варианты этой структуры сильно отличаются.

Кроме годовой существует суточная цикличность функционирования, связанная со сменой дня и ночи, которые сопровождаются колебаниями освещенности, температуры, влажности воздуха. Это приводит к пульсации вертикальных (конвекционных) и латеральных потоков и связанных с ними процессов (горно-долинным ветрам, изменениям процессов фотосинтеза, суточному ходу процессов замерзания-протаивания и т.д.).

На годичный цикл накладываются многолетние циклы, имеющие разные причины. Наиболее отчетливо в особенностях функционирования геосистем прослеживаются колебания климата (потепление – похолодание, аридизация – гумидизация). Так, некоторое потепление климата начала ХХ веков привело к более раннему (на 8-12 суток) наступлению всех фенологических явлений в геосистемах Западной Европы и Русской равнины. Чередование более сухих и более влажных периодов привели в семиаридных районах (в частности в Забайкалье) при увлажнении к трансгрессии озер, активизации родников и мерзлотно-наледных условий, усилению

24

роли мезофильного разнотравья в типичных пижмовых и вострецовых сообществах. Наоборот, в более сухие эпохи наблюдалось наступление более конкурентоспособных ковыльных сообществ. Изменения, происходящие в ландшафте, принято подразделять на обратимые и необратимые.

Обратимые изменения – это сезонные смены аспектов, которые ничего нового не вносят в установившийся порядок вещей. Они не приводят к развивающемуся процессу, а создают лишь сезонную ритмику функционирования ландшафта. При необратимых изменениях возврата к прежнему состоянию не происходит: изменения идут в одну сторону и в определенном направлении. Необратимые изменения ландшафтов следует рассматривать как их развитие. В результате необратимых изменений в компонентах ландшафта, его структура претерпевает перестройку, возникает новая структура и новый ландшафт, содержащий в себе элементы прежнего.

2. Понятие о биоэкосистемной подсистеме ландшафта

Представление о биоэкосистемной подсистеме ландшафта введено в ландшафтоведение совсем недавно, что явилось следствием интеграции физической географии с биологической экологией и развитием новых направлений исследований – ландшафтной экологии и биотики ландшафта. В.Б. Сочава считал, что биота, наряду с теплом и влагой, являются «критическими компонентами» геосистемы, поскольку они определяют ее энергетику и динамику. А.А. Крауклис биоту считал активной группой компонентов ландшафта, выступающей как важнейший фактор саморегуляции, восстановления, стабилизации геосистемы.

Что же такое БЭСП ландшафта? Эта подсистема отражает функциональные особенности биологических систем, которые активно участвуют в средообразующих процессах и процессах саморегуляции ландшафта. Она включает в себя набор биоценозов, состоящих из находящихся в непрерывных абиотических и биотических взаимодействиях сообществ организмов различных крупных таксономических групп; фито-, зоо-, мико- и микробоценозов.

Каждый биоценоз включает три крупные структуры: видовую, пространственную и экологическую.

25

Видовая структура:

видовой состав (флора + фауна); обилие видов в совокупности составляющих растительность и

животное население (биота); частота встречаемости видов (равномерно или неравномерно

распределены в биоценозе); фоновые, доминантные виды и эдификаторы.

Пространственная структура имеет две составляющих,

ярусность и мозаичность, отражающих вертикальную (различная мощность фитоценотических слоев) и горизонтальную (парцеллярность) неоднородность биоценоза.

Экологическая структура основана на вычленении различных экологических групп организмов по их функциональной роли. Наиболее существенным для выявления функциональных качеств биоэкосистем, особенностей локальных биогеохимических циклов, является определение трофических уровней и компонентов биоценозов. Принято выделять два основных трофических уровня: автотрофный (питающийся самотоятельно, неорганическими веществами) и гетерофтрофный (питающийся другими, готовыми органическими веществами). Трофические компоненты – продуценты, консументы (1-го, 2-го, 3-го и т.д. в каждом конкретном случае, порядка), редуценты. Помимо этого, большое значение приобретает установление синузий (группировок, обладающих теснейшей связью между организмами) и анализ биотических связей и биотических взаимоотношений между организмами.

Несколько слов о размерности биоценоза. Традиционно ведущее значение в определении размерности биоценоза принадлежит фитоценозу. Действительно, многие животные организмы теснейшим образом связаны с группами растений, где они находят пищу, убежища и т.д., имеют возможность нивелировать межвидовые конкурентные взаимоотношения. Также до последнего времени было принято считать, что территориально биоценоз совпадает с фацией или другими морфологическими единицами ландшафта. Однако исследования последних лет показали, что это дело обстоит не так просто.

26

3. Понятие о природном территориальном комплексе (ПТК)

Ландшафтная оболочка образовалась после возникновения жизни на Земле, т.е. она моложе географической оболочки. В ней сформировалось человеческое общество, сосредоточена большая часть природных ресурсов, необходимых для жизни человека. За историческое время ландшафтная сфера сильно изменилась под воздействием человека, ибо здесь сосредоточены области наивысшей хозяйственной активности населения Земли, и проходят потоки воздействия человека на другие сферы, входящие в географическую оболочку – как вверх – в тропосферу, так и вниз – к нижней границе распространения осадочных пород (Мильков, 1978).

Итак, если географическая оболочка является объектом изучения общей физической географии, то часть географической оболочки – ландшафтная сфера и составляющие ее индивидуальные природные комплексы являются объектом исследования ландшафтоведения.

Для обозначения составляющих ландшафтную сферу индивидуальных территориальных единиц в географии существует несколько понятий – это природный территориальный комплекс, геосистема и ландшафт.

Природный территориальный комплекс (ПТК) – это основное понятие физической географии. Под ПТК понимают простран- ственно-временную систему географических компонентов, взаимообусловленных в своем размещении и развивающихся как единое целое. ПТК образуют единую неразрывную систему территориальных единиц разных уровней – от географической оболочки до фации.

Термин ПТК введен в 1963 году В.Б. Сочавой, но ввиду его громоздкости в последние 20 лет, с широким внедрением в географию системного подхода, наряду с ПТК стал употребляться в том же значении термин геосистема. Но его использование требует некоторых оговорок, так как система и комплекс понятия в научной литературе неоднозначные, хотя греческое слово "система" в переводе на латинский язык и звучит как "комплекс".

Понятие "система" является более общим, всеобъемлющим, а "комплекс" – это особая категория систем. Система может состоять из двух и более объектов, которые могут образовывать любые связи. Примером системы может быть озеро и его водосборный

27

бассейн, это же озеро и окружающая его растительность могут образовывать другую систему и т.д.

Комплекс представляет собой строго определенный набор взаимосвязанных блоков (компонентов), число их не бесконечно, отсутствие одного обязательного блока приводит к разрушению всего комплекса. Все составляющие комплекс элементы находятся в генетической связи, взаимообусловлены и характер каждого определен совокупностью других компонентов.

Поэтому, рассматривая геосистему как систему особого класса, высокого уровня организации со сложной структурой и отношениями взаимной обусловленности между компонентами, подчиненными общим закономерностям, можно ставить знак равенства между геосистемой и природным территориальным комплексом.

Вывод по лекции. Выявили, что важнейшим свойством всякой геосистемы является ее целостность. Геосистемы относятся к категории открытых систем. Это значит, что они пронизаны потоками энергии и вещества, связывающими их с внешней средой. В геосистемах происходит непрерывный обмен и преобразование вещества и энергии. Всю совокупность процессов перемещения, обмена и трансформации энергии, вещества, а также информации в геосистеме можно назвать ее функционированием. Рассмотрели структуру геосистемы – В ней различаются две системы внутренних связей в ПТК – вертикальная, т.е. межкомпонентная, и горизонтальная, т.е. межсистемная.

Также в понятие структуры геосистемы включили и определенный, закономерный набор ее состояний, ритмически сменяющихся в пределах некоторого характерного интервала времени, которое можно назвать характерным временем или временем выявления геосистемы.

Особого внимания заслуживает вопрос выделения в таксономическом ряду ПТК узловой единицы, служащей связующим звеном между геосистемами регионального и локального уровней. Такой единицей может являться ландшафт.

Определили понятие природного территориального комплекса

– это участки земной поверхности, характеризующиеся общностью происхождения, развития и однотипностью взаимодействия природных компонентов: горных пород, рельефа, нижних слоев

28

тропосферы с климатическими характеристиками, поверхностных и подземных вод, почв, растительности и животного мира.

Вопросы для самопроверки

1.Что отличает понятие «геосистему» от понятий других си-

стем?

2.Назовите внутреннее строение геосистемы?

3.Что подразумевается под структурой геосистемы?

4.Назовите типы развития геосистем.

5.Что же такое биоэкосистемная подсистема (БЭСП) ландшафта?

6.Что понимается под природным территориальным комплексом?

Рекомендуемая литература и Интернет-ресурсы

Литература: 1–9. Интернет-ресурсы: 10–18.

29

3. РАЗВИТИЕ УЧЕНИЯ О ГЕОХИМИИ ЛАНДШАФТА

Цель – рассмотреть основные направления учения о геохимии ландшафта.

План

1.Разработка Б.Б. Полыновым основ геохимии ландшафта.

2.Биогеохимический цикл и биологическая продуктивность.

1. Разработка Б.Б. Полыновым основ геохимии ландшафта

Как и многие учёные, Борис Борисович Полынов (1877–1952) пришёл к изучению ландшафтов от докучаевского почвоведения. Эта наука ближе всего стоит к геохимии ландшафта, так как детальное химическое изучение почвенных процессов всегда составляло одну из важных задач почвоведения. В 30-х г. Б.Б. Полынов приступил к разработке учения о ландшафтах на геохимической основе.

Вконце 20-х – начале 30-х годов при проектировании и строительстве на юге европейской и азиатской частей СССР больших оросительных систем начались крупные почвенно-мелиоративные исследования. В связи с проектом строительства Камышенской плотины на реке Волге Почвенный институт им. В.В. Докучаева получил в 1932 г. задание от Наркомзема произвести почвенномелиоративные исследования в Нижнем Поволжье. Работы продолжались три года, ими руководил Б.Б. Полынов. Методической основой исследований послужил впервые применённый сопряжённый ландшафтно-геохимический анализ содержания и закономерностей распределения легкорастворимых солей в почвах, рыхлых отложениях, грунтовых водах различных геоморфологических регионах, а в пределах последних – различных форм мезо- и микрорельефа. Опыт работы Нижневолжской экспедиции показал эффективность применения новой методики при почвенномелиоративных исследованиях.

Вдальнейшем развитие поливного земледелия, обоснование новых крупных мелиоративных проектов требовали специальных исследований геохимии легкорастворимых солей в ландшафтах СССР. Б.Б. Полыновым и его учениками (В.Р. Волобуевым, В.А. Ковда, Е.И. Парфёновой, М.А. Глазовской и др.) проводились работы, связанные с мелиорацией земель и выделением почвенно-

30