1. Место ландшафтоведения среди наук о Земле. Направления в рамках современного ландшафтного подхода: геофизика и геохимия ландшафтов, историческая география ландшафтов, динамическое ландшафтоведение, ландшафтная экология, геоэкология и прикладное ландшафтоведение и др. Ландшафтоведение и экология.
Ландшафтоведение — часть физической географии, наука о возникающих на земной поверхности динамических пространственных (территориальных) системах географических компонентов и феноменов, взаимосвязанных в своем историческом развитии, а также техногенных объектов.
Ландшафтоведение как часть физической географии входит в систему физико-географических наук и, можно сказать, составляет ядро этой системы. Связано с геоморфологией, климатологией, гидрологией, почвоведением, биогеографией.
На стыке ландшафтоведения с геохимией и геофизикой возникли новые отрасли науки - геохимия ландшафта и геофизика ландшафта. Первая имеет дело с миграцией химических элементов в ландшафте и сложилась в развитую научную дисциплину, имеющую большое самостоятельное научное и прикладное значение. С ландшафтоведением у геохимии ландшафта имеется большая сфера перекрытия в части изучения одного из важных звеньев функционирования геосистемы, а именно ее геохимического «механизма». Геофизика ландшафта призвана исследовать физические «механизмы» геосистем, включая их энергетику. Биогеоценология – биология ландшафта, которая исследует связи сообщ. организмов со средой, био.метаболизм в геосистемах, био.продуктивность.
Динамическое ландшафтоведение. Под динамикой подразумеваются изменения системы, которые имеют обратимый характер и не приводят к перестройке ее структуры. Динамические изменения говорят об определенной способности геосистемы возвращаться к исходному состоянию, т.е о ее устойчивости. Ландшафтная экология – использование экологических биологических механизмов.
Геоэкология, географическая экология - раздел экологии, исследующий экосистемы высоких иерархических уровней - от ландшафта до биосферы включительно.
Прикладное ландшафтоведение – основатель В.В. Докучаев. Комплексный анализ, ландшафтов, их происхождения и современного состояния, а также программа их преобразования.
Ландшафтоведение и экология. Экология – наука о взаимоотношениях жив.организмов с окружающей средой. Экосистема – неразрывное единство биоценоза и биотопа. Это биоцентрическая система (главное биота). А в геосистеме все компоненты равноправны. Экосистема является составной частью геосистемы.
2. История становления ландшафтоведения как научной дисциплины (теория, методы, фактологическая база; фундаментальные и прикладные аспекты ландшафтоведения).
Ландшафтоведение возникло на основе народного опыта и истории естествознания и географии.
Народный опыт – 1 из источников ландшафтоведения. Многие термины (тундра,тайга,степь,пустыня,которыми издавна обозначались ландшафтные зоны) заимствованы из народной речи.
Становление географической науки:
В античности были предприняты первые попытки районирования земной поверхности (три части света - Европу, Азию и Ливию (Африку), представления о шарообразности Земли и тепловых поясах.
В результате великих географических открытий была доказана шарообразность Земли, единство МО.
Географические достижения эпохи Великих открытий были подытожены в книге молодого нидерландского ученого Бернгарда Варения (1622-1650) "Всеобщая география". В ней география определена как естественная наука о "земноводном шаре", который должен рассматриваться как в целом, так и по отдельным частям. Труд Варения посвящен только всеобщей географии, т.е. общему землеведению, в нем систематически описаны явления твердой земной поверхности, гидросферы и атмосферы.
В XVIIIв. появляются подлинно научные географические описания: 1755 г. "Описание земли Камчатки" С.П. Крашенинникова.
Выделение ландшафтоведения как научного направления
Заметный перелом в развитии физической географии намечается во второй половине XVIII в,с этого времени начинаются географические исследования с научными целями. Экспедиции, организованные Российской академией наук в 1768 - 1784 гг, которые охватили огромные пространства нашей страны и дали первый материал для ее научного географического описания.
Э.А.Эверсман выпустил в 1840 г. "Естественную историю Оренбургского края", основанную на полевых исследованиях. Он разделил эту территорию на три полосы, которые соответствуют горно-лесному поясу Урала и ландшафтным зонам степей и полупустынь ("сухих степей"). Таким образом, здесь идет речь о ПТК разного уровня.
В 1855 г. Северцов установил также закономерности распределения лесов и степей в зависимости от рельефа и грунтов. Исследованиями Семенова-Тян-Шанского и Северцова в Тянь-Шане было положено начало изучению высотной географической поясности гор.
Таким образом, в 40-60-е гг. XIX многие русские натуралисты не только изучали взаимоотношения между географическими компонентами, но и приблизились к идее ПТК, что нашло свое выражение в таких понятиях, как типы, или роды, местности. Дальше в тетради.
Современный этап развития ландшафтоведения
С середины 1960-х гг. наблюдается поворот ландшафтоведов к вопросам изучения структуры, функционирования и динамики ландшафтов, а также - техногенного воздействия на них.
Д.Л.Арманд выдвинул задачу разработки геофизики ландшафта, предметом которой должно явиться изучение взаимодействия компонентов ландшафта, анализируемого на уровне и методами современной физики.В.Б.Сочава ввел понятие о геосистеме как современном эквиваленте термина ПТК. Для современного этапа характерно повышенное внимание к изучению различного рода временных изменений геосистем, которые рассматриваются как пространственно-временные (4-хмерные) системы.Существенная черта современного этапа - сильное расширение сферы прикладных ландшафтных исследований.
3. Системный подход как основа современного ландшафтоведения. Понятие о геосистемах, их элементах, связях, структурах. Принципы целостности, структурности, иерархичности, множественности описаний геосистем.
Система — множество элементов, а также связей между ними и их свойствами (атрибутами).
Взаимное распложение элементов — строение системы (морфология).
Связи между элементами определяют структуру системы.
Связи могут быть положительными и отрицательными, прямыми и обратными
Геосистема — динамическая система географических компонентов и техногенных элементов, взаимосвязанных в своем территориальном распространении и истории совместного развития разнонаправленными потоками вещества и энергии
Целостность — первичность целого по отношению к частям; появление у системы новой функции, нового качества, органично вытекающих из составляющих ее элементов, но не присущих ни одному из них, взятому изолированно.
Множественность описаний — ни одна из моделей системы не может претендовать на универсальность.
Структурность — возможна декомпозиция системы на компоненты, установление связей между ними
Иерархичность — каждый компонент системы может рассматриваться как система (подсистема) более широкой глобальной системы.
Свойства системы не равны сумме св-в её компонентов.
Структура геосистемы – пространственно-временная организация (упорядоченность) или как взаимное расположение частей и способы их соединения.
Пространственный аспект структуры геосистемы – упорядоченность взаимного расположения ее структурных частей. Различают вертикальную (ярусное расположение компонентов) и горизонтальную (упорядоченное расположение ПТК низших рангов)
Временной аспект – набор ее состояний, ритмически сменяющихся в пределе некоторого характерного интервала времени (время выявления)
4. Понятие о геосистемах - системах взаимосвязанных в своем распространении, историческом развитии, динамическом и информационном взаимодействии природных и антропогенных компонентов.
Важнейшим свойством всякой геосистемы является ее целостность. Это значит, что систему нельзя свести к простой сумме ее частей. Из взаимодействия компонентов возникает нечто качественно новое, чего не могло бы быть в механической сумме рельеф + климат + вода и т. д. К особым новым качествам геосистемы следует отнести ее способность продуцировать биомассу. Биологическая продуктивность - это результат «работы» своего рода сложного природного механизма, в котором участвуют все компоненты геосистемы, включая энергетический компонент - солнечную энергию.
Целостность геосистемы проявляется в ее относительной автономности и устойчивости к внешним воздействиям, в наличии объективных естественных границ, упорядоченности структуры, большей тесноте внутренних связей в сравнении с внешними. 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. Более сложный вопрос о наличии и роли информационного обмена в геосистемах. При широком толковании понятия «информация» его можно применить и к географическому комплексу. Но и при более узком и строгом значении этого слова надо признать, что информационные связи в геосистеме присутствуют, поскольку одним из ее компонентов является биота, которой присущ обмен информацией. Всю совокупность процессов перемещения, обмена и трансформации энергии, вещества, а также информации в геосистеме можно назвать ее функционированием. Функционирование геосистемы осуществляется по законам механики, физики, химии и биологии.
5. Дополнительность геосистемного и экологического подходов. Соотношения терминов "ландшафт", "природно-территориальный комплекс (ПТК)", "геосистема", "природно-антропогенная геосистема". Соотношение понятий "геосистема" и "экосистема".
Ландшафт кратко можно определить как генетически единую геосистему, однородную по зональным и азональным признакам и заключающую в себе специфический набор сопряженных локальных геосистем.
для обособления самостоятельного ландшафта необходимы следующие основные условия:
1) территория, на которой формируется ландшафт, должна иметь однородный геологический фундамент;
2) после образования фундамента последующая история развития ландшафта на всем его пространстве должна была протекать одинаково (в единый ландшафт, например, нельзя объединять два участка, из которых один покрывался ледником, а другой нет, или один подвергался морской трансгрессии, а другой оставался вне ее);
3) климат одинаков на всем пространстве ландшафта и при любых сменах климатических условий он остается однообразным (внутри ландшафта наблюдается лишь изменение местных климатов по урочищам и микроклиматов по фациям).
При таких условиях на территории каждого ландшафта создается строго ограниченный набор скульптурных форм рельефа, водоемов, почв, биоценозов и, в конечном счете, простых природных территориальных комплексов – урочищ и фаций, рассматриваемых как морфологические части ландшафта.
ПТК - пространственно-временная система географических компонентов, взаимообусловленных в своем размещении и развивающихся как единое целое.
Природный территориальный комплекс - это определенный уровень организации вещества Земли. Отдельные компоненты комплекса не могут существовать вне его. Практически невозможно изучать компоненты вне ландшафта как самостоятельные системы.
Ландшафт есть закономерно построенная система локальных ПТК,
Природно–антропогенные ландшафты- антропогенно трансформированные ландшафты.
Отличии от природных ландшафтов: Трансформация, Насыщенность продуктами труда.
Между экосистемой и геосистемой существуют принципиальные различия. Экосистема, подобно геосистеме, включает биотические и абиотические компоненты природы, но при изучении экосистем рассматриваются лишь те связи, которые имеют отношение к организмам. Экосистема - биоцентрическая система, биота является ее «хозяином». В геосистеме же все компоненты равноправны и все взаимосвязи между ними подлежат изучению. Таким образом, геосистема охватывает значительно больше связей и отношений, чем экосистема. Экосистему можно рассматривать как систему частную (парциальную) по отношению к геосистеме. Другое отличие экосистемы от геосистемы состоит в том, что она не имеет строгого объема, она как бы безразмерна.
6. Структура геосистем: элементы и географические компоненты, радиальный (вертикальный), горизонтальный и временной аспекты структуры геосистем.
Структура геосистемы - сложное, многоплановое понятие. Ее определяют как пространственно-временную организацию (упорядоченность) или как взаимное расположение частей и способы их соединения. Пространственный аспект структуры геосистемы состоит в упорядоченности взаимного расположения ее структурных частей. Последние, в свою очередь, рассматриваются двояко: как компоненты и как субсистемы, т. е. подчиненные геосистемы низших рангов. Таким образом, в природном территориальном комплексе, как и во всей эпигеосфере, следует различать структуру вертикальную (или радиальную) и горизонтальную (или латеральную). Первая выражается в ярусном расположении компонентов, вторая - в упорядоченном расположении ПТК низших рангов. Но понятие структуры предполагает не просто взаимное расположение составных частей, а способы их соединения. Соответственно различаются две системы внутренних связей в ПТК : вертикальная, т. е. межкомпонентная, и горизонтальная, т. е. межсистемная. Те и другие осуществляются путем передачи вещества и энергии (отчасти также информации). Примерами вертикальных системообразующих потоков могут служить выпадение атмосферных осадков, их фильтрация в почву и грунтовые воды, поднятие водных растворов по капиллярам почвы и материнской породы. К горизонтальным потокам, связывающим между собой отдельные ПТК в границах территориальных единств высших рангов, относятся водный и твердый сток, стукание холодного воздуха по склонам, перенос химических элементов из водоемов на суходолы с биомассой птиц и насекомых (комаров) и др.
Структура геосистемы имеет помимо пространственного и временной аспект. Составные части геосистемы упорядочены не только в пространстве, но и во времени. Достаточно вспомнить о снежном покрове - это специфический временный (сезонный) компонент многих геосистем, присутствующий в них только зимой. С другой стороны, зеленая масса растений в умеренных широтах присутствует и «работает» только в теплое время года. Таким образом, в понятие структуры геосистемы следует включить и определенный, закономерный набор ее состояний (временной аспект), ритмически сменяющихся в пределах некоторого характерного интервала времени, которое можно назвать характерным временем или временем выявления геосистемы. Таким отрезком времени является один год: это тот минимальный временной промежуток, в течение которого можно наблюдать все типичные структурные элементы и состояния геосистемы.
7. Вертикальные структуры геосистем. Множественность способов описания вертикальных структур геосистем.
Что касается вертикальной структуры ландшафта, то ее составными частями обычно принято считать отдельные географические компоненты : твердый фундамент, почву, биоту и т. д. Поскольку своими предельными (однородными) пространственными подразделениями они представлены в составе фации, ландшафт выступает как некоторая сложная интегральная система элементарных вертикальных структур. Однако если говорить о функциональном подходе к структуре, то анализ межкомпонентных связей не есть единственно возможный путь. Во-первых, далеко не всегда достаточно рассматривать каждый компонент как единое и неделимое целое, и в анализ приходится вовлекать определенные части, или элементы компонентов, которые по отношению к геосистеме представляют структурно-функциональные подразделения второго порядка. Так, для понимания роли биоты в ландшафтном «механизме», в системе географических связей, важно различать три функционально разнокачественные (трофические) группы организмов : продуценты, консументы и редуценты. Далее, рассматривая функционирование в ландшафте основной, наиболее активной части биоты, представленной зелеными растениями, важно вычленить из нее всю совокупность ассимилирующих органов, а также подземную часть (корни) и массу транспортно- скелетных органов. Специфическую роль в ландшафтной структуре играет мертвое органическое вещество - детрит, сосредоточенное в подстилке, хотя в традиционном перечне географических компонентов подстилка отсутствует и обычно присоединяется к почве на правах ее нулевого горизонта.
Во-вторых, компоненты в общепринятом значении этого слова, строго говоря, не вполне соответствуют составным частям вертикальной структуры ландшафта, которые должны иметь упорядоченное расположение в вертикальном профиле геосистемы в виде ярусов, или горизонтов.
8. Географические компоненты (литогенная основа, воздушные массы, природные воды, почвы, растительность и животный мир), их роль в формировании, дифференциации и интеграции ландшафтной оболочки.
Под природными географическими компонентами мы понимаем: 1) массы твердой земной коры; 2) массы гидросферы (на суше это различные скопления поверхностных и подземных вод); 3) воздушные массы атмосферы; 4) биоту 5) почву. Кроме того, в качестве особых географических компонентов обычно различают рельеф и климат.
Взаимная зависимость географических компонентов и реальность образуемых ими сложных материальных комплексов, или систем, проявляются в сопряженных изменениях компонентов от места к месту, т. е. в их взаимной пространственной приуроченности. Это легко показать на профилях, пересекающих любую территорию в каком-либо направлении, например с севера на юг, когда вслед. за изменениями климата происходит согласованная смена водного баланса, почв, растительного и животного мира. Аналогичную картину, только в более узких, локальных масштабах, можно наблюдать на профиле, пересекающем различные элементы рельефа от водораздела через склоны и террасы к руслам рек: вместе с рельефом изменяются поверхностные отложения, микроклиматы, уровень грунтовых вод, виды и разности почв, фитоценозы. Географические компоненты взаимосвязаны не только в пространстве, но и во времени, т. е. их развитие также происходит сопряженно. Так, на всякое изменение климата обязательно отреагируют водоемы, растительные и животные сообщества, почвы и даже рельеф. Правда, эта реакция не может быть мгновенной, поскольку каждому компоненту присуща определенная инерция и нужно время, чтобы они «подтянулись» и перестроились. Но важно то, что компоненты неизбежно перестраиваются и стремятся прийти в соответствие друг с другом.
По Н. А. Солнцеву, литогенные компоненты (т.е. все то, что связано с твердым фундаментом) являются ведущими факторами ландшафта, на втором месте стоят климат и воды, и самыми слабыми оказываются биогенные компоненты, которые полностью зависят от всех предшествующих им в ряду. В. Б. Сочава считал, что тепло, влага и биота являются «критическими компонентами» геосистемы, поскольку они определяют ее энергетику и динамику. А. А. Крауклис различает три группы компонентов по их. специфическим функциям в геосистеме: 1) инертные (минеральный субстрат и рельеф), представляющие «фиксированную основу геосистемы», 2) мобильные (воздушные и водные массы, сложенные веществом, у которого силы молекулярного сцепления относительно слабы), выполняющие в геосистеме обменные и транзитные функции, 3) активные, к которым относится биота, выступающая как важнейший фактор саморегуляции, восстановления, стабилизации геосистемы
9. Понятие о функционировании геосистем. Основные функциональные блоки и их взаимосвязи.
Всю совокупность процессов перемещения, обмена и трансформации энергии, вещества, а также информации в геосистеме можно назвать ее функционированием. Функционирование геосистемы осуществляется по законам механики, физики, химии и биологии. С этой точки зрения геосистема
есть сложная (интегральная) физико- химико-биологическая система. Функционирование геосистем слагается из трансформации солнечной энергии, влагооборота, геохимического круговорота, биологического метаболизма и механического перемещения материала под действием силы тяжести
Функционирование геосистем имеет квазизамкнутый характер, т. е. форму круговоротов с годичным циклом. Степень замкнутости цикла может сильно варьировать, представляя важную характеристику ландшафта. От интенсивности внутреннего энергомассообмена зависят многие качества ландшафта, в частности его устойчивость к возмущающим внешним воздействиям. Для количественной оценки функционирования и соотношения между. внешним и внутренним вещественно-энергетическим обменом необходимы данные по балансам различных видов вещества и энергии, т. е. нужно знать величины их поступления в систему, внутреннего обмена, трансформации и аккумуляции в системе и потерь за счет выноса во внешнюю среду (по выходным каналам).
10. Поток солнечной энергии и его трансформация в ландшафтах
рад. Баланс
Isin(hS) – прямая радиация, A-альбедо,i-рассеянная радиация,ЕЭФ-эфф.изл.
Поскольку солнечная энергия служит практически единственным источником физических, химических и биологических процессов на земной поверхности, эти процессы неизбежно должны иметь зональный характер. Механизм географической зональности очень сложен, она проявляется далеко не однозначно в разной «среде», в различных компонентах, процессах, а также в разных частях эпигеосферы. Первым непосредственным результатом зонального распределения лучистой энергии Солнца является зональность радиационного баланса земной поверхности. Лучистая энергия, полученная земной поверхностью от Солнца и преобразованная в тепловую, затрачивается в основном на испарение и на теплоотдачу в атмосферу, причем величины этих расходных статей радиационного баланса и их соотношения довольно сложно изменяются по широте. Важнейшие следствия неравномерного широтного распределения тепла - зональность воздушных масс, циркуляции атмосферы и влагооборота. Под влиянием неравномерного нагрева, а также испарения с подстилающей поверхности формируются воздушные массы, различающиеся по своим температурным свойствам, влагосодержанию, плотности.
.11. Влагооборот в геосистемах. Связь энергетических балансов и биологического круговорота веществ с водным балансом.
Рассматривая влагооборот как единый процесс, мы делаем еще один шаг к географическому синтезу, к познанию функционирования геосистем как целостных образований. Влагооборот . важная составная часть механизма взаимодействия между компонентами геосистем и между самими геосистемами, его можно определить как одно из главных функциональных звеньев ландшафта. Другим звеном является минеральный обмен, или геохимический круговорот. В совокупности влагооборот и минеральный обмен (вместе с газообменом) охватывают все вещественные потоки в геосистеме. Но перемещение, обмен и преобразование вещества сопровождаются поглощением, трансформацией и высвобождением энергии . Массообмен тесно связан с энергообменом, который также следует рассматривать как особое функциональное звено ландшафта. Таким образом, мы получили три главных составляющих функционирования ландшафта. Но это лишь один подход к его изучению, который должен быть дополнен с учетом иных важных аспектов функционирования. В каждом из названных звеньев необходимо различать биотическую и абиотическую составляющие. Во влагообороте, например, с биотой связаны такие существенные потоки, как десукция (всасывание корнями) и транспирация (испарение с растений), участие воды в фотосинтезе, а также задержание части осадков листовой поверхностью и др. Биотический
12. Продукция и деструкция органических веществ в геосистемах, общая схема биогеоцикла.
Продукция измеряется в т/га Биогеохимический цикл, или «малый биологический круговорот» - одно
из главных звеньев функционирования геосистем. В основе его - продукционный процесс, т. е. образование органического вещества первичными продуцентами, которые извлекают CO2 из атмосферы, зольные элементы и N с водными растворами из почвы. Около половины cоздаваемого при фотосинтезе органического вещества (брутто-продукции) окисляется до СО2 при дыхании и возвращается в атмосферу. Оставшаяся (за вычетом затрат на дыхание) фитомасса называется чистой первичной продукцией. Часть ее поступает в трофическую цепочку - потребляется растительноядными животными (фитофагами); следующий трофический уровень представлен плотоядными животными (зоофагами) . При переходе от одного трофического уровня к другому отношение биомасс уменьшается на 2, 3 порядка, т. е. в n: 100. n: 1000 раз. Особенно большой разрыв наблюдается в лесах, где основная масса гетеротрофных организмов приходится на сапрофагов. В результате получается, что вторичная продукция на суше составляет менее 1% от первичной, за исключением степей и саванн. Основная часть фитомассы после отмирания разрушается животными - сапрофагами, бактериями, грибами, актиномицетами. В конечном счете мертвые органические остатки минерализуются микроорганизмами (в меньшей степени путем абиотического окисления). Конечные продукты минерализации возвращаются в атмосферу. Процессы созидания и разрушения биомассы не всегда сбалансированы : часть ее (в среднем менее 1%) может выпадать из круговорота на более или менее длительное время и аккумулироваться в почве (в виде гумуса) и в осадочных породах.