Функционирование ландшафта

Для познания структуры ландшафта следует в первую очередь четко определить все его составные части, а затем изучить "механизм" их взаимосвязей, памятуя при этом о динамическом подходе. В ландшафте различаются две системы внутренних связей - вертикальные и горизонтальные (латеральные), причем межкомпонентные (вертикальные) связи как бы опосредованы через латеральную структуру ландшафта, через сопряжение входящих в него элементарных геосистем. Совокупность процессов перемещения, обмена и трансформации вещества и энергии в геосистеме называется ее функционированием, функционирование ландшафта - интегральный (физико-географический по Григорьеву А.А.) процесс. Функционирование ландшафта слагается из множества элементарных процессов, имеющих физико-механическую, химическую или биологическую природу. Функционирование 1. Влагооборот 2. Биогенный оборот веществ 3. Абиотическая миграция вещества литосферы 4. Энергетика ландшафта 5. Годичный цикл

Влагооборот - важная составная часть механизма взаимодействия между компонентами геосистем и между самими гсосистемами, 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. Влагооборот в ландшафте Количественно влагооборот можно описать балансом влаги, т.е. равенством приходных, расходных составляющих влагооборота и изменения запасов. При составлении баланса влаги непременно нужно оговорить объем тела, для которого составляют баланс, указать временной интервал, для которого составляют баланс. Для общей характеристики влагооборота часто используют установившиеся среднемноголетние показатели, тогда изменение запасов влаги с начала и до конца года можно не учитывать. Если же баланс влаги составляют за лето, то обязательно учитывают запасы влаги на его начало и конец. Статьи водного баланса и его запасы измеряют для определенной территории в кубических метрах, иногда кубических километрах. Структура водного баланса зависит от степени открытости геосистемы, выраженности тех или иных составляющих влагооборота. Наиболее простая структура водного баланса всей планеты Земля, которая не обменивается водой с окружающей Вселенной. Среднемноголетний баланс в этом случае следующий: испарение с поверхности океанов и суши, составляющее 577 тыс. км3, равно атмосферным осадкам. С учетом площади поверхности Земли слои осадков и испарения равны и составляют 1130 мм. Отметим, что суммарные запасы всех вод на Земле, равные 1,4 млрд. км3, гораздо больше вовлеченных в круговорот. Из всех запасов (96,5 %) — это соленые воды океанов и морей. Запасов пресных вод на суше всего 35 млн. км3, из которых 2/3 сосредоточено в ледниках и снежном покрове Антарктиды и Арктики. К водному балансу суши помимо осадков и испарения добавляют еще одну статью — поверхностный и подземный сток в Мировой океан: осадки, испарение, сток. Для Мирового океана прибавляют приток с суши тогда баланс выглядит так: осадки, испарение, приток с суши. Структура водного баланса отдельных участков суши зависит от их широтного расположения и удаленности от океанов (степени континентальности). Помимо испарения используют понятие «испаряемость» — количество влаги, которое может испариться, исходя из тепловых ресурсов местности при неограниченном количестве осадков, идущих на увлажнение почвы. Орошение в засушливых районах существенно увеличивает испарение, доводя его до испаряемости. Помимо общего водного баланса территории для понимания природных процессов и решения важных практических задач необходимо составлять частные балансы для поверхностных, почвенных, подземных безнапорных и напорных вод. По частным балансам оценивают влагообмен между отдельными природными телами, что, например, нужно при описании передвижения зарязняющих веществ. Влага, выпадающая на поверхность суши, расходуется частично на увлажнение листьев и испаряется с них, не доходя до поверхности почвы. При сильных осадках или при таянии снега часть воды не успевает впитаться и стекает в реки, доля поверхностного стока на влажных территориях может превышать половину суммы осадков. Впитавшаяся влага в основном расходуется на транспирацию растениями, которые используют очень много воды для производства единицы фитомассы. Интенсивность влагооборота и его структура (соотношение отдельных составляющих) специфичны для разных ландшафтов и зависят, прежде всего, от энергообеспеченности и количества осадков, подчиняясь зональным и азональным закономерностям. Абсолютные величины внешнего влагообмена хорошо увязываются с общими зонально - азональными закономерностями циркуляции атмосферы: наиболее обильное поступление внешних осадков (и соответственно наиболее интенсивный вынос воды из ландшафта) наблюдается в экваториальных широтах, а также в муссонных тропиках и субтропиках, затем в приокеанических областях пояса западного воздушного переноса. Наиболее слабые входные и выходные потоки влаги свойственны внутриконтинентальным областям и особенно поясу тропической пассатной циркуляции. Обобщенным показателем внутриландшафтного влагооборота можно считать суммарное испарение. Рассмотреть круговорот веществ. Биогенный оборот веществ Биогеохимический цикл, или "малый биологический круговорот", - одно из главных звеньев функционирования геосистем. В основе его - продукционный процесс, т.е. образование органического вещества первичными продуцентами - зелеными растениями, которые извлекают двуокись углерода из атмосферы, зольные элементы и азот - с водными растворами из почвы. Важнейшие показатели биогенного звена функционирования - запасы фитомассы и величина годичной первичной продукции, а также количество опада и аккумулируемого мертвого органического вещества. Для оценки интенсивности круговорота используются производные показатели: отношение чистой первичной продукции к запасам фитомассы, отношение живой фитомассы к мертвому органическому веществу и др. Для характеристики вклада биоты в функционирование геосистем особенно важны биогеохимические показатели: количество элементов питания, потребляемых для создания первичной биологической продукции (емкость биологического круговорота) и их химический состав, возврат элементов с спадом и закрепление в истинном приросте, накопление в подстилке, потеря на выходе из геосистемы и степень компенсации на входе. Продуктивность биоты определяется как географическими факторами, так и биологическими особенностями различных видов. С величиной первичной биологической продуктивности непосредственно связана емкость биологического круговорота веществ. Хотя количество вовлекаемого в оборот минерального вещества зависит от биологических особенностей различных видов, размещение этих видов в значительной мере подчинено географическим закономерностям. По Л. Е. Родину, Н. И. Базилевич, полный цикл биологического круговорота элементов слагается из следующих составляющих. 1. Поглощение ассимилирующей поверхностью растений из атмосферы углерода, а корневыми системами из почвы - азота, зольных элементов и воды, закрепление их в телах растительных организмов, поступление в почву с отмершими растениями или их частями, разложение опада и высвобождение заключенных в них элементов. 2. Отчуждение частей растений питающимися ими животными, превращение их в телах животных в новые органические соединения и закрепление части из них в животных организмах, последующее поступление их в почву с экскрементами животных или с их трупами, разложение и тех и других и высвобождение заключенных в них элементов. 3. Газообмен между ассимилирующей поверхностью растений и атмосферой, между корневой системой и почвенным воздухом. 4. Прижизненные выделения надземными органами растений и в особенности корневыми системами некоторых элементов непосредственно в почву. Для познания круговорота веществ в рамках биогеоценоза наеобходимо охватывать исследованиями все группы организмов: растения, животных, микрофлору и микрофауну. Элементами биогеохимического круговорота веществ являются следующие составляющие. 1. Регулярно повторяющиеся или непрерывно текущие процессы притока энергии, образование и синтез новых соединений. 2. Постоянные или периодические процессы переноса или перераспределения энергии и процессы выноса и направленного перемещения синтезированных соединений под влиянием физических, химических и биологических агентов. 3. Направленные ритмические или периодические процессы последовательного преобразования: разложения, деструкции синтезированных ранее соединений под влиянием биогенных или абиогенных воздействий среды. 4. Постоянное или периодическое образование простейших минеральных и органоминеральных компонентов в газообразном, жидком или твердом состоянии, которые играют роль исходных компонентов для новых, очередных циклов круговорота веществ. Обязательными параметрами для изучения биогеохимических циклов в природе являются следующие показатели. 1. Биомасса и ее фактический прирост (фито -, зоо-, микробная масса отдельно). 2. Органический опад (количество, состав). 3. Органическое вещество почвы (гумус, неразложившиеся органические остатки). 4. Элементный вещественный состав почв, вод, воздуха, осадков, фракций биомассы. 5. Наземные и подземные запасы биогенной энергии. 6. Прижизненные метаболиты. 7. Число видов, численность, состав. 8. Продолжительность жизни видов, динамика и ритмика жизни популяций и почв. 9. Эколого-метеорологическая обстановка среды: фон и оценка вмешательства человека. 10. Охват точками наблюдений водораздела, склонов, террас, долин рек, озер. 11. Количество загрязнителей, их химические, физические, биологические свойства (особенно СО, СО2, SO2, P, NO3, NH3, Hg, Pb, Cd, H2S, углеводороды). Биологические циклы - обусловлены во всех звеньях жизнедеятельностью организмов (питание, пищевые свя-т. размножение, рост, передвижение метаболитов, смерть, разложение, минерализация). В природе протекают как биологические циклы веществ, так и абиогенные циклы. Абиотическая миграция вещества литосферы Абиотические потоки вещества в ландшафте в значительной мере подчинены воздействию силы тяжести и в основном осуществляют внешние связи ландшафта. Ландшафтно-географическая сущность абиотической миграции вещества литосферы состоит в том, что с нею осуществляется латеральный перенос материала между ландшафтами и между их морфологическими частями и безвозвратный вынос вещества в Мировой океан. Значительно меньше (в сравнении с биогенным обменом) участие абиотических потоков в системе внутренних (вертикальных, межкомпонентных) связей в ландшафте. Вещество литосферы мигрирует в ландшафте в двух основных формах: 1) в виде геохимически пассивных твердых продуктов денудации - обломочного материала, перемещаемого под действием силы тяжести вдоль склонов, механических примесей в воде (влекомые и взвешенные наносы) и воздухе (пыль); 2) в виде водорастворимых веществ, т.е. ионов, подверженных перемещению с водными потоками и участвующих в геохимических (и биохимических) реакциях. Энергетика ландшафта и интенсивность функционирования Функционирование геосистем сопровождается поглощением, преобразованием, накоплением и высвобождением энергии. Первичные потоки энергии поступают в ландшафт извне – из космоса и земных недр. Важнейший из них - лучистая энергия Солнца, поток которой по плотности многократно превышает все другие источники. Для функционирования ландшафта солнечная энергия наиболее эффективна; она способна превращаться в различные иные виды энергии - прежде всего в тепловую, а также в химическую и механическую. За счет солнечной энергии осуществляются внутренние обменные процессы в ландшафте, включая влагооборот и биохимический метаболизм, а кроме того, циркуляция воздушных масс и др. Можно сказать, что все вертикальные связи в ландшафте и многие горизонтальные, так или иначе, прямо или косвенно связаны с трансформацией солнечной энергии. Обеспеченность солнечной энергии определяет интенсивность функционирования ландшафтов (при равной влагообеспеченности) а сезонные колебания инсоляции обуславливают основной -годичный - цикл функционирования. Преобразование проходящей солнечной радиации начинает с отражения части ее от земной поверхности. Потери радиации на отражение широко колеблются в зависимости от характера поверхности ландшафта. Подавляющая часть полезного тепла, поглощаемого земной поверхностью, т.е. радиационного баланса, затрачивается на испарение и на турбулентную отдачу тепла в атмосферу, иными словами - на влагооборот и нагревание воздуха. На другие тепловые потоки в энергии может служить одним из показателей интенсивности функционирования ландшафта. Интенсивность функционирования ландшафта тем выше, чем интенсивнее в нем внутренний оборот вещества и энергии и связанная с ним созидающая функция, которая выражается, прежде всего, в биологической продуктивности. В свою очередь, все перечисленные процессы определяются соотношением теплообеспеченности и увлажнения. Годичный цикл функционирования ландшафта Функционирование геосистем имеет циклический характер и подчинено цикличности поступления солнечной энергии. Каждому компоненту присуща определенная инертность, т.е. большее или меньшее отставание ответных реакций на внешние (астрономические) причины внутригодовых изменений, в силу чего эти изменения не синхронны в отдельных процессах и явлениях. С инертностью компонентов связан эффект последействия, т.е. зависимость состояния геосистемы от характера предшествующих сезонных фаз. Цикличность процессов функционирования геосистемы сопровождается определенными изменениями ее вертикальной структуры. В умеренном поясе особенно четко различаются летний и зимний варианты этой структуры. Летний, ассимилирующий зеленый покров с более или менее сложной системой горизонтов (древесный полог, подлесок, травяной ярус и т.п.) зимой полностью или частично деградирован, но в это время года появляются снежный покров и мерзлотный почвенный слой.

Функционирование ландшафта слагается из множества элементарных процессов, имеющих физико- механическую, химическую или биологическую природу (например падение капель). Все географические процессы могут быть в конечном счете сведены к подобным элементарным составляющим, но это означало бы реакцию, не отвечающую задачам познания геосистемы как целого и привело бы к потере этого целого. Возможны разные подходы к географическому синтезу природных процессов и разные условия этого синтеза. Один из них состоит в интеграции процессов раздельно по формам движения материи, т.е. в рассмотрении их на уровне физических, химических и биологических закономерностей и методами соответствующих наук. Такой подход вполне закономерен, на нем основано формирование особых направлений в науке – геофизики ландшафта, геохимии ландшафта и биотоки ландшафта (биогеоценологии). Все они изучают функционирование ландшафта с позиций соответствующих фундаментальных наук. Однако в географической реальности элементарные природные процессы, связанные с отдельными движениями, переплетаются и переходят друг в друга. С точки зрения географа, их расчленение искусственно и условно. Уже в отраслевых географических дисциплинах делается шаг к их синтезу. Так называемые частные географические процессы, например, сток или почвообразование, нельзя считать только физическими, только химическими или биологическими. Физическая сущность стока элементарна – это всего лишь движение воды под действием силы тяжести. Однако, географический смысл стока вовсе не сводится к простым законам механики.

Сток - это одновременно процесс гидрологический, геоморфологический, геохимический и географический в широком смысле слова. Сток, в свою очередь, служит лишь звеном ещё более сложного и комплексного процесса – влагооборота. Рассматривая влагооборот как единый процесс, мы делаем ещё 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 – массообмен тесно связан 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 учётом 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 деструкция и транспирация, участие воды в фотосинтезе, а также задержание части осадков листовой поверхностью и др. Биотический обмен веществ – наиболее активная часть минерального обмена. Биологический метаболизм осуществляется, как известно, за счёт использования солнечной энергии. Продукционный процесс и связанное с ним вещественно - энергетическое взаимодействие биоты со всеми остальными компонентами геосистемы - настолько важная составляющая в механизме функционирования ландшафта, что вполне закономерно выделять её в особое функциональное звено, как бы перекрывающее три исходных звена, намеченных ранее. Подобное перекрытие служит доказательством единства функционирования геосистемы как целого. В сущности, перекрытия имеются между всеми звеньями. Транспирация, например, составной элемент влагооборота и одновременно биологического метаболизма и энергетики геосистемы. Любое расчленение единого процесса функционирования на звенья условно и служит лишь методическим приёмом в целях познания.

Далее, в каждом звене важно различать внешние (входные и выходные) потоки и внутренний оборот. Функционирование геосистем 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 счёт выноса во внешнюю среду. Изученность ландшафтов в этом отношении крайне недостаточна и неравномерна, так что пока еще приходится пользоваться отрывочными, не всегда однородными, а также косвенными данными.