12. Функционирование, устойчивость и динамика природных геосистем и ландшафтов

Функционирование природных геосистем представляет собой совокупность взаимосвязанных процессов переноса, обмена и трансформации вещества и энергии между составляющими геосистему природными компонентами, а также геосистемой в целом и внешней средой. Основные энергетические факторы функционирования геосистем – лучистая энергия Солнца и сила земного тяготения. Их источники находятся за пределами ландшафтной оболочки.

Среди многообразных процессов функционирования геосистем различают физико-механические, химические, биохимические (в почве) и биологические. Все вместе эти процессы называются биогеохимическим круговоротом или метаболизмом геосистемы.

Каждая природная геосистема в зависимости от ее таксономического ранга характеризуется круговоротом вещества и энергии различного размера. Выделяют малый круговорот (свойственен фациям, охватывает только вертикальную структуру геосистемы) и большой круговорот (свойственен всей ландшафтной оболочке, охватывает вертикальную и горизонтальную структуру геосистем всех рангов). Между этими крайними по своему размаху биогеохимическими круговоротами существует множество промежуточных.

Результатом функционирования природных геосистем является биологическая продукция. Различают первичную (производимую продуцентами), вторичную (производимую консументами) и абсолютную (суммарную) биологическую продукцию. Геосистемы различаются по продуктивности. Биологическая продуктивность – способность всех живых организмов и их сообществ производить за определенную единицу времени биологическую продукцию.

Общая масса живого вещества на единицу площади ландшафта называется биомассой. Общая биомасса Земли составляет 184∙10⁹ т. В лесных ландшафтах накопленная за много лет биомасса во много раз превышает биологическую продукцию.

Особенности функционирования ландшафта:

Биомасса существенно варьирует в разных природных зонах.

При длительном (многовековом) устойчивом состоянии ландшафта его функционирование приводит к образованию свойственной ему не только почвы, но и коры выветривания.

Длительно функционирующий ландшафт практически формирует свой мезорельеф, микрорельеф и нанорельеф того или иного генетического типа – морфоскульптуру рельефа. Этот процесс называется морфогенезом.

Формируя микро- и мезорельеф, ландшафт самоорганизуется. Самоорганизация геосистемы также называется его синергетикой. Плановая структура либо создается одним ландшафтом в ходе его эволюционной самоорганизации, либо наследуется, воспринимается от предшествующих эпох ландшафтной эволюции.

Следствием функционирования природных геосистем является формирование осадочных горных пород: аллювия, озерных или болотных отложений, делювия, пролювия, коллювия, эоловых накоплений. Эти осадочные образования несут на себе отпечаток биологических круговоротов тех ландшафтов, в которых они сформировались. Таким образом, функционирующим ландшафтам свойственны морфогенез и литогенез, или морфолитогенез.

Морфологическая структура ландшафта. Монодоминант-ные и полидоминантные ландшафты. Ландшафт – сложная природная геосистема (природно-территориальный комплекс), состоящая из сопряженных генетически и функционально (т.е. потоками вещества и энергии) более мелких природных геосистем – урочищ, подурочищ, фаций. Все они закономерно чередуются в пространстве, образуя его территориальную морфологическую структуру. Ландшафт обычно бывает связан с одним генетическим типом рельефа, одной морфоструктурой, определенным местным климатом. Например, ландшафт степных и солонцово-солончаковых долин, приуроченных к грабенам (в Казахстане).

Морфологическая структура ландшафта – состав формиру-ющих его природных геосистем локальной размерности, именуемых морфологическими единицами, а также характер их взаиморасположения, генетических и функциональных связей.

Роль различных морфологических единиц в структуре ландшафта неоднозначна. Выделяют доминантные (господству-ющие) урочища, субдоминантные (подчиненные) урочища, редкие урочища и уникальные урочища.

Бывают ландшафты, в которых господствует лишь один вид урочищ, а остальные виды субдоминантны и редки. Такие ландшафты называются монодоминантными. Им свойственна пятнистая или дендритовая текстура (см. ниже). Бывают и полидоминантные ландшафты, содержащие не менее двух содоминирующих урочищ. Им свойственна полосчатая, концентрическая, ячеистая или мелкопятнистая текстура.

Каждому ландшафту свойственна определенная территориальная организованность, своя упорядоченность размещения морфологических единиц. Как правило, она определяется особенностями расчленения рельефа, иногда неоднородностью геологического строения местности, различиями в гидротопах. Смена в пространстве одного вида морфологической структуры другим есть показатель смены одного ландшафта другим.

Территориальная организованность ландшафта называется его текстурой или рисунком ландшафта. На равнинах наиболее характерны следующие виды текстур:

- пятнистые;

- полосчатые (гривистая равнина);

- дендритовые (эрозионно-расчлененная равнина);

- радиально-дендритовые (на эрозионно-расчлененных куполах);

- ячеистые (в песчаных развеваемых пустынях);

-веерные (на конусах выноса предгорий) и др.

Горизонтальная структура ландшафта – состав слагающих его морфологических единиц, их территориальная организация (текстура), их взаимные вещественные и энергетические связи.

Связи природных компонентов в ландшафте. Все природные компоненты образуют вертикальную структуру природной геосистемы. Вертикальная структура природной геосистемы – состав и взаимосвязь слагающих ее природных компонентов, представленных упорядоченной последовательностью (стратификацией) горизонтов. Геогоризонт – структурный элемент вертикального профиля геосистемы, сформированный тем или иным природным компонентом в совокупности с другими природными компонентами.

Используя связи между природными компонентами в вертикальной структуре геосистемы можно через легко доступные для изучения природные компоненты – индикаторы (обычно растительность и рельеф) реконструировать остальные (скрытые) природные компоненты – индикаты (почвы, почвообразующие породы, грунтовые воды – их глубину и минерализацию). Этот метод получил название ландшафтной индикации.

Метаболизм природной геосистемы – вещественно-энергетический обмен между природными компонентами внутри природной геосистемы. Природные компоненты объединены в единую геосистему вещественными, энергетическими и информационными связями. Связи между природными компонентами в геосистеме могут быть прямыми и обратными.

Прямая связь – воздействие одного природного компонента на другой или воздействие внешних факторов на систему в целом. Обратная связь – реакция природных компонентов или природной геосистемы в целом на прямую связь. Обратная связь может быть положительной и отрицательной .

При положительной обратной связи природные компоненты или природная геосистема в целом под влиянием прямого воздействия воспринимают это воздействие и реагируют на него согласно с ним. При этом фактор прямого воздействия может еще усилиться. Такое воздействие может вызвать цепную реакцию изменений (например, опустынивание Сахели, вызванной засухой в 1970-1980-е годы).

При отрицательной обратной связи природные компоненты и природная геосистема в целом в ответ на прямое воздействие стремится защитить себя от этого воздействия, отторгнуть его. Пример: образование конвективных облаков, осадки и понижение температуры воздуха во второй половине дня при сильной жаре в первой половине. Отрицательная связь способствует устойчивости геосистемы. Особенно полезны для геосистемы развитые обратные связи при сильном антропогенном воздействии.

Проблемы устойчивости ландшафта. Механизмы саморегу-ляции. Устойчивость ландшафта – способность ландшафта сохранять свою структуру и функционирование в режиме нормальных природных ритмов и в обстановке изменяющейся внешней среды или под воздействием антропогенных нагрузок.

Устойчивость природных геосистем подчиняется принципу относительности: 1) к одним нагрузкам геосистема может быть устойчива, к другим нет; 2) разные геосистемы обладают разным потенциалом устойчивости к одним и тем же воздействиям.

Относительная малая устойчивость к внешним воздействиям характерна для геосистем реликтового характера (пример: островные леса в степи), находящиеся в дисгармонии с внешней средой. Также неустойчивы геосистемы, находящиеся на ранних стадиях формирования (пример: только начинающие зарастать пески). Гораздо более устойчивы климаксовые геосистемы.

Устойчивость ландшафтов во многом зависит от того, какой вид динамики у них преобладает. Господство стабилизирующей динамики значительно повышает устойчивость. Устойчивость очень сильно падает, если динамический тренд усугубляется наложением однонаправленных антропогенных нагрузок. В таком случае происходит ландшафтный резонанс – внутренние колебания системы усиливаются внешними колебаниями (например, опустынивание Сахели из-за засухи усиливалось перевыпасом скота).

Различают три основных механизма ландшафтной устойчивости:

1. Инерционная устойчивость – устойчивость геосистемы, отсутствие реакции на нагрузки до каких-то пороговых значений. Такой устойчивостью обладают квазистационарные ландшафты, в первую очередь расположенные в срединных частях природных зон.

2. Резистентная (упругая) устойчивость – связана с восстановительными сукцессиями. Свойственна системам с мощным растительным покровом, т.к. именно он главным образом обеспечивает восстановительную сукцессию.

3. Адаптивная устойчивость – устойчивость приспособления, толерантность (терпимость, пластичность). Геосистема способна чутко приспосабливаться к изменяющимся условиям внешней среды и антропогенным нагрузкам, но в определенным рамках терпимости. Наибольшей адаптивной устойчивостью обладают экотоны. Закон толерантности: адаптивная (пластичная) устойчивость определяется широтой диапазона между максимальным и минимальным значениями факторов, в пределах которого геосистема способна сохранять характерные для нее структурные и функциональные особенности.

Чем меньше разнообразие горизонтальной структуры геосистемы, тем более слабы ее механизмы компенсации, тем слабее ее устойчивость. Поэтому локальные антропогенные нарушения обычно не сказываются или почти не сказываются на ландшафтных провинциях, зонах и т.п.

Динамика природной геосистемы. Антропогенная динамика ландшафта. Пороговые нагрузки. Обратные связи. Цепная реакция различных ландшафтов. Природные геосистемы постоянно изменяются. Любая геосистема в своей структуре и функционировании изменяется адаптивно, т.е. подстраивается к новым условиям. Пример: приуроченность цветения большинства растений в средней полосе к периоду после таяния снега. Часто при адаптации к разным условиям одна и та же геосистема может быть представлена различными вариантами своей вертикальной и горизонтальной структуры, т.е. система меняет свои состояния.

Состояние природной геосистемы – определенный тип ее структуры и функционирования, ограниченный некоторым отрезком времени. Динамика природной геосистемы – смена ее состояний. Различают несколько видов ландшафтной динамики:

1. Динамика природных ритмов. Ритмика природной геосистемы – повторяемость в определенной последовательности различных ее состояний, отличающихся спецификой структуры и функционирования. Эти состояния периодически повторяются, т.е. ритмика геосистемы – обратимые изменения. Существует иерархия динамических состояний природных геосистем: многовековые, вековые, 30-летние, 11-летник, квазидвухлетние, годичные, сезонные, суточные. Ландшафтные ритмы с различными характерными временами накладываются друг на друга.

2. Динамика ландшафтных трендов. Ландшафтный тренд – современные направленные изменения природной геосистемы (например, заболачивание, осолончакование, опустынивание). Тренд – есть реакция системы на изменения внешней среды (климатические, неотектонические, гидрологические) или следствие спонтанного развития геосистемы. Тренд – современный срез ландшафтной эволюции, ее современное звено.

3. Динамика природных катастроф. К природным катастрофам относятся лавины, сели, обвалы, ураганы, извержения вулканов, наводнения, лесные пожары и т.п. Динамика природных катастроф происходит в сравнительно сжатые отрезки времени и влечет за собой разрушение или полное уничтожение биоты и почвенного покрова, некоторые изменения литогенной основы.

4. Динамика восстановительной сукцессии. После природной катастрофы ландшафт в течение нескольких десятков и даже сотен лет восстанавливает свою вертикальную и горизонтальную структуру. Этот процесс называется восстановительной сукцессией, а период, в течение которого он длится – периодом релаксации. Ландшафтная сукцессия – стадийные изменения природной геосистемы, возникающие вследствие природных или антропогенных нарушений и направленные на ее восстановление, приведение ее в относительно устойчивое (климаксовое) состояние. Характерное время природной геосистемы – время, необходимое для прохождения природной геосистемой серии состояний с возвратом к условно исходному состоянию.

5. Антропогенная динамика геосистем. Такая динамика обусловлена хозяйственной нагрузкой на геосистему – ускоренной эрозией и дефляцией почв, вторичным засолением почв на орошаемых участках в аридных условиях, дигрессией пастбищ, вырубкой лесов, заболачиванием подтопленных побережий водохранилищ, опустыниванием, загрязнением среды. Как правило, антропогенная динамика ведет к разрушению геосистем.

Динамика природных ритмов и восстановительных сукцессий являются видами стабилизирующей динамики ландшафта, остальные виды динамики ведут к необратимому качественному изменению или даже разрушению ландшафта.

13.Геосистемы – закономерные сочетания взаимосвязанных биотических и абиотических компонентов, а также соподчиненных комплексов, относительно ограниченные в пространстве и функционирующие как единое целое. Геосистема (др.-греч. γε, - Земля и др.-греч. σύστημα, - целое, составленное из частей) — фундаментальная категория геоэкологии, обозначающая совокупность компонентов географической оболочки, объединённых потоками энергии и вещества.

Таким образом, геокомпонентами в ландшафтной экологии являются твердые массы земной коры, воздушные массы атмосферы, поверхностные и грунтовые воды, почвы, растительность, животные, микроорганизмы.

Геокомпоненты – это сложные тела. В каждом из них есть вещества которые выполняют функцию основной субстанции других компонентов. Например, под воздушными массами атмосферы следует понимать не просто сумму (совокупность) газов, а сложную субстанцию, которая включает также водяной пар, частички твердых веществ, микроорганизмы. Эта особенность геокомпонентов придает им новые – эмерджентные свойства, которых нет в химически чистых и однородных веществах, которые их образуют. А.Г.Исаченко (1991) отмечает, что в системной организации веществ Земли геокомпоненты занимают промежуточное положение между простыми дискретными телами (минералами, газами, почвенными агрегатами, организмами и т.д.) и геосистемами. Поэтому анализ вертикальной структуры геосистемы, представленной в виде геокомпонентов, будет эффективным при выявлении генетико-эволюционных закономерностей геосистемы.

Выделение элементов в геокомпонентной вертикальной структуре проводится разделением геокомпонентов на их более генетически однородные части. Например, для почв – это генетические горизонты; грунтовые воды различаются по типам пород, которые их вмещают, поскольку их химические и другие характеристики генетически обусловлены особенностями водовмещающей толщи.

Элементами растительного и животного мира геосистемы обычно принимается ценопопуляция (совокупность особей одного вида в границах элементарной геосистемы). При более детальном анализе вертикальной структуры геосистемы, этот уровень может оказаться недостаточным. Тогда популяции необходимо разделить на различные группы и как элемент рассматривать совокупность особей одного вида определенной группы. Как элементы можно рассматривать экотипы растений. Как элементы при генетико-эволюционном анализе ценопопуляций можно рассматривать совокупность видов, которые относятся к одной флорогенетической группе или экоморфе определенного типа (экоморфа – это жизненная форма растений, обусловленная факторами внешней среды – ксерофиты, мезофиты, гигофиты, псаммофиты и т.д.) или к определенному систематическому таксону – злаковые, бобовые и т.д. Принцип по которому популяции объединяются в группы и в дальнейшем рассматриваются как один элемент, зависит от конкретной цели и задач исследования.

Любое воздействие на геосистему влечет за собой цепь изменений в природе, хозяйстве и населении (вследствие тесной вертикальной и горизонтальной взаимосвязи компонентов геосистемы и отдельных их частей), а это может привести к негативным последствиям, что в дальнейшем может обусловить потерю и нежелательную смену социально-экономических функций.

14. Гидросфера - водная оболочка Земли, представляющая совокупность всех водных объектов планеты: океанов, морей, рек, озер, болот, ледников, снежного покрова, подземных вод. В состав гидросферы также входит вода в атмосфере, почвенная влага и вода живых организмов. В гидросфере представлены основные фазовые состояния воды - жидкое, твердое и газообразное. Это сплошная оболочка Земли, хотя иногда и невидимая, в случае когда она представлена только водяным паром или почвенной влагой.

Физические свойства воды весьма специфичны: большие величины скрытой удельной теплоты фазовых переходов (испарения, конденсации, таяния, сублимации), значительная теплоемкость, малая молекулярная теплопроводность, нетривиальная зависимость плотности от температуры и др. Эти специфические свойства оказывают серьезное влияние на те многие природные процессы, в которых участвует вода. В особенности значительную роль в глобальных процессах играет очень высокая величина скрытой удельной теплоты испарения-конденсации, потому что 84% солнечной радиации, поглощаемой поверхностью Земли, расходуется на испарение. Это, в свою очередь, обеспечивает влагоперенос и, в конечном итоге, круговорот воды, или гидрологический цикл. Тем самым, энергия Солнца как бы запускает и поддерживает глобальный круговорот воды.

Другое очень важное физическое свойство воды это ее высокая теплоемкость, определяющая многие природные процессы. Например, огромный теплозапас океанов оказывает решающее влияние на геоэкологическое состояние Земли.

15.Биологический круговорот веществ представляет собой совокупность процессов поступления химических организмов в живые организмы, биохимического синтеза новых сложных соединений и возвращение элементов в почву, атмосферу и гидросферу (рис.)

Абиогенный и биологический круговороты тесно переплетаются, образуя общепланетарный геохимический круговорот и систему локальных круговоротов вещества.

Биологический круговорот не является полностью компенсированным замкнутым циклом.

Биомасса – масса живого вещества, накопленная к данному моменту времени.

Фитомасса ( или биомасса растений0 – масса живых и отмерших, но сохранивших свое анатомическое строение к данному моменту организмов растительных сообществ на любой конкретной площади или на планете в целом.

Структура фитомассы - соотношение подземной и надземной частей растений, а также однолетних и многолетних, фотосинтезирующих и нефотосинтезирующих частей растений.

Ветошь – отмершие части растений, сохранившие механическую связь с растением.

Опад – количество органического вещества растений, отмерших в надземных и подземных частях на единице площади за единицу времени.

Подстилка – масса многолетних отложений растительных остатков разной степени минерализации.

Прирост – масса организма или сообщества организмов, накопленная на единице площади за единицу времени.

Первичная продукция – масса живого вещества, создаваемая автотрофами (зелеными растениями) на единице площакди за единицу времени.

Вторичная продукция – масса органического вещества, создаваемая гетеротрофами на единице площади за единицу времени.

Емкость биологического круговорота – количество химических элементов, находящихся в составе массы зрелого биоценоза (фитоценоза).

Интенсивность биологического круговорота – количество химических элементов, содержащихся в приросте биомассы на единицу площади в единицу времени.

Скорость биологического круговорота – промежуток времени, в течение которого элемент проходит путь от поглощения его живым веществом до выхода из состава живого вещества.

Полный цикл биологического круговорота элементов на суше слагается из следующих составляющих:

-Поглощение растениями из атмосферы углерода, а 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.

-Поедание 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.

-Газообмен между растениями и атмосферой (в том числе, почвенным воздухом).

-Прижизненные выделения надземными органами растений и их корневыми системами некоторых элементов непосредственно в почву.

Растения, животные и почвенный покров Мировой суши образуют сложную систему. Связывая и перераспределяя солнечную энергию, углерод атмосферы, влагу, кислород, водород, азот, фосфор, серу, кальций и другие биофильные элементы, эта систама постоянно формирует новую биомассу и генерирует свободный кислород.

Биологические обусловлены жизнедеятельностью организмов (питание, пищевые связи, размножение, рост, перемещение продуктов метаболизма, смерть, разложение, минерализация)

Растительность.

Значение растительности в почвообразовании чрезвычайно велико и многообразно. Пронизывая корнями верхний слой почвообразующей породы, растения извлекают из ее нижних горизонтов питательные вещества и закрепляют их в синтезированном органическом веществе. После минерализации отмерших частей растений заключенные в них зольные элементы отлагаются в верхнем горизонте почвообразующей породы, создавая этим благоприятные условия для питания следующих поколений растений. Так, в результате постоянного создания и разрушения органического вещества в верхних горизонтах почвы, приобретается наиболее важное для нее свойство – накопление, или концентрация элементов зольной и азотной пищи для растений. Это явление называется биологической поглотительной способностью почвы.

Вследствие разложения растительных остатков в почве накапливается перегной, имеющий огромное значение в плодородии почвы. Растительные остатки в почве являются необходимым питательным субстратом и важнейшим условием развития многих почвенных микроорганизмов.

В процессе распада органического вещества почвы выделяются кислоты, которые, воздействуя на материнскую горную породу, усиливают ее выветривание.

Сами растения в процессе своей жизнедеятельности выделяют своими корнями различные слабые кислоты, под влиянием которых труднорастворимые минеральные соединения частично переходят в растворимую, а следовательно, в усвояемую растениями форму.

Кроме того, растительный покров существенно изменяет микроклиматические условия. Например, в лесу, по сравнению с безлесными территориями, понижена летняя температура, увеличена влажность воздуха и почв, уменьшена сила ветра и испарение воды над почвой, накапливается больше снега, талых и дождевых вод – все это неизбежно отражается на почвообразовательном процессе.

Микроорганизмы.

Благодаря деятельности населяющих почву микроорганизмов происходит разложение органических остатков и синтез содержащихся в них элементов в соединения, поглощаемые растениями.

Высшие растения и микроорганизмы образуют определенные комплексы, под воздействием которых формируются различные типы почв. Каждой растительной формации соответствует определенный тип почв. Например, под растительной формацией хвойных лесов никогда не сформируется чернозем, который образуется под воздействием лугово-степной растительной формацией.

Животный мир.

Важное значение для почвообразования имеют животные организмы, которых в почве очень много. Наибольшее значение имеют беспозвоночные животные, живущие в верхних почвенных горизонтах и в растительных остатках на поверхности. В процессе своей жизнедеятельности они значительно ускоряют разложение органических веществ и часто производят весьма глубокие изменения в химических и физических свойствах почвы. Большую роль играют и норные животные, такие как кроты, мыши, суслики, сурки, и пр. Многократно перерывая почву они способствуют смешиванию органических веществ с минеральными, а также повышению водо- и воздухопроницаемости почвы, что усиливает и ускоряет процессы разложения в почве органических остатков. Также они обогащают почвенную массу продуктами своей жизнедеятельности.