Функционально-динамические аспекты в науке о ландшафте

Функционирование ландшафтов

Идея о том, что природные комплексы находятся в постоянном развитии и изменении впервые была выдвинута в русской географии В. В. Докучаевым в конце XIX в. В первой половине XX в эта идея разрабатывалась различными учеными, усилия которых были направлены на поиск движущей силы развития. И. М. Крашенинников и А. И. Пономарев таковой считали рельеф, Б. Б. Полынов — климат и рельеф, А. А. Григорьев — климат, И. К. Пачоский, В. Р. Вильямс, А. Д. Гожев — растительность. Эти теоретические положения были конкретизированы и уточнены только во второй половине XX в, когда появились первыекомплексные физико-географические и ландшафтные стационары. Полученные на них материалы позволили признать наличие внешних и внутренних факторов развития ландшафта (В.Н. Сукачев, С. В. Калесник, Н.А. Солнцев), подтвердить идею саморазвития, а также мысль об обратимых и необратимых изменениях ландшафта (Л.С. Берг, И.М. Забелин). Особо важный вклад в становление идеи развития внесли работы А. А. Григорьева (1970) о едином физико-географическом процессе и Н. А. Солнцева (1961) о ритмичности и периодичности экзогенных процессов. К концу XX века стало очевидным, что ландшафт представляет собой упорядоченную пространственно-временную систему, находящуюся в постоянном развитии. Первооснову развития составляют взаимосвязи между компонентами ландшафта и его морфологическими частями в результате чего осуществляется обмен веществом, энергией и информацией.

Среди внутренних процессов главную роль играет вертикальное перемещение вещества и энергии, осуществляемое благодаря системе вертикальных связей между природными компонентами. Последние, однако, иногда имеют сложное строение, состоят из ряда элементов, каждый из которых способствует трансформации вещественно-энергетического потока внутри ландшафта. Поэтому вполне уместными выглядят предложения по расчленению вертикального строения ландшафта на геогоризонты и геомассы. По Н. Л. Беручашвили (1986) геомассы выступают функциональными частями ПТК. Таковы аэромассы, фитомассы, зоомассы, мортмассы (массы мёртвого органического вещества) литомассы, педомассы, гидромассы, которые отличаются от компонентов большей вещественной однородностью. Однородные слои в пределах вертикального профиля ПКТ, характеризующиеся специфическими наборами и соотношениями геомасс, называются геогоризонтами. Это аэрогоризонт, аэрофитогоризонт, мортаэрогоризонт, снежный горизонт, педогоризонт, литогоризонт. Следует подчеркнуть, что геомассы и геогоризонты целесообразно выделять при изучении процессов в пределах фации. В более крупных морфологических частях ландшафта универсальное значение для структурно-функционального анализа сохраняют природные компоненты.

Благодаря природным процессам каждый ландшафт как бы пронизан вещественно-энергетическими потоками разного происхождения и разной мощности. Среди них различают потоки внешние (входные и выходные) и внутренние, причем последние при своей интенсивности и значимости намного превосходят внешние.

Совокупность процессов перемещения, обмена и трансформации вещества и энергии в ландшафте называют его функционированием. Функционирование представляет собой сложный интегральный процесс, обусловленный множеством элементарных процессов — физико-механических, химических и биологических, и протекающий благодаря вертикальным связям в ландшафте. Раздельное изучение природных процессов, т. е. рассмотрение их на уровне физических, химических и биологических закономерностей способствовало формированию таких новых научных направлений как геофизика ландшафта, геохимия ландшафта, биогеоценология. Однако в природной среде все элементарные процессы взаимосвязаны, переплетаются, переходят друг в друга, поэтому их расчленение весьма условно. Например, физическая сущность стока заключается в движении воды под действием силы тяжести. С географической точки зрения — это сложный интегрированный, геоморфологический, гидрологический, геохимический процесс, который служит звеном ещё более сложного процесса — влагооборота. Благодаря последнему осуществляются взаимосвязи между компонентами и комплексами, что свидетельствует о чрезвычайной его важности. Круговорот воды — одно из важных функциональных звеньев ландшафта. Другим звеном является минеральный обмен или геохимический круговорот. Эти круговороты осуществляют перемещение вещества, которое сопровождается поглощением, трансформацией и высвобождением энергии. Энергетический круговорот выступает ещё одним функциональным звеном ландшафта.

В каждом из этих звеньев различают биотическую и абиотическую составляющие. Биотический обмен веществ (биологический круговорот) — особое функциональное звено, наиболее важное в механизме функционирования ландшафта, как бы перекрывающее три звена, выделенных выше. В сущности, перекрытия имеются между всеми звеньями. Например, транспирация — составной элемент влагооборота, биологического метаболизма и энергетики ландшафта. Поэтому расчленение единого процесса функционирования на звенья служит лишь методическим приёмом для целей исследования.

Функционирование ландшафта осуществляется в форме круговоротов с годичным циклом. Наиболее изученным среди них является влагооборот. Основой водного круговорота являются атмосферные осадки. Они распределяются следующим образом: перехватываются поверхностью растительного покрова и испаряются, фильтруются в почву и поступают во внутренний влагооборот, пополняют поверхностный и подземный сток. В большинстве ландшафтов почвенная влага всасывается корнями растений и вовлекается в продукционный процесс. Количественные показатели структуры влагооборота изменяются от одного ландшафта к другому, зависят от поступающего тепла и влаги и подчиняются зональным и азональным закономерностям.

В зоне смешанных лесов, где сумма среднегодовых осадков составляет 700 мм, на испарение приходится 450 мм, на поверхностный и подземный сток — 250 мм. Величина стока является показателем выноса влаги за пределы ландшафта, величина испарения характеризует внутриландшафтный влагооборот. Соотношение между внутренним и внешним влагооборотом выражается коэффициентом стока, который для территории Беларуси равен 0,35.

Во внутриландшафтном влагообороте важнейшую роль играет биота. Кроны деревьев перехватывают в среднем 10% годового количества осадков, которые практически полностью испаряются с поверхности листьев (рис.30).

Влага, поступившая в почву, всасывается корнями растений, участвует в процессе фотосинтеза и затем транспирируется в атмосферу. В составе живого растения остается менее 0,75% воды (в сухой массе ее удельный вес составляет 0,15%). В ландшафтах влажных % влаги, испаряющейся с суши земного шара.

Чрезвычайно важная роль в процессе функционирования ландшафта принадлежит биогенному обороту веществ, результатом которого является образование органического вещества. Первичными продуцентами выступают земные растения, извлекающие двуокись углерода из атмосферы, зольные элементы и азот — из почвенных водных растворов. Создаваемая в процессе фотосинтеза чистая первичная продукция консервируется в живом растении и частично потребляется растительноядными животными (фитофагами). Важно подчеркнуть, что животные используют около 10%, а зачастую и меньше произведенной фитомассы (правило десяти процентов, сформулированное Р. Уиттекером). Например, в лесах животные потребляют 4 — 7% первичной продукции, в пустыне и тундре — 2 — 3%, в степях и саваннах — 10 — 15%. Биогенный круговорот завершается после отмирания биомассы ее разрушением животными-сапрофагами, бактериями, грибами и минерализацией микроорганизмами. Конечные продукты минерализации возвращаются в атмосферу (СО2) и в почву (зольные элементы и азот).

Биологический метаболизм характеризуется многочисленными показателями, среди которых наиболее важными являются запасы фитомассы и величина годичной первичной продукции. Продуктивность биоты зависит как от географических факторов, так и от биологических особенностей различных видов растений. Очевидно, что наибольшими запасами фитомассы характеризуется лесная растительность, которая накапливает органическое вещество в течение многих десятилетий и даже столетий. Вместе с тем запасы биомассы тем больше, чем выше теплообеспеченность и чем ближе к оптимуму соотношение тепла и влаги. В результате показатель биопродуктивности возрастает от высоких широт к низким, достигая максимума в лесостепных ландшафтах (умеренный климатический пояс), влажных субтропических лесах (субтропический пояс), влажных экваториальных лесах (экваториальный пояс).

Еще один важный биохимический показатель — количество элементов питания, потребляемых для создания биологической продукции (емкость биологического круговорота веществ). Основной объем химических элементов, участвующих в биологическом метаболизме, составляют элементы-биогены — N, K, Ca, Si, а также P, Mg, S, Fe, Al. Их структура и объем потребления определяются зональными факторами. Так, растительные группировки тундровых и таежных ландшафтов характеризуются потреблением N, Ca, K, широколиственных лесов — Ca, N, K, степных — Si, N, K, пустынных — Ca, Ca, K, N, Mg, экваториальных лесных ландшафтов — Si, Fe, Al. В целом самая низкая емкость биологического круговорота свойственна тундровым ландшафтам, самая высокая присуща луговым степям. Из других растительных группировок высоким уровнем потребления минеральных веществ выделяются влажные экваториальные леса.

Биота ландшафта осуществляет еще одну важную функцию — газообмен с атмосферой. Количество ассимилируемого растениями углерода во много раз превышает величину извлекаемых из почвы зольных элементов и азота. Связывание СО2 в процессе фотосинтеза сопровождается выделением свободного кислорода, часть которого потребляется в процессе дыхания и разложения органических остатков, а остальная часть поступает в атмосферу.

В пределах территории СНГ максимальное количество кислорода поступает в атмосферу из темнохвойных (в частности, еловых) таежных лесов и тундровых ландшафтов.

Особенности внутриландшафтного биологического круговорота и продуцирования биомассы изучены недостаточно. Известно однако, что в тайге и широколиственных лесах наиболее продуктивными являются хорошо дренированные и теплые местоположения, а самыми бедными — болотные комплексы, дающие всего 2 — 4 т/га первичной продукции в год.

Абиотическая миграция вещества характеризует латеральные связи ландшафта и не носит характера круговорота, так как движение твердого материала происходит по законам гравитации. Тем не менее абиотическая миграция осуществляется: 1) в виде выноса твердых продуктов разрушения или 2) в виде водорастворимых веществ, влекомых водными потоками и участвующих в биохимических реакциях.

Перенос материала осуществляется в виде перемещения твердых продуктов эрозии и денудации вниз по склонам, механических примесей в воде и воздухе. Интенсивность денудации сильно варьирует по ландшафтам в зависимости от степени расчленения рельефа и глубины местных базисов эрозии, степени сохранности естественной растительности, структуры элементарных ландшафтов (ЭЛ) внутри ПТК различного ранга.

Анализ карты элементарных ландшафтов Беларуси, составленной в Институте Геологических наук НАН РБ, позволил произвести подсчет площадей ЭЛ по видам и родам ландшафтов (табл.5). Результаты подсчетов свидетельствуют, что в возвышенных ландшафтах преобладают элювиальные ЭЛ (78,5%) удельный вес которых наиболее высок в лессовых (95,8%), наиболее низок (41,7%) в камово-моренно-озерных ПТК. Меньше всего здесь субаквальных ЭЛ (около 4%). Доля супераквальных ЭЛ составляет 11,8%, возрастая в камово-моренно-озерных ландшафтах до 18,1% и снижаясь в лессовых до 4,2%.

В средневысотных ПТК также преобладают элювиальные ландшафты, однако их удельный вес снижается до 60%. Максимального распространения (74,1%) они достигают в морено-озерных, минимального (46,4%) — в морено-зандровых ПТК. Доля супераквальных ЭЛ увеличивается до 23,7%, достигая максимума (35%) во вторичных водно-ледниковых, минимума (17,3%) — во вторичноморенных ПТК. Удельный вес субаквальных ландшафтов по-прежнему невысок — 0,9%. В низменных ПТК преобладание переходит к супераквальным ЭЛ (63,3%), достигающим максимального распространения (86,4%) в пойменных, минимального (31,4%) — в озерно-ледниковых ландшафтах. Элювиальные ЭЛ составляют здесь всего 25,8%, субаквальные — 0,8%.

Степень интенсивности перемещения и аккумуляции веществ изменяется в ландшафтах в зависимости от структуры ЭЛ, рельефа, грунтов, уровня распаханности и залесенности. Обнаружилось, что в возвышенных ландшафтах преобладают процессы интенсивного и среднеинтенсивного смыва веществ, которые наиболее типичны для холмистоморенно-эрозионных, отдельных видов холмисто-моренно-озерных и лессовых ПТК. Количественное выражение этого процесса составляет от 2,4 до 4,8 (Гродненская возвышенность), 7 (Минская возвышенность) и даже 8,8 мм/год (Оршанская возвышенность). Этому способствует значительная глубина (10 — 15 м) расчленения рельефа, водоупорные грунты, коэффициент фильтрации (Кф) которых составляет всего 0,05 м/сут., высокая степень распаханности. Вместе с тем здесь существуют предпосылки для аккумуляции материала в пределах комбинированных, а также супераквальных и субаквальных (15 — 40%) ЭЛ. Это приводит к тому, что процессы интенсивного смыва сочетаются с местной аккумуляцией веществ в указанных местоположениях.

В группе средневысотных ландшафтов характерны процессы смыва в сочетании с транзитом и частичной аккумуляцией. Этому способствует господство элювиальных местоположений, слабое расчленение рельефа (глубина расчленения 2 — 3 м), высокий Кф песчаных грунтов (до 1 м/сут.), значительная залесенность (30 — 50%) территории. Интенсивность смыва составляет менее 0,8 мм/год. Вынос осуществляется на 57% территории, аккумуляция — на 17%, транзит — во всех ПТК.

Наконец, в низменных ландшафтах наиболее типичны процессы слабого транзита веществ при незначительно выраженных процессах выноса (на 21% площади), аккумуляции (12%) и инфильтрации. Это обусловлено господством супераквальных ЭЛ, слабым расчленением рельефа (глубина расчленения 1 — 2 м), высоким Кф (до 1 м/сут.) песчаных грунтов и торфяников, значительной (около 50%) залесенностью. В озерно-ледниковых ландшафтах, в частности в тех видах, которые сложены озерно-ледниковыми суглинками и глинами с Кф менее 0,05 м/сут. процессы слабого, а иногда даже интенсивного выноса происходят на 50% территории. Для видов, сложенных песками, более характерна аккумуляция, в том числе эоловая. Наконец, для нерасчлененных комплексов речных долин свойственны особые процессы — аккумуляция и эрозия с последующим транзитом.

Перемещение твердого материала речными потоками определяется модулем твердого стока (Мт). Для зоны смешанных лесов Мт равен 5 — 10 т/км2· год, широколиственных лесов — 10 — 20 т/км2· год. Ландшафты луговых степей, сформировавшиеся на мощных лессах, характеризуются более высоким показателем Мт — до 150 т/км2· год. С твердым стоком с территории суши выносится 22 — 28млрд. т · год вещества, т. е. за 10 — 15 млн лет вся суша может быть снивелирована до уровня Мирового океана.

Вынос водорастворимых веществ можно проиллюстрировать на примере наиболее изученного речного ионного стока. Объем растворенных веществ, выносимых мировым речным стоком, составляет 2,5 — 5,5 млрд. т · год. По расчетам М. И. Львовича средний модуль ионного стока (Ми) равен 20,7 т/км2, при этом зональные различия этого показателя невелики. Так, в ландшафтах тундры, тайги и пустынь среднегодовой Ми составляет 10 — 15 т/км2, лесостепи — 20 — 30 т/км2, экваториальных лесов — 35 т/км2. С территории РБ каждый год выносится до 8 млн т вещества в растворенном и взвешенном виде.

Процессы, происходящие в ландшафтах, сопровождаются поглощением, преобразованием, накоплением и высвобождением энергии, что характеризует энергетику ПТК. Главным источником энергии является Солнце, лучистая энергия которого наиболее эффективна для функционирования ландшафта, т. к. она способна преобразовываться в тепловую, химическую и механическую. За счет солнечной энергии осуществляются обменные процессы в ландшафте, включая водный и биологический круговороты.

Поступление суммарной солнечной радиации к поверхности суши в среднем составляет 5600 МДж/м2 · год, величина радиационного баланса — 2100 МДж/м2 · год. Для территории Беларуси эти показатели оцениваются в интервале 3400 — 4000 МДж/м2· год и 1500 — 1800 МДж/м2 · год соответственно. Подавляющая часть энергии радиационного баланса затрачивается на влагооборот, в частности, на испарение и нагревание воздуха, остальная расходуется на теплообмен с почво-грунтами, таяние снега и льда, физическое разрушение пород литосферы, фотосинтез. В процессе фотосинтеза растения используют в среднем 1,3% радиационного баланса, главным образом той части солнечного излучения, которая называется фотосинтетически активной радиацией (ФАР). Растительность поглощает до 90% световой энергии ФАР, но только 0,8 — 1,0% ее идет на фотосинтез. Наиболее высокий коэффициент использования ФАР наблюдается в зоне влажных экваториальных лесов, наиболее низкий — в пустынной и тундровой зонах.

В живой биомассе суши сосредоточено примерно 4· 1016 МДж энергии, что соответствует 5% годовой суммарной солнечной радиации или 14% радиационного баланса. В отдельных растительных сообществах эти показатели более высоки. Например, в темнохвойных таежных и широколиственных лесах запас энергии эквивалентен 40% годового радиационного баланса зоны, экваториальных лесах — 24%. Некоторая часть солнечной энергии аккумулируется в мертвом органическом веществе (подстилке, гумусе, торфе). Так, в гумусе тучных черноземов содержится более 1000 МДж/м2 энергии.

Энергетика ландшафта может служить одним из показателей интенсивности его функционирования. Вероятно, этот показатель тем выше, чем интенсивнее происходят в ландшафте круговороты вещества и энергии и накопление биомассы. По этим параметрам наиболее высокой интенсивностью функционирования характеризуются ландшафты экваториальных лесов, наиболее низкой — ландшафты арктических пустынь и тундры.

Энергетика ландшафта может служить одним из показателей интенсивности его функционирования. Вероятно, этот показатель тем выше, чем интенсивнее происходят в ландшафте круговороты вещества и энергии и накопление биомассы. По этим параметрам наиболее высокой интенсивностью функционирования характеризуются ландшафты экваториальных лесов, наиболее низкой — ландшафты арктических пустынь и тундры.