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:
1. Биомасса существенно варьирует в разных природных зонах.
2. При длительном (многовековом) устойчивом состоянии ландшафта его функционирование приводит к образованию свойственной ему не только почвы, но и коры выветривания.
3. Длительно функционирующий ландшафт практически формирует свой мезорельеф, микрорельеф и нанорельеф того или иного генетического типа – морфоскульптуру рельефа. Этот процесс называется морфогенезом.
4. 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.
5. 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 природнойгеосистемы – 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.