В соответствии со свойствами ландшафтов, представление о нем, как о реальном объекте можно реализовать используя системный подход. Который в свою очередь характеризуется:
- целесообразностью,
- целостностью,
- иерархичностью.
Первым этапом является определение объекта исследований и цель. Изучение свойств и функционирования ландшафтов больше свойственно ландшафтоведению, биологии, гидрологии и т.д. В рамках экологии ландшафтов важно выяснить какими будут изменения в нем при воздействии внешних факторов (в том числе антропогенных) или изменении внутренних. Цель также помогает ограничить объем фактического материала. Несмотря на то, что сам по себе объем данных в условиях компьютерной обработки, не играет роли, некоторые из них не дают понимания о происходящем или не влияют на процессы. А это увеличивает продолжительность анализа, обработки исходных данных. Тем не менее их должно быть достаточно для адекватной и объективной оценки.
«Целостность» предусматривает рассмотрение объекта как некоторой общности.
Однако, однородна она в территориальном отношении, а «по вертикали» раскладывается на разнородные части:
- растительность;
- грунт (почва, горные породы)
или их ярусы, которые связаны между собой определенными отношениями. Структуры подобного типа называются вертикальными. Под составными вертикальных структур имеют в виду некоторые его части, специфические по функционированию, физико- химическим или другим характеристикам. Это разделение в достаточной степени условно. При этом считается, что свойства компонентов однородны в пределах рассматриваемой территории. Вертикальные границы при этом определяются целью исследования. Существует три подхода структуризации:
- геокомпонентный (разделение вертикального разреза геосистемы по компонентам природы);
- вещественно-фазовый (структурные части выделяются как тела, однородные по фазовому состоянию, физико-химическими и другими свойствами вещества);
- пространственно-объемный (вертикальный профиль геосистемы разделяются на некоторые однородные слои, точнее объемы).
Анализ корреляционных и информационных связей геосистемы (выполняется методами математической статистики и теории информации) также приводят к выделению некоторых структур.
Геокомпонентный способ является традиционным для ландшафтоведения разделение геосистемы (ПТК) на составные части является выделением в ней компонентов природы, каждый из которых , по выражению А.Г. Исаченко (1991), является представителем отдельных геосфер, составляющих географическую оболочку. Это горные породы, поверхностные и грунтовые воды (гидросферы), воздушные массы (атмосферы), грунты (педосферы), растительности и животные микроорганизмы (биосферы). Можно компонентами ПТК считать и совокупность продуктов деятельности людей, тесно связанных с природными элементами (мелиоративные каналы, автомагистрали и т.д.).
Исходя из этого, к геокомпонентам не относится рельеф и климат (поскольку это не материальные тела, а их свойства, которые учитываются при анализе геосистем).
При этом необходимо понимать, что сами геокомпоненты – это сложные тела. Например, под воздушными массами атмосферы следует понимать также водяной пар, частички твердого вещества, микроорганизмы ( в том числе антропогенного происхождения).
Вещественно-фазовый способ предусматривает, что разные процессы в геосистеме (продукционные, засоление почвы и т.д.) происходят благодаря взаимодействию вещества, находящихся в разных фазовых состояниях. Метод широко используется в имитационном моделировании. При такой структуризации геосистемы в качестве отдельных компонентов рассматриваются компоненты вертикального строения, например, фитомасса представлена такими характерными частями как: листва, корни, транспортно-скелетные органы (стволы и ветки), микроорганизмы и т.п. Гидромассы состоит из составляющих, находящихся в разных средах:
- атмосфере;
- почве;
- грунтовых водах.
Поэтому при детальном анализе геосистем геомассы разделяются на элементы в зависимости от агрегатного состояния, функционального назначения, химического состава, положения в вертикальном профиле. Степень детального разделения геомасс на элементы определяются конкретной целью исследования.
Пространственно-объемный способ предусматривает анализ вертикальных потоков энергии и вещества, их динамических изменений на протяжении года связанные с пространственной неоднородностью и ярусного строения. Производится выделение так называемых геогоризонтов параметрами которых могут быть: текстура, плотность, объем, цвет и др.
Особенное значение имеют ландшафтно-геохимические барьеры, которые разделяют вертикальный профиль грунта на слои , кот отличаются по условиям миграции разных химических в-в и соединений. Геогоризонты изменяются на протяжении года. Изменчивы не только их мощность, но и количество (зимой не фитомассы).
Для того, чтобы выделить элементы вертикальной структуры, необходимо определиться с подходом структуризации (определяет цель исследования). В каждом конкретном исследовании специалисту приходится обосновывать используемые методы и подходы, нет универсальных методов и нет строгой предопределенности в выборе подходов.
Это в большей мере определяется опытом и знаниями исполнителя.
Очень важным является (оконтуривание) определение границ исследуемого объекта:
- территориальные (площадные, горизонтальные);
- объемные;
- временные.
Определяющим является цель исследования, в которой уже заложены ключевые проблемы, предполагающие рассмотрение определенных компонентов.
При объемном оконтуривании определяют верхние и нижние границы простирания.
Характерной особенностью верхней границы является ее изменчивость во времени в зависимости от поры года, погодных условий и состояния развития фитоценоза. Для геосистем региональной размерности изучая ландшафтно-экологические закономерности процессов переноса и выпадения атмосферных загрязнений необходимо включать и тот слой тропосферы, в пределах которого происходят местные процессы циркуляции воздуха. Высота этого слоя определяется не только рельефом а и состоянием атмосферы (тип циркуляции – циклональный или антициклональный).
При исследовании биотических процессов, в частности его продуктивности, за верхнюю границу можно принять границу верхнего растительного яруса, принимая слой турбулентной атмосферы непосредственно над растительным покровом. Таким же образом при исследовании грунтовых процессов, в частности миграции и аккумуляции разных веществ в толще грунта, водах, растительности. Роль атмосферных процессов при этом очень значительна, рассматривается как фактор внешней среды.
Нижняя граница – необходимо учитывать горные породы, которые обусловили формирование конкретной геосистемы (процесс выделения в большой мере зависит от ранга геосистемы: так геосистемы регионального ранга могут быть связаны с большими геоструктурами, которые находятся на глубине нескольких десятков километров).
В ландшафтоведении при генетико-эволюционном анализе в большинстве случаев и граница проводится по горным породам, которые являются субстратом формирования современного рельефа. В Украине, например, это породы, которые залегают под лессовой толщей (известняки средне-верхнеплиоценовые глины) или же сама эта толща при ее значительной мощности (более 50 м, как в Причерноморье) породы, прикрытые четвертичными отложениями водно-ледникового происхождения.
При анализе миграционных потоков нижняя граница определяется глубиной возможного проникновения мигрирующего вещества. Эта глубина зависит от химических свойств вещества мигранта, характера зоны аэрации (ее фильтрационных свойств, наличия ландшафтно-геохимических барьеров), глубины проникновения корней растений в почву и др. факторов.
Однако уровень современных знаний о поведении большинства веществ в ландшафтах недостаточный, чтобы быть полностью уверенными в определении границы. Поэтому исходя из того, что в вертикальном миграции большинства веществ чрезвычайно большую роль играют нисходящие и восходящие потоки влаги, целесообразно принимать в качестве нижней границы уровень залегания грунтовых вод.
При балансовых исследованиях определяется уровень ниже которого не происходит круговорот некоего вещества:
- для водного баланса – уровень грунтовых вод;
- для теплового баланса – слой , где tº не изменяется (исчезает амплитуда температур от 10 до 17-20 м);
- для круговорота веществ – граница между геогоризонтами, которые охватываются процессами гумификации и где они уже не происходят.
Временные границы определяются исходя из цели исследования. Можно анализировать как всю имеющуюся информацию, так и относящиеся к определенным периодам существования ландшафта, развития производства и т.д. Для выбора периода исследования требуется проводить обоснование на основе имеющейся информации.
Процессы в ландшафтах
Влияние человеческой деятельности на ландшафт приводит к нарушению эволюционно обусловленных отношений между его компонентами.
Общие закономерности:
- появление наземного твердого абиотического субстрата(абиотическая стадия развития);
- формирование горных пород во времени во взаимодействии с атмосферой и поверхностными и подземными водами (выветривание, водная эрозия, формирование форм рельефа);
- поступление микроорганизмов и поступление органических веществ появление пионерных видов растительности;
- с момента появления фитоценоза начинается биотическая стадия развития:
Интенсификация гумусообразования;
Заселение животными и формирование зооценоза;
Увеличение скорости существующих изменений почвы, растительности и микроорганизмов;
Трансформация приземного слоя атмосферы.
Если на абиотической стадии связи в общем детерминированные и однонаправленные, то на биотической отношения в значительной степени усложняются и приобретают все больше стахостичности (вероятности). Связи заменяются двухсторонними.
Наиболее характерна в этом плане замена эволюционных связей между почвой, растительностью в природных геосистемах на антропогенно регулируемые отношения между ними в агроэкосистемах.
Сведения лесов и их замена на травяные агроценозы приводит к формированию «противоприродных», «эволюционно-абсурдных» связей между почвой и растительностью, животными и микроценозами.
Потоки влаги
Потоки воды в вертикальном профиле геосистемы имеют большое значение как для ее отдельных элементов и для обеспечения связей между ними. Целостность геосистемы много в чем обусловлена потоками воды, которые пронизывают подобно кровеносной системе. Водные потоки обуславливают миграцию химических элементов, транспортировку питательных веществ к растениям, продукционные процессы и т.п. Вода – один из основных лимитирующих факторов и от ее количества в геосистеме, сбалансированности потоков зависят многочисленные свойства геосистемы, что определяет ее потенциал.
Эти потоки объединены в цикл, т.е. в геосистеме осуществляется круговорот воды. Первое представление о котором было дано вам в курсе экологии. Он может быть сбалансированным (когда масса воды на входе в систему равна ее массе на выходе) и, тогда водный и связанные с ним режимы остаются неизменными. При несбалансированных потоках в геосистеме происходит прогрессирующая гидроморфизация (при избытке влаги) или ксерофитизация (при недостатке влаги).
Влага в геосистему поступает с атмосферными осадками R , за счет кондесации водяного пара V, а также с подземными водами G(если они связаны сквозь гидравлические окна с подземными), поверхностным стоком S (если геосистема расположена на склоне), с речными водами F во время половодья и паводков (если геосистема расположена на заливной пойме).
Поступая в геосистему, дождевые воды частично задерживаются фитогеогоризонтами ( этот процесс называют интерцепцией). Перехваченная листьями влага RF только в мизерных количествах усваивается ним, некоторая часть воды RS (5-20%) стекает по стволам, а основная масса FE испаряется, а значит не принимает участия ни в транспирации, ни в смачивании почвы (так называемая интерцепционная потеря). Размер этих потерь зависит от интенсивности и продолжительности осадков, суммарной лиственной поверхности фитогоризонтов.
Кроме дождей и снега, в геосистеамах источником поступления влаги является роса и туманы (примером является западное побережье США, где туманы за год могут давать в 2-3 раза больше влаги, чем дожди, причем высокие деревья за счет высоты могут получать до 15-0 мм осадков в год).
Часть осадков М, которые поступают на земную поверхность, могут задерживаться морт-горизонтом (лесной подстилкой или степной повстю). Этот горизонт отмечается высокой гигроскопичностью и влагоемкостью, поэтому вбирает и удерживает большое количество влаги, которая может и совсем не достигать поверхности почвы. Эта влага затрачивается практически исключительно на физическое испарение МЕ. Дойдя до поверхности почвы, направление и интенсивность потоков воды зависит от состояния увлажнения поверхностных горизонтов в момент выпадения осадков. Если почва находится в состоянии полного водонасыщения, нисходящего потока в почве не будет, и она будет затрачиваться на физическое испарение с поверхности почвы SЕ если эта поверхность склоновая – и на площадной сток SS. Однако в большинстве случаев в в момент выпадения дождя влажность почвы меньшая величины полевой влагоемкости и поэтому формируется поток в глубину почвы. Интенсивность этого потока зависит от водопроницаемости почвы. При глубоком уровне залегания грунтовых вод наиболее проницаемы пески, наименее – солонцы, глинистые и каштановые почвы.
Из почвы влага поглощается корнями растений. Это поглощение тем интенсивнее, чем больше поглощающая поверхность корневой системы и чем легче входят в контакт корни и грунтовая влага. Активная поверхность корней у:
травянистых растений составляет приблизительно 1 см2/см3,
деревьев – 0,1 см2/см3.
Контакт корней с влагой почвы определяется ее механическим составом: наихудший он в глинистых почвах, наилучший в песчаных.
Поступление воды к растениям зависит также от температуры почвы, поскольку она влияет на поглощающую способность корней и их рост. Из теплых почв растения вытягивают воду легче, чем из холодных, а при снижении температуры до нескольких градусов выше нуля большинство растений поглощать воду не способна.
Поступая к растениям, вода из корней транспортируется к транспирирующим поверхностям. В зависимости от физиологических и анатомических особенностей растений скорость этого потока разная. Наибольшая она у лиан (159 м/час) и у травянистых растений (10-60), а у хвойных составляет в среднем 1,2 м/час.
У растений очень незначительная часть влаги затрачивается на фотосинтез Рh, а основная ее часть (97% и больше) испаряется (траспирирует) – Т. Для продуцирования 1 г сухого вещества растениям необходимо затратить на транспирацию в 400-600 раз большую массу воды: дуб затрачивает 340 г воды, бук – 170, сосна – 300, пшеница -540, люцерна, клевер 700-800 г. Это обуславливает достаточно тесную зависимость массы траспирированной воды от фитомассы геосистемы. Так, при одинаковом количестве осадков (850-870 мм) буковый лес затрачивает на транспирацию 522, суб альпийские луга 100-200 мм влаги. Величина и интенсивность транспирации Т зависят не только от надземной фитомассы, а и от эдафических факторов, особенно от освещенности, сухости воздуха, ветра. Однако, четкая зависимость транспирации от этих факторов существует только до того времени , пока открыты поры растений. При недостатке влаги растения, закрывая поры, регулируют потерю влаги. Так, при полностью закрытых порах хвойные деревья способны уменьшить транспирацию на 97%, лиственные – на 80-90, травы – на 70-85 %.
Антропогенные аспекты. Потоки влаги в геосистеме отмечаются высокой чувствительностью к антропогенным факторам. С этим связана возможность их регулирования человеком, что производится при водных и лесомелиорациях. Однако из-за недостаточного учета сложных закономерностей структуры водных потоков в геосистемах мелиорация часто приводит к нежелательным или катастрофическим экологическим последствиям.
Чрезмерное обводнение геосистем при ирригации приводит к усилению нисходящих потоков влаги в грунте, которые могут достигать засоленных горизонтов пород или минерализованных грунтовых вод, где насыщаются солями и, поднимаясь в межполивной период к поверхности, засоляют почвенную толщу. При орошении водопотребление растений улучшается, но если грунтово-ирригацонные воды насыщаются солями, потребленная влага из почвы уменьшается и может быть меньше, чем на богарных почвах. Так возникает антропогенная физиологическая сухость растений – невозможность потреблять воду при ее достаточном количестве. Кроме изменения водного режима, орошение приводит и к комплексу изменений других процессов в геосистеме – прежде всего почвенных (развиваются процессы оглеения, заболачивания, вторичного засоления почв), геоморфологических (ирригационная эрозия), энергетических (вследствие изменения альбедо и увеличения затрат тепла на испарение).
Не менее существенно изменяются водные потоки при осушении земель. Здесь основная опасность – пересушивание, то есть снижение уровня грунтовых вод ниже некоторой критической глубины, что может обусловить дефляцию , обмеление речек, отмирание их верховьев.
Влияние леса и лесонасаждений на водный режим исследовано достаточно основательно. Наиболее красноречиво отображено в высказывании «Лес сушит равнины и увлажняет горы»(когда рельеф очень расчленен).
Основной причиной большей увлажненности лесных склоновых геосистем является уменьшение лесом такой важной затратной статьи водного баланса, как поверхностный сток воды. Из многочисленных исследований экспериментальны водосборов в горных регионах следует, что сведение лесов приводит к увеличению поверхностного стока на 200-400 мм за год. Так в Карпатах это увеличение составляет 222-302 мм. В склоновых геосистемах равнинных ландшафтов лес способен до 80% уменьшить расход воды на поверхностный сток. А согласно с данными М.И. Кронкевича (1976), поверхностного стока практически нет в тех районах, которые находятся на юг от изолинии речного стока меньше 50 мм (в Украине эта граница проходит немного на север от границы между лесостепной и степной зонами).
«Высушивающее» влияние леса на равнинные геосистемы проявляется в первую очередь в увеличении транспирации – она может быть в 2-3 раза большей, чем с агроэкосистем. Важное значение также имеет перехват лиственной поверхностью осадков (до40%) и их расход на физическое испарение. Влияние леса на грунтовые воды зависит от глубины их залегания – лес снижает уровень близких корнедостигаемых вод и повышает уровень глубокозалегающих.
Г.М. Высоцкий и А.А. Роде разработали критерии выделения типов водного режима почвы, которые имеют ландшафтно-экологический смысл. Выделяют по типу водного режима:
- промывного режима (нисходящие потоки влаги преобладают над восходящими, и вода, которая просачивается сквозь почву, достигает уровня грунтовых вод);
- периодично промывного режима (атмосферная вода достигает уровня грунтовых вод в отдельные многоводные годы, в среднем один раз на 10-15 лет);
- непромывного режима (грунтовые геогоризонты промачиваются, но вода не достигает горизонта грунтовых вод);
- аридного режима (грунтовый профиль сухой на протяжении целого года;
- выпитного режима (преобладают восходящие потоки влаги из грунтовых вод, капиллярная кайма которых понимается к поверхности почвы, и грунтовые воды испаряются физически);
- десуктивно-выпитного режима (капиллярная кайма не достигает поверхности, испарение грунтовых вод происходит за счет транспирации);
- водозастойного режима (характерный для болот);
- паводочного режима (характерный для пойм рек);
по соотношению статей водного баланса (годовой суммой осадков и суммарным испарением):
- супергумидные (разница между составляющими баланса – 1600 мм и больше);
- пергумидные (800-1600);
- гумидные (400-800);
- субгумидные (0-400);
- субаридные (-400-0);
- мезоаридные (-400 - -800);
- аридные (-800 – 1600);
- екстрааридные (-1600мм и меньше).
Геосистемы Украины принадлежат к гумидному (лесная зона), субгумидному (лесостепь), субаридному (степь) типам.
По сбалансированности водного баланса:
- со сбалансированным балансом (в годичном цикле водный баланс равен нулю);
- избыточно -декомпенсированного баланса (приходные статьи водного баланса преобладают над расходными, вследствие чего уровень грунтовых вод поднимается);
- недостаточно-декомпенсированного баланса (приходные статьи водного баланса меньше расходных, вследствие чего уровень грунтовых вод снижается).
С экобиоцентрической точки зрения важно отличать геосистмы по уровню обеспеченности влагой растительных сообществ (ассоциаций) . Выделяют такие типы геосистем: