Динамика и оптимизация ландшафтов

С потоком солнечной радиации связана пространственная и временная упорядоченность вещественного метаболизма в ландшафтах. Обеспеченность солнечной энергией определяет интенсивность функционирования ландшафтов (при равной влагообеспеченности), а сезонные колебания инсоляции обусловливают основной годичный цикл функционирования. На земной поверхности электромагнитное излучение Солнца в основном превращается в тепловую энергию и после трансформации в ландшафтах в виде тепла же излучается в космическое пространство (Исаченко, 1991).

Преобразование приходящей солнечной радиации начинается с  отражения части ее от земной поверхности. Количество отраженной радиации зависит от альбедо поверхности. Большая часть тепла, поглощаемого земной поверхностью, т.е. радиационного баланса, затрачивается на влагооборот и нагревание. Соотношение двух расходных статей радиационного баланса существенно различается по ландшафтам и в общих чертах подчинено зональности. При этом в гумидных ландшафтах основная доля радиационного баланса расходуется на испарение, а в аридных - на турбулентный поток тепла в атмосферу (табл. 3).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 3

Затраты тепла на испарение  и турбулентный обмен с атмосферой по ландшафтным зонам (по А.Г. Исаченко, 1991)

Зона1	Радиац-й баланс, Мдж/м2*год	Затраты на испарение		Турбулентный обмен
		Мдж/м2*год	%	Мдж/м2*год	%
Тундра	625	500	80	125	20
Тайга (северная)	1100	900	82	200	18
Тайга (средняя и южная)	1350	1125	83	225	17
Подтайга	1450	1225	84	225	16
Широколиственные леса	1550	1300	84	250	16
Лесостепь	1600	1280	80	320	20
Степь	1800	1130	63	670	37
Полупустыня	1900	615	32	1285	68
Пустыня (среднеазиатская)	2150	380	18	1770	82
Субтропические влажные  леса	2500	2000	80	500	20
Тропическая пустыня	2700	<200	<5	>2500	>95
Саванна опустыненная	3000	600	20	2400	80
Саванна типичная	3150	1650	52	1500	48
Саванна южная	3300	2400	73	900	27
Влажные экваториальные леса	3500	3150	90	350	10

 

На другие тепловые потоки в ландшафте расходуется лишь небольшая часть радиационного баланса, тем не менее, эти потоки играют существенную роль в функционировании ландшафта. Теплообмен земной поверхности с почвогрунтами имеет циклический характер: в теплое время года тепловой поток направлен от поверхности к почве, в холодное - в противоположном направлении, и в среднем за год оба потока сбалансированы. Интенсивность этого теплообмена наибольшая в континентальных ландшафтах с резкими сезонными колебаниями температур воздуха и поверхности почвы. Также величина теплообмена зависит от влажности и литологического состава почвогрунтов, влияющих на их температуропроводность, и от растительного покрова.

В высоких и умеренных  широтах некоторая часть радиационного  тепла (порядка 2 - 5%) расходуется на таяние снега, льда, сезонной мерзлоты в почве и деятельного слоя многолетней мерзлоты. При замерзании воды затраченное тепло выделяется.

В трансформации солнечной  энергии важнейшая роль принадлежит  биоте, хотя на биохимическую реакцию фотосинтеза растения суши используют лишь 0,5% от общего потока суммарной радиации (или около 1,3% радиационного баланса). В процессе дыхания продуцентов, консу- ментов и редуцентов и разложения органических остатков использованная при фотосинтезе энергия снова превращается в тепло, поэтому почти вся энергия, связанная первичными продуцентами, рассеивается и в отличие от вещества уже не возвращается в биологический цикл.

Часть аккумулированной солнечной  энергии в ландшафте содержится в мертвом органическом веществе (подстилке, почвенном гумусе, торфе). Например, в гумусе мощных тучных черноземов она превышает 1000 МДж/м² в торфе - тысячи МДж/м² (Исаченко, 1991).

Особый аспект энергетики ландшафта связан с потоками механической энергии. Источники механического перемещения вещества в ландшафте имеют двоякую природу: оно осуществляется за счет энергии тектонических процессов и энергии солнечных лучей. Ежегодно при денудации превращается в кинетическую энергию около одной десятимиллионной доли запаса энергии, накопленной в надводной части материков (3*10 МДж), что соответствует десятитысячным долям процента от величины суммарной радиации (Исаченко, 1991). Это «незначительное» количество энергии приводит в движение мощные потоки твердого материала.

В количественном отношении  на 2 - 3 порядка выше потоки механической энергии, происходящие за счет трансформации солнечного тепла и обусловливающие перемещения воздушных и водных масс, а также ледников, пыли, органического опада. В механическую энергию ветра ежегодно переходит n*10¹⁴ МДж солнечной энергии (около 0,1% суммарной радиации, полученной всей сушей). Эта энергия рассеивается в виде тепла (в том числе и при выпадении атмосферных осадков. Преобразование энергии может служить одним из показателей интенсивности функционирования ландшафта.

 

 

 

 

 

 

 

2. Основные особенности функционирования.

Их познание есть исследование как внутренних, так и внешних  взаимосвязей ПТК. Среди внутренних взаимосвязей изучаются связи между  природными компонентами. Например, связи  между воздушными массами и почвами, между грунтовыми водами и растительностью, между химическим составом растительности и почв. Эти связи существуют между разными ярусами или геогоризонтами ПТК и потому называются вертикальными или радиальными. Внутри ПТК изучаются также связи между его морфологическими частями. Например, между склоном и днищем балки, между вершиной междуречной равнины и ее склонами. Это связи горизонтальные или латеральные. Они осуществляются через поверхностный сток, ветровой, гравигенный, биогенный перенос. Среди внешних связей ПТК исследуются как вертикальные (связи ПТК с атмосферой, земной корой), так и горизонтальные (между ПТК любого ранга).

Все взаимосвязи в ПТК  являются вещественно-энергетическими, так как процессы – это перемещение вещества и энергии. Иногда говорят и о передаче информации. Однако не следует считать информацию особым родом материи. Просто, при получении нужного количества вещества и энергии, которые и выступают в качестве информации, в ПТК как бы включается механизм нового процесса. Например, почва оттаяла, температура воздуха достигла 4–5°С – начинается вегетация растительности. Знание такого рода сигналов очень важно для понимания механизмов развития ПТК и для управления им.

Связи бывают односторонними и двусторонними, прямыми и обратными. Прямая связь – прямой результат воздействия. Например, повышение температуры воздуха вызывает усиление таяния снега. Понижение температуры воздуха приводит к промерзанию почв. Обратная связь «обратное воздействие результатов прогресса на его протекание» (БСЭ, т. 18, 1974, с. 222). Различают положительные и отрицательные обратные связи. Если результаты процесса усиливают сам процесс, то обратная связь является положительной. Например, накопление лесной подстилки приводит к увеличению в почве питательных веществ, что вызывает прирост биомассы. Ее отмирание вызывает дальнейшее накопление лесной подстилки. Положительные обратные связи усиливают процесс развития.

При отрицательных  обратных связях результаты процесса ослабляют сам процесс. Например, процесс проникновения влаги в почву приводит к возникновению ортзандов. Они задерживают дальнейшее поступление влаги в почву вниз по профилю. Отрицательные обратные связи ослабляют процесс развития.

С обратными связями тесно  связано понятие «саморегуляция». Под саморегуляцией понимается свойство системы устанавливать и поддерживать на определенном уровне те или иные параметры системы. В качестве примера можно назвать свойство ПТК восстанавливать нарушенную растительность через сукцессионные смены. Например, после пожара на месте ельника возникают заросли кипрея и малины. Они сменяются травяными березняками, а затем снова ельниками.

Другой пример. Транспирация растениями влаги падает при увеличении влажности воздуха, с понижением температуры воздуха, уменьшением  освещенности (увеличением облачности), уменьшением влажности и температуры  почв, уменьшением ветра, увеличением  концентрации клеточного сока, уменьшением  количества листьев. Естественно, это  приводит к регулированию влаги  в почве, что особенно важно в критические периоды существования ПТК.

Воздействие соседних комплексов на функционирование ПТК.

Функционирование любого ПТК зависит от его местоположения. Выделяют три группы элементарных ландшафтов (фаций) – элювиальные, супераквальные и субаквальные.

Элювиальные фации занимают автономные местоположения на плакорах (возвышенных, суглинистых водораздельных поверхностях с глубоким залеганием грунтовых вод). Они получают только атмосферную влагу, которая частично впитывается в почву, а частично стекает по склонам. При этом расход выносимого с водой вещества превышает его приход. Эти местоположения непрерывно обедняются. Только растительность, захватывая питательные вещества, ослабляет этот процесс. Супераквальные (надводные) фации формируются ниже элювиальных. Обычно здесь грунтовые воды залегают близко от поверхности. В результате испарения они поднимаются к поверхности почвы вместе с растворенными в них веществами. Это приводит к обогащению таких местоположений минеральными соединениями. Кроме того, сюда поступают различные вещества вместе с поверхностным стоком из элювиальных фаций. В то же время отсюда идет и вынос вещества в субаквальные фации. Субаквальные фации – дно водоемов, в которых накапливается ил, суглинок, песок.

Таким образом, в любом  ландшафте имеет место сопряжение фаций, которые располагаются от наиболее высоких местоположений к низким. Эти сопряженные ряды фаций называются катеной. Катена обычно охватывает ряд фаций, принадлежащих к двум-трем разным видам урочищ.

3. Генетико-динамическая классификация ландшафтов

Классификация была разработана И. И. Мамай (1997, 2000) на основании выявленных общих закономерностей развития ландшафтов. К ним относятся типы смен (неполные, полные, конца генетического цикла), внутригодовых и многолетних состояний, через которые проходит ландшафт. В этой системе классификаций учитываются как естественные, так и антропогенные причины наступления смен и состояний ПТК. Эта система классификаций показывает, какие причины обусловили современные свойства ПТК, под воздействием каких факторов они ныне развиваются, каков будет результат этого развития, и через какое время произойдет его реализация. Она позволяет сопоставить характер и силу естественного и антропогенного воздействия, как в прошлом комплекса, так и в его будущем, выводя на научно обоснованный прогноз его развития и возможность управления ПТК.

Выделение самого высокого классификационного ранга – отдела производится на основании отнесения ПТК к определенному циклу развития ПТК, сменяющих друг друга на каком-то отрезке времени и объединенных сходством макрочерт их литогенной основы. Таковы, например, отделы моренных днепровских, моренных московских, зандровых московских, озерных валдайских и других ландшафтов.

Следующий классификационный  ранг – семейство ПТК, учитывающий тип смены ПТК. Выделяются три семейства ПТК, возникших вследствие неполной смены, полной смены и смены конца цикла.

Подсемейства различаются в зависимости от того, была ли вызвавшая смену причина естественной или антропогенной. Если в изучаемом комплексе не было антропогенной смены, он относится к подсемейству природных, даже если в настоящее время испытывает антропогенную нагрузку, которая, в конце концов, приведет к очередной смене ПТК. При антропогенной смене, если дальнейшее развитие идет только под влиянием природных процессов (например, в отработанных и заброшенных карьерах), комплекс относится к вторично-природному подсемейству. Если же в ПТК произошла антропогенная смена и ныне, наряду с природными, комплекс испытывает антропогенное влияние, он относится к антропогенно-природному подсемейству. Если ПТК испытал две антропогенные смены или более, и ныне развивается под воздействием не только природных, но и антропогенных факторов, то он относится к длительно (многократно) антропогенно-природному подсемейству.

Класс ПТК выделяется внутри семейства на основании причины, вызвавшей последнюю естественную или антропогенную смену. Насчитывается 15 классов: термогенный, гидрогенный, трофогенный, литогенный, термогидрогенный, термотрофогенный, термолитогенный, гидротрофогенный, гидролитогенный, трофолитогенный, термогидротрофогенный, термогидролитогенный, термотрофолитогенный, гидротрофолитогениый, термогидротрофолиогенный.

Подклассы выделяются внутри классов на основании вида естественного воздействия на ПТК (похолодание, увеличение осадков, сель и т. д.) или хозяйственного (распашка, осушение, орошение и т. д.), что является детализацией причин выделения классов.

Отделы, семейства, подсемейства, классы, подклассы характеризуют происхождение ПТК. Следующие ступени (типы, подтипы, роды, виды) – особенности их современного развития – позволяют дать достоверный прогноз свойств будущих комплексов.

Внутри подклассов выделяются типы ПТК, в зависимости от того, привело ли к моменту исследования естественное или антропогенное воздействие к изменению направленности развития комплекса. Различаются два типа ПТК: инвариантные (находящиеся в фазе зарождения и становления или устойчивого существования и медленного развития) и трендовые (ПТК, вступившие в фазу смены).