Основные свойства геосистем

Понятие целостности географического ландшафта по-прежнему подменяется аксиомой взаимодействия и взаимообусловленности природных компонентов, несмотря на активное внедрение в последние сорок лет учения о геосистемах (В.Б. Сочава, 1978) в теоретический и практический анализ. Термин «геосистема», которым в настоящее время «замещается» термин «ландшафт», сам по себе не содержит информации о структуре объекта исследования, его пространственном масштабе и природных границах. Формальное применение системного подхода свидетельствует о недостаточном внимании к геофизической/энергетической стороне организации структуры и функционирования ландшафта как геосистемы. Об этом свидетельствует существующая подмена направления «геофизика ландшафта» рассуждениями о геофизических и биологических показателях геосистем (инсоляция, гравитация, сток, биопродуктивность, биомасса). Соответственно не разрабатывалось понятие «геофизическая система ландшафта» как движителя массо- и энергопотоков, а также структурообразующего механизма. Использование термина «геосистема» делает бессмысленным словосочетание «геофизическая система геосистемы», в то время как понятие «геофи- зическая система ландшафта» имеет фундаментальное значение для понимания механизма воссоздания природной целостности природного комплекса. Наблюдаемые визуальные отличия ландшафтов и свойства их почвеннорастительного покрова задаются системой интервалов радиационногравитационно-гидротермических показателей. Этот энергетический каркас ландшафта рассматривается нами через понятие «геофизическая система ландшафта» (ГФСЛ) (Макунина, 2011). Концепция ГФСЛ отражает энергоциркуляционную целостность ландшафта, которая проявляется в соответствии интенсивности частных процессов в компонентах ландшафта их геофизическим свойствам и параметрам ГФСЛ. В целом энергоциркуляционная целостность ландшафта обусловливает триединство его геофизической, компонентной и геохимической структур под контролем ГФСЛ. Это триединство структур ландшафта понимается нами как явление полиструктурности ландшафта. Повсеместность проявления этого феномена позволяет нам сформулировать (в первом приближении) закон географической целостности ландшафта: географическая целостность ландшафта детерминируется его геофизической (радиационногравитационно-гидротермической) системой, которая задаёт напряженность (интенсивность) и ритмичность частных процессов и формирует его компонентную и геохимическую структуры с возможным сохранением в них палеогеофизических реликтов. Структура ГФСЛ представлена последовательным рядом соподчиненных энергетических подсистем, образующих спираль энерго- и массооборота в ландшафте. Это подсистема теплооборота между атмосферой и земной поверхностью; подсистема воздухо – влагооборота между атмосферой и земной поверхностью; подсистема биогеофизического тепло-влагооборота между атмосферой и морфолитогенной основой ландшафта. В этой модели морфолитогенное основание ландшафтов выступает в роли связующего звена между подсистемами, а также выполняет энергетическую функцию в каждой подсистеме (рефлектор и аккумулятор тепловой энергии, регулятор стока и инфильтрации, питательный минеральный субтрат для биоты). Зеркалом и индикатором качества и устойчивости функционирования ГФСЛ служит педобиостром (ПБС) ландшафта. Это система «почва – микроорганизмы и почвенные животные – растительность», эмерджентное биокосное образование, которое является «продуктом» биогеофизической циркуляции тепловой и водной энергии, а также вовлечения с водой в круговорот минеральных веществ. ПБС – экологически единый организм, подтверждающий системную целостность ландшафта. В качестве меры различения ландшафтов по интенсивности протекающих в них процессов транспортировки веществ нами рассматривается «гидротермический инвариант ландшафта» (ГТИЛ) как система интервалов (от – до) годовых среднемноголетних показателей атмосферных осадков, стока и валовой влагообеспеченности субстрата (осадки минус испаряемость) в условиях квазистационарного состояния морфолитогенного фундамента ландшафта.
1.2. Динамичность
Любая геосистема подвержена постоянным изменениям, которые протекают во времени. Изменения эти носят разнообразный характер. Есть изменения направленные, которые приводят к перестройке структуры геосистемы, есть изменения, которые повторяются с различной скоростью – изо дня в день, из года в год. Нужно иметь в виду, что изменения происходят в определенном временном интервале.
Таким образом, в ландшафте происходят функциональные, пространственные и структурные изменения, которые называются его динамикой.
Динамика ландшафта – функциональные пространственные и структурные изменения, происходящие в природно-территориальном комплексе.
Хорологическая динамика. Это динамика ареала, пространственное изменение границ ландшафтных комплексов. Примером хорологической динамики служит смещение природных зон. Например, непрерывные пространственные изменения претерпевает береговая линия морей, озер и рек; продвигается вперед или отступает кромка ледников; движется вверх к водоразделу незакрепленный овраг; постепенно продвигается на пойму реки овражно-балочный конус выноса; в русле реки смещаются вверх тесно связанные между собой перекаты и плесы.
Структурная динамика это изменение морфологического строения ландшафтного комплекса и взаимосвязей между слагающими его структурными частями.Например, только что образованное озеро в горах или пруд в балке на равнине. Через несколько лет в водоемах появятся отмели и тростниково-камышовые заросли - новые структурные единицы в ранге фаций и урочищ.
Перестройка в структуре часто бывает настолько значительной, что изменения в ландшафте выходит за рамки внутритиповых и один тип ландшафтного комплекса переходит я другой. Подобные межтиповые изменения можно проследить на примере западинных урочищ Окско-Донской низменной равнины. В годы, совпадающие с влажным климатическим циклом, когда повышается уровень грунтовых вод, в степных западинах Окско-Донской равнины часты неглубокие озера с характерной водной растительностью и обилием гнездящейся водоплавающей птицы. В более сухие периоды уровень грунтовых вод понижается, озера превращаются в кочкарные низинные болота.
Временная динамика объединяет в себе изменения в ландшафте связанные со временем, длительностью и характером ритмичности динамических проявлений. Различают три ее разновидности.
1. Динамика функционирования - моментальный (время наблюдения) срез процессов обмена веществом и энергией в ландшафтном комплексе. Это своего рода элементарная точка отсчета временной динамики ландшафта. Из сопоставления таких срезов времени в различные часы и дни наблюдений складываются наши общие представления о динамике ландшафта. Динамика функционирования ландшафта служит непосредственным объектом изучения физико-географических и биогеоценологических стационаров, метеорологических станций, а также высших учебных заведений.
2. Циклическая динамика - изменения в ландшафтном комплексе по замкнутому кругу в более или менее строго очерченные отрезки времени. Широко известные проявления циклический динамики - суточные, лунно-суточные и сезонные изменения в ландшафте.
а) Суточная динамика. Смена дня и ночи влечет за собой изменения в температуре, влажности и движении воздуха на протяжении суток. В наших широтах внутрисуточная смена погоды наглядно прослеживается летом в антициклональных условиях: солнечное и тихое утро - кучевые облака в полдень - грозы с порывами ветра во второй половине дня

. Аналогичная картина, только другого масштаба и интенсивности, и притом круглый год, наблюдается в некоторых влажных тропических странах.
б) Лунно-суточная динамика - приливо-отливные изменения в ландшафте, вызванные суммарным притяжением Луны и Солнца. Так как сила притяжения Луны в 2,17 раза превосходит силу солнечного притяжения, продолжительность приливо-отливного цикла соответствует лунным суткам (24 ч 60 мин). Приливы в морях бывают полусуточными, суточными и смешанными. Наибольшей величины (до 15 - 18 м) они достигают у изрезанных побережий окраинных морей и океанских заливов. Приливная волна наблюдается также в устьях некоторых крупных рек. На р. Амазонке поророко - приливная волна высотой до 5м - с большой скоростью несется на 300 км вверх по реке.
в) Сезонная (годичная) динамика. Степень выраженности и факторы, ее обусловливающие, неодинаковы на разных широтах. Контрастны и хорошо выражены все четыре сезона года в умеренном поясе, на севере субтропиков и на юге полярного пояса. Определяющим ее фактором здесь служит изменение термических условий. В зоне тропических саванн ведущим фактором сезонной динамики становится изменение условий увлажнения. Для годичной динамики ландшафтов саванн характерно наличие двух резко контрастных сезонов - сухого и влажного. В зоне влажных тропических лесов температура воздуха и количество осадков мало меняются на протяжении года и выделение сезонов здесь теряет свой смысл.
Одним из важнейших методов изучения сезонной динамики ландшафтов служат фенологические наблюдения я составляемые на их основе календари природы. Фенологические наблюдения по четко продуманной программе - один из наиболее доступных методов изучения динамики ландшафтов.
3. Периодическая динамика - изменения ландшафта с повторением его состояний, напоминающим исходное, в сроки различной продолжительности. Наглядный пример периодической динамики - повторение тяжелых засух в лесостепных и степных районах или суровых малоснежных зим, вызывающих настолько серьезные нарушения в растительности и животном мире, что они сказываются на протяжении целого ряда последующих лет.
Распространенным видом проявления периодической динамики служат землетрясения и вулканические извержения, трансгрессии и регрессии морей, смена ледниковых эпох межледниковыми в четвертичный период. Все эти примеры характеризуют периодичность длительной во времени направленной динамики ландшафтных комплексов.
а) Флуктуирующая динамика - незначительные; колебательного характера изменения ландшафтного комплекса; синонимом флуктуирующей динамики мог бы служить термин пульсирующая динамика.
Проявления флуктуирующей динамики очень разнообразны. Прекрасный пример ее изменения из года в год - травостой злаковых степей. Постоянными в нем остаются многолетние дерновинные злаки - компоненты степного травостоя: ковыль, типчак, тонконог. Они не образуют сплошного задернения и междерновииные участки, голые в сухое лето, во влажные годы захватываются однолетниками - ингредиентами степного травостоя, придающими южной степи не свойственный ей красочный вид. В более северных разнотравно-луговых степях флуктуация выражается в том, что к постоянным ежегодным аспектам присоединяются аспекты эпизодические, наблюдающийся или во влажные, или в сухие годы. Такие эпизодические аспекты в степях Центрально-Черноземного заповедника образуют валериана русская, первоцвет весенний, ракитник русский, шалфей поникший, василек шероховатый и др.
Не менее отчетливо прослеживается флуктуирующая динамика на пойменных лугах. Ежегодный состав и урожайность пойменных лугов зависят от интенсивности аллювиального процесса - высоты и длительности половодья.
Направленная динамика, или развития, предполагает устойчивые, односторонне направленные изменения ландшафта с неоднократной сменой его состояний и трансформацией структур.
Развитие это необратимое, направленное, закономерное изменение материальных и идеальных объектов.
Любое развитие протекает не прямолинейно. По своей направленности развитие принято делить на прогрессивное и регрессивное. Первое из них предполагает движение от низшего к высшему, от простого к более сложному, второе - от высшего к низшему, от сложного к более простому. Регресс не означает простого возврата к старому. Как и все остальные тенденции или стадии развития, регресс представляет собой процесс качественного обновления систем, но с той специфической особенностью, что уровень организации новообразований менее высок, чем у исходных форм.
1.3. Устойчивость
Под устойчивостью системы подразумевается ее способность сохранять структуру при воздействии возмущающих факторов или возвращаться в прежнее состояние после нарушения. Проблема устойчивости ландшафта приобретает важное практическое значение в связи с нарастающим техногенным «давлением». Ландшафт, как и любая геосистема, несомненно обладает устойчивость в определенных пределах. Однако пределы эти пока еще не установлены и механизм устойчивости не изучен.
Устойчивость не означает абсолютной стабильности, неподвижности. Напротив, она предполагает колебания вокруг некоторого среднего состояния, т. е. подвижное равновесие. Надо полагать, что чем шире естественный диапазон состояний, тем меньше риск подвергнуться необратимой трансформации при аномальных внешних воздействиях. Например, ландшафты экваториальных лесов существующие длительное время в стабильных и узко ограниченных условиях теплообеспеченности и увлажнения, менее приспособлены к резким аномалиям этих условий, чем ландшафты умеренных широт. Однако противостоять подобным аномалиям позволяют внутренние механизмы саморегулирования, присущие различным ландшафтам. Благодаря отрицательным обратным связям эффект внешних воздействий «гасится» или, во всяком случае, ослабляется. Один из простых случаев: уменьшение стока в бессточное озеро вызывает сокращение площади зеркала, а тем самым - испарения, и таким образом восстанавливается водный баланс (устанавливается новое подвижное равновесие).
В саморегулировании геосистем особенно большую роль играет биота - важнейший стабилизирующий фактор благодаря ее мобильности, широкой приспособляемости к абиотическим факторам, способности восстанавливаться и создавать внутреннюю среду со специфическими режимами - световым, тепловым, водным, минеральным. Так, упомянутый экваториальный лес противостоит интенсивному вымыванию элементов минерального питания из почвы путем накопления их в биомассе и интенсификации внутреннего оборота элементов. Отсюда следует, что высокая интенсивность биологического круговорота и соответственно биологическая продуктивность служат одним из существенных условий и показателей устойчивости геосистемы.
Роль других компонентов в поддержании устойчивости неоднозначна и подчас противоречива. Климат и влагооборот быстро реагируют на входные воздействия и сами по себе крайне неустойчивы, но быстро восстанавливаются. Твердый фундамент - один из наиболее устойчивых компонентов, но в случае нарушения не способен восстанавливаться, и поэтому его нарушение (в основном в результате денудации) ведет к необратимым изменениям в ландшафте. Стабильность твердого фундамента, таким образом, важная предпосылка устойчивости ландшафта. Но основным стабилизирующим фактором, поддерживающим гравитационное равновесие в системе и препятствующим денудации, служит растительный покров