Динамика ландшафтных геосистем

Вариант 8

1. Динамика ландшафтных геосистем

Геосистема (от греч. geo - Земля и systems - целое, составленное из частей) - фундаментальная категория геоэкологии.

1) по В. Б. Сочаве, который  ввел понятие, геосистема - особый  класс управляющих систем, земное  пространство всех размерностей, где отдельные компоненты природы  (геоморфологические, климатические,  гидрологические и др. и экосистемы) находятся в системной связи  друг с другом - объединены процессами  гравитационного перемещения твердого  материала, влагооборотом, биогенной  миграцией хим. элементов, взаимодействуют  с космической сферой и человеческим  обществом как определенная целостность.  По данной трактовке геосистема  выступает как синоним терминов  «географический ландшафт» (в  его общем понимании) и «природный  территориальный комплекс». Термин  «геосистема» целесообразно применять  в качестве родового, предваряя  его «видовым» прилагательным: природная  геосистема, антропогенная геосистема, социально-экономическая геосистема  и др. Общим признаком геосистем,  вне зависимости от трактовок,  является объединение потоками  вещества и энергии, т. к.  любая территориальная система  обнаруживает свойства целостности  в том случае, если отдельные  элементы ее структуры связаны  меду собой потоками вещества  и энергии. Согласно Ф. Н.  Милькову, понятийно разные категории  «геосистема» и «ландшафт» взаимно  дополняют друг друга, подчеркивая  в первом случае структурно-динамический  аспект, во втором - пространственный. Важно знать и учитывать, что  геосистема являются ландшафтной  и геохимической основой экосистемы, что признают и экологи

Динамика ландшафтных геосистем – это смена их состояний. Различают несколько видов естественной  ландшафтной динамики – динамика функционирования, развития, эволюции, катастроф (или революций) и восстановительных сукцессий.

Динамика функционирования. В динамике функционирования ведущая роль принадлежит ритмической смене обратимых состояний геосистем, связанных с круговоротами вещества и энергии и с ритмами внешней среды (планетарными, солнечными).

Если говорить о функциональной динамике геосистем вообще, то пространственную и временную ее характеристики рассматривают  как относительно равнозначные составляющие. Например, изменение химического состава, скорости или положения загрязненной массы воды в водотоке при его перемещении (изменении положения) в пространстве, или суточные и сезонные (временные) изменения в ландшафтах – все это динамика. Однако, учитывая, что ландшафтные геосистемы обладают жестким, относительно инертным литогенным каркасом, пространственные характеристики их функциональной динамики имеет смысл анализировать лишь для их мобильных компонентных структур: воздуха, воды и животного населения. Поэтому при изучении функциональной динамики ландшафтной геосистемы в целом, если она не испытывает аномальных внешних воздействий (антропогенных или природных), основной акцент обычно делается на изучении изменений ее состояний во времени.

Таким образом, функциональная динамика ландшафтных геосистем  включает в себя: а) процессы обмена веществом и энергией с внешней  средой (метаболизм геосистемы), которые  можно рассматривать в качестве звеньев вещественно-энергетических круговоротов в охватывающих геосистемах; б) внутренние круговороты вещества и энергии в геосистеме; в) адаптивные обратимые функциональные изменения  состояния геосистемы под влиянием ритмических и случайных изменений  внешней среды в пределах определенного  ее инварианта. (Инвариант – это  совокупность возможных относительно обратимых состояний геосистемы, в пределах которой ее можно идентифицировать самой себе).

Функциональная динамика характеризуется и проявляется  в форме ритмов и циклов. Ритмичность  – это закономерное чередование  явлений через определенный промежуток времени (период) или в пространстве (дыхание, биопродуцирование, чередование  форм рельефа в пространстве). Цикл – это совокупность взаимосвязанных  процессов и явлений, означающих завершенность процесса от его начала до конца – законченный круг развития чего-либо (суточный цикл, жизненный  цикл или этап, цикл лекций, цикл биопродуцирования). То есть динамика функционирования –  это в основном периодически повторяющиеся  в определенной последовательности серии состояний геосистемы (суточных, сезонных, погодных и др.), отличающихся спецификой структуры и функционирования. Бывают ритмы и с большей периодичностью – 11-летней, 30-летней, вековой и т.д. Различают ритмы кратковременные  – в пределах суток (стексы), средневременные  – в пределах года (погодные, сезонные, подсезонное состояния), долговременные. Ландшафтные ритмы с разными  периодами накладываются друг на друга. Кратковременные происходят на фоне средневременных, а средневременные  – на фоне долговременных. Кроме  того, для функциональной динамики весьма характерны и непериодические, аритмичные обратимые изменения  состояний, связанные, прежде всего, с  изменениями погодных условий. Примерами  функциональной динамики в геосистемах  могут быть повторяющиеся ежегодно в умеренных широтах активный фотосинтез зеленых растений, цветение, вегетация, созревание семян; активные биогеохимические круговороты, связанные  с накоплением элементов минерального питания в растениях, минерализацией отмерших остатков растений, поступлением элементов в почву, а из нее  вновь в растения; активное функционирование овражно-балочных систем в теплые и  влажные сезоны года и прекращение  или резкое затухание процессов  фотосинтеза и вегетации растений в холодные, морозные и сухие сезоны.

Таким образом, динамике функционирования природных геосистем, прежде всего, свойственны ритмика и цикличность, а также незначительные аритмичные колебания наиболее мобильных параметров, характеризующиеся обратимыми изменениями  их состояний. Однако обратимость состояния  геосистем относительна, так как  в процессе функционирования и жизнедеятельности  в них накапливаются необратимые  изменения («нельзя дважды войти  в одну и ту же реку»).

Динамика развития геосистем проявляется в форме ландшафтных трендов (ландшафтный тренд – это направленное изменение природной геосистемы, прослеживаемое на фоне колебательных ритмике. Тренд- это общее направление, уклон, тенденция) и «жизненных» циклов, характеризующихся направленными необратимыми изменениями структуры и состояний геосистем от их зарождения до отмирания. Она определяется неполной замкнутостью круговоротов, генетической предопределенностью и типом геосистемы. Примерами динамики развития являются: а) зарождение оврага с промоины и развитие до балки с выработанным профилем и пологими заросшими склонами конкретной овражно-балочной системы; б) формирование озерной геосистемы с последующим заполнением озерной котловины рыхлыми наносами и органическими остатками растений, саморазвитием водной поверхности и отмирании озерной геосистемы, как таковой; в) эрозионные циклы и ступени рельефа, запечатленные в ярусности ландшафтной структуры территории, и ее нивелировка за счет процессов денудации. Для динамики развития характерны следующие специфические этапы и соответствующие им состояния: зарождения, молодости, зрелости, старения и полного отмирания. По сути, она определяется полным жизненным циклом геосистемы конкретного вида и типа. Динамика развития геосистем подчиняется определенным закономерностям, которые можно выявить с использованием методов ландшафтных аналогий и актуализма на местности, поэтому она относительно легко прогнозируется. Знание времени полного жизненного цикла ландшафтных геосистем (характерного времени), их отдельных элементов и этапов развития позволяет определить возраст геосистемы и прогнозировать опасные процессы, сопровождающие те или иные стадии развития. Природные тренды, определяющие динамику развития, могут быть обусловлены как постепенными направленными процессами внутреннего саморазвития геосистем, связанного с незамкнутостью внутренних круговоротов в относительно устойчивых условиях внешней среды, так и медленными направленными изменениями факторов внешней среды.

Таким образом, современной  динамике функционирования и развития свойственны как динамическая обратимость  состояний геосистем определенного  вида, так и направленное необратимое  изменение структуры и функционирования конкретной геосистемы (индивида). Эти  изменения идут на фоне случайных  флуктуаций во внешней среде и  осложняющих их флуктуацией внутренней среды.

Необратимость и направленность развития геосистем относительна и  касается только конкретных индивидов  определенного уровня организации  или ранга. На уровне ПТК, охватывающих геосистемы данного типа и ранга, подобные изменения обычно относительно обратимы, так как в них возможно зарождение или существование других подобных геосистем. Например, отмирает один овраг, но в данной местности  имеются предпосылки или может  уже существовать и развиваться  другой; в пойме заносится и  зарастает одна старица, но появляется и  развивается аналогичным образом другая; стареют и погибают одни особи, но во включающих их популяциях существуют и возникают другие аналогичные особи. Взаимосвязь разных стадий развития и разных поколений позволяет говорить о жизненных циклах развития геосистем и их относительной обратимости.

Совокупность возможных  состояний, определяющих динамику функционирования и развития геосистем, называется их инвариантом. В данном случае понятие  инварианта позволяет идентифицировать ландшафтные комплексы конкретных типов самих себе в пределах определенной серии их преобразований в процессе функционирования и развития. Это очень важно при анализе трансформации природных комплексов под влиянием внешних или внутренних факторов.

Эволюционная  динамика (или историческое развитие) характеризуется постепенными, последовательными непрерывными и направленными необратимыми (коренными) их изменениями (трендами). Общий закон необратимости эволюции был сформулирован в 19 в. (В.О.Ковальский, Л.Долло). Суть его в том, что в процессе эволюции происходят последовательные трансформации геосистем, которые в интегрированной форме запечатлеваются в их структуре. Повторить этот процесс в обратной последовательности (второй закон термодинамики), да еще на фоне постоянно идущих случайных процессов, невозможно. Эволюционная динамика обусловлена, во-первых, медленными, но длительными направленными изменениями (трендами) во внешней среде; во-вторых, внутренними спонтанными процессами исторического саморазвития геосистем. Если направления эволюционной динамики задаются перечисленными выше факторами, то конкретные типы ее реализации в значительной степени предопределены историко-генетическими факторами, запечатленные в структурных элементах и свойствах компонентов геосистем. Например, территории сложенные с поверхности разными породами, в процессе эволюционных преобразований, связанных с медленным общим их поднятием, будут иметь разную структуру эрозионного расчленения.

Эволюционный ландшафтный тренд – это реакция геосистемы на длительные направленные изменения внешней среды (климатические, неотектонические, гидрогеологические) и спонтанное (внутреннее) саморазвитие геосистем (например, постепенное превращение пойменной геосистемы в надпойменно-террасовую, прогрессирующее заболачивание территорий за счет саморазвития болотных массивов).

Эволюционная динамика, обусловленная  изменениями внешней среды, проявляется  в коренных (необратимых, качественных) адаптивных перестройках морфологической структуры геосистем. При этом постепенно отмирают одни структурные элементы эволюционирующих геосистем, а на их месте формируются новые, более адекватные изменившейся среде структуры. Тем самым конкретная геосистема выходит за пределы своего инварианта и как бы превращается в качественно другую. Для проявления эволюционной динамики длительность направленных изменений внешней среды  должна значительно превышать характерное время динамики саморазвития природных и хотя бы части основных структурных элементов данной геосистемы. Например, снижение базиса эрозии или поднятие территории с господством таежных, значительно заболоченных, с глееватыми и глеевыми почвами ландшафтов, ведет к увеличению ее эрозионного расчленения, уменьшению площадей под заболоченными геосистемами и оглеенности почв, изменению структуры и увеличению биопродуктивности лесных сообществ. Такие адаптивные изменения носят для данных ПТК необратимый характер, так как восстановить прежнюю литогенную основу, а соответственно и структуру ПТК за счет естественных процессов, невозможно. В частности, неотектонические движения земной коры привели к коренным преобразованиям и формированию в Евразии горных ландшафтов (Кавказ, Карпаты). А также ландшафтов относительно низких участков, часто с переувлажненными геокомплексами (Западно-Сибирская равнина, Полесье, Мещера).

Большое влияние на эволюционное развитие природных геосистем оказывают  климатические факторы. Так, сильные  эволюционные изменения в ландшафтах умеренных и субарктических широт  в плейстоцене (четвертичном периоде) происходили в фазы  похолоданий, определивших эпохи материковых оледенений, и потеплений климата – межледниковий. В результате в средней полосе Восточно-Европейской равнины на протяжении нескольких десятков тысяч лет сменяли друг друга ландшафты от гляциально-нивальных и тундровых до таежных и широколиственных лесов.

Эволюционную динамику ландшафтов как результат спонтанного саморазвития и зарождения можно представить  через превращение абиотической географической оболочки в биокосную. На первых этапах ее эволюции, примерно 2-3 млрд лет назад, в водоемах зародилась жизнь. Благодаря фотосинтезу микроводорослей атмосфера насытилась кислородом, на Земле господствующей стала окислительная реакция. Появился озоновый «экран», в результате живые организмы смогли выбраться на сушу, трансформировался состав природных вод, появились почвы. К настоящему времени сформировалась ландшафтная оболочка, насыщенная жизнью, биотическим и биокосным веществом, в биосфере выделился человек, оказывающий своей деятельностью все большее влияние на ландшафтную оболочку.