Лекции по "Геоэкология"

ЛЕКЦИЯ 2. ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ

2.1. Экосистемы  материков

Поверхность Земли можно разделить на две взаимосвязанные и взаимозависимые части – материки и океаны. В пределах более стабильной материковой части сконцентрирована большая часть планетарной биомассы (более 90%). В то же время жизнь океанов в значительной мере зависит от подводных окраин материков. Биомасса, приходящаяся на единицу площади суши, во много раз превышает таковую в океане. Становится очевидным, что максимальное проявление экологических факторов геосфер происходит при их совместном действии, дающем экосистемам минеральные вещества, воду и кислород.

На материках при хорошем увлажнении происходит более активная эволюция экосистем. Здесь находятся самые сложные биологические сообщества – влажные тропические или экваториальные леса, которые насчитывают в своем составе, по разным данным, от 0,5 до 12 млн. видов. В настоящее время определено, что только число видов насекомых может достигать 30 млн.. Около 2/3 всех видов живых организмов сосредоточено в экваториальном поясе, а более 2/5 всех видов живут в экваториальных лесах.

По сравнению с сушей жизнь океана более примитивна, поскольку роль атмосферы здесь сокращена. Из 33 классов растений в Мировом океане представлено 15, причем только морскими формами – 5. Из 63 классов животных в море живут 52, только морские формы – 31. Всего в Мировом океане обитает 160 тыс. видов животных.

Основным источником минеральных и органических веществ в океане служит суша. Этим объясняется высокая продуктивность шельфовых вод.

В.И. Вернадский неоднократно подчеркивал, что формирование в поверхностной части литосферы глин, известняков, бокситов и других осадочных пород происходит при обязательном участии живого вещества.

Развивающаяся концепция тектоники плит, определяющая условия развития экосистем, несколько заслонила хорошо разработанную теорию геосинклинального развития литосферы. С позиций теории геосинклиналей четко объясняется механизм перерождения неустойчивой, тонкой (7 – 8 км) и примитивной океанической коры в стабильную, более мощную (30 – 50 км) и обладающую высоким разнообразием материковую кору. Между тем, обе концепции хорошо дополняют друг друга и дают надежное основание для понимания динамики развития земной поверхности.

Геосинклинальная структура – это огромный линейно вытянутый тектонический ров, где скучиваются и частично затягиваются в мантию не только блоки океанической и отчасти материковой коры, но и толщи осадочных пород. Этому способствует действие горизонтального сжатия, которое наряду с процессами внутреннего преобразования вещества геосинклинальной структуры, играет важную роль в ее превращении в горноскладчатое сооружение.

Обладая повышенной проницаемостью, геосинклинальные толщи ассимилируют материал из подстилающей мантии в виде вулканических излияний и выбросов, а также внедрений магмы на глубине.

Упорядоченность в перераспределение вещества определяют то, что по соседству с зонами затягивания, ближе к материковым сегментам, формируются поднятия, т.е. возникает система «желоб – береговая (островная) дуга» или «прогиб – поднятие». В пределах поднятий, на глубине, происходят высокотемпературный региональный метаморфизм и образование гранитов.

 Поскольку образование  гранитов является регрессивным  процессом, то выделяется огромное  количество энергии. Разрастаясь, поднятия  сливаются и образуют единый  гранитно-метаморфический слой. Трансформация  океанической коры в материковую  сопровождается высвобождением энергии осадочных пород (геохимических аккумуляторов), важным среди которых является глинистое вещество.

Материковая кора становится основой для ускоренной эволюции организмов и их сообществ на суше, причинами которой являются:

Лучшая обеспеченность фотосинтетически активной радиацией, ресурсами биогеохимической энергии и биогенными веществами.

Усложнение географических условий в ходе роста материков.

Большая, чем в океане, подверженность всякого рода космическим воздействиям, включая крупные метеоритные катастрофы.

Динамика развития крупнейших экосистем Земли связана с биологическим и геологическим круговоротом. Из сферы биологического круговорота теряется часть вещества и энергии, включая мертвую органическую субстанцию, глинистое вещество, биогены, микроэлементы и др. Кроме того, благодаря взаимодействию биологического круговорота с другими циклами, например, выбросами углекислого газа при горообразовании, происходит более полная реализация экологических функций геосфер.

Большое значение в динамике экосистем Земли имеет круговорот углекислого газа, тесно связаный с наземным фотосинтезом. Важно помнить, что незначительное количество СО2 в атмосфере полностью потребляется и возобновляется в результате фотосинтеза примерно раз в 4 – 6 лет, тогда как такое же возобновление кислорода возможно примерно за 3 тыс. лет.

Сложившиеся условия не являются оптимальными для биосферы. В настоящее время ее обеспеченность атмосферной углекислотой увеличивается. Это явление можно считать благоприятным для биосферы, поскольку в этом случае фотосинтез активизируется. Поэтому вслед за С.П. Горшковым (1998) делаем вывод: «Исторические данные показывают, что если в современных условиях наземная растительность развивается в условиях дефицита СО2, то антропогенное удобрение воздушной среды этим газом – явление положительное в масштабе всей биосферы».

В частности, по мнению В.Г. Горшкова (1995), есть все основания считать, что имеются признаки увеличения первичной продукции органических экосистем как отклик на поглощение антропогенного СО2 мировой акваторией.

Опасность глобальных изменений природы, вызываемых деятельностью человека, стимулирует изучение геоэкологической организации биосферы, т.к. глобальные процессы отчетливей видны через региональные, где максимально четко реализуются экологические факторы геосфер. Без учета региональных особенностей невозможно изучить функционирование естественных и измененных человеком звеньев биосферы.

Основой для разделения земной поверхности на естественные части может служить представление В.И. Вернадского об организованности биосферы как неотъемлемом свойстве пространства, занятого живой и неживой материей. Подразделениями первого порядка в нем являются суша и океан, что обусловлено делением литосферы на материковые поднятия и океанические впадины. Приподнятость материковых сегментов, в первую очередь, связана с наличием в их составе относительно легких гранитно-метаморфического и осадочного слоев.

Живое вещество Земли функционирует как единое целое благодаря наличию прямых и обратных связей в системе «суша – океан». С речным, айсберговым и подземным стоком, по воздуху, с морскими волнениями и течениями с суши в океан поступают потоки питательных веществ. Эти процессы определяют прямые положительные связи геосфер в экосистеме Земли. Среди обратных связей наиболее существенными являются потоки газов, в первую очередь СО2, а также перенос циклических солей.

Более низкий уровень организации для суши и океана не вполне очевиден и требует специального обоснования. Для океанов вероятно правильным было бы разделение по типам сгущения жизни (шельфовые, геосинклинальных окраин, апвеллингов и др.) и разделяющих их разрежений – океанических «пустынь». Применительно к суше плодотворной является идея выделения трех функциональных типов территорий, которые различаются по степени организованности геоэкологических (физико-географических) процессов живым веществом. Это части суши, где экосистема трансформирована живым веществом (речные бассейны), либо трансформация выражена слабо (пустыни), либо она практически отсутствует (гляциально-нивальные области).

Эту типизацию усложняет то, что между названными подразделениями суши существуют переходные зоны. Другая сложность типизации связана с участием человека в геоэкологическом преобразовании суши, которое особенно ярко отображается в двух случаях. Во-первых, когда антропогенное воздействие принципиальным образом изменило свойства геосфер. Во-вторых, когда человек создал новую экосистему, резко отличающуюся от существовавшей.

Крупные речные системы похожие на современные, существуют на Земле более 300 млн. лет. Это объясняется тем, что водотоки обычно фиксируют тектонические нарушения в литосфере и вырабатывают в них свои долины. По рисункам речной сети можно выявлять геологические структуры, делать важные геоэкологические выводы.

Существование речных бассейнов связывается с наличием уклонов местности и большого количества воды. При этом учитывается, что речной сток в значительной степени организован живым веществом в результате функционирования системы «растительность – почва – зона активного водного обмена».

Если функции растительного покрова подавляются, резко увеличивается поверхностная составляющая стока с водосборных территорий. В таких условиях быстро удаляется почвенный покров, размываются поверхностные отложения, а почвенно-элювиальный слой как важный резервуар влаги и очиститель фильтрующейся воды исчезает. В результате происходит истощение глубоко залегающих водоносных горизонтов.

При сильно разреженном растительном покрове или его отсутствии вследствие смыва или сползания в русла рек большого количества обломочного и осадочного материала происходит засыпание наносами речных долин. Этот процесс особенно сильно проявляется в долинах ручьев и малых рек, но в ледниковые эпохи он охватывал целые речные системы.

Реки с аномально высоким твердым стоком распластывают наносы по днищам долин и равнинам, где они протекают, т. е. осуществляют работу, направленную на вырождение долинной сети. Реки способны вырезать долины только при наличии на водосборах хорошо развитого почвенно-растительного покрова, сдерживающего механическую денудацию и тем самым предохраняющего русловые системы от избытка наносов. Это одно из необходимых условий устойчивого проявления глубинной эрозии.

Таким образом, современная разветвленная и протяженная сеть речных долин имеет биогенную геодинамическую природу, а речные бассейны представляют собой результаты интеграции биологического и механического движения материи.

В каждом крупном речном бассейне выделяются три функциональные части: многочисленные водосборные массивы с сетью малых рек, связующая система сходящихся долин больших и главной реки и устьевая зона.

Крупный речной бассейн обычно располагается в нескольких географических зонах и соединяет в единую систему миграции вещества природных экосистем. Наличие антропогенных модификаций таких экосистем еще более усложняет картину. От того, какие экосистемы (ландшафты) находятся в речном бассейне, зависит его экологический потенциал.

Экологический потенциал оценивается по сумме таких параметров, как масса живого вещества, продуктивность и состав биоценозов, качество поверхностных и подземных вод, запасы биогенных веществ и влаги в почвенно-элювиальном слое. Очевидно, что чем лучше обеспеченность речного бассейна теплом и влагой, тем выше его экологический потенциал. В этом отношении экваториальные бассейновые экосистемы превосходят таковые в умеренном поясе и тем более к северу, за его пределами.

В функционировании бассейновых экосистем можно увидеть ряд общих черт, характеризующих их нормальное для данных географических условий состояние, которое сохраняется и при допустимой антропогенной нагрузке. Отклонение от такого состояния проявляется аномалиями в функционировании системы.

Принципы индикации состояния бассейновых экосистем в настоящее время активно разрабатываются. Поскольку речные бассейны есть те ее части суши, где разработка речных долин преобладает над их вырождением, то любая речная долина или ее фрагмент может находиться в трех фазах: углубление, расширение без углубления и частичное или полное вырождение за счет избыточной седиментации.

Крупнейшие бассейновые экосистемы обычно включают горные и равнинные территории. В долинах рек врезание происходит на участках с более крутым падением, тогда как в хорошо разработанных фрагментах долин с пологим продольным профилем осуществляется транзит продуктов денудации или даже их избыточное накопление.

Аномальная аккумуляция аллювия и соответствующая ей фаза развития той или иной части речной долины может происходить при неотектонических прогибах или же при усилении ее питания обломочным материалом, что обычно связано с ухудшением состояния почвенно-растительного покрова. Кроме того, аккумуляция может быть связана с уменьшением водного стока или увеличением доли ледникового питания реки с соответствующим увеличением твердого стока.

Для крупнейших бассейновых экосистем можно представить схему смены динамических фаз с продвижением вниз по долине. В нивально-гляциальном поясе гор вытекающий из-под ледника поток настилает в долине флювиогляциальный материал. В поясе средних гор река течет в крутопадающей долине, где благодаря притокам растут ее водность и эродирующая сила. Здесь с появлением лугово-лесной растительности, снижается интенсивность питания реки обломочным материалом.

В межгорных впадинах, при уменьшении уклона дна долины, происходит накопление аллювия. Однако до выхода из гор в долине реки сохраняется режим преобладания глубинной эрозии над остальными видами водной деятельности.