Структура и свойства геосистем

Растительность входит в состав биоты ландшафта и играет важнейшую роль в регулировании его функций. Как и почвенный покров, естественная растительность подвержена значительной пространственной изменчивости, что предопределяет ее комплексность. Зону смешанных лесов обычно характеризуют как территорию с господством широколиственно-хвойных насаждений. В границах ландшафта обычно распространены три-четыре растительные формации и десятки сообществ более мелкого ранга. Высокая степень комплексности растительного покрова также влияет на усложнение горизонтального строения ландшафтов.

Животный мир – подвижный компонент ландшафтной биоты. Распространение животных тесно связано с наличием кормовых ресурсов, что обусловлено главным образом ресурсами и биологической продуктивностью растительности. Ландшафты – среда обитания крупных копытных и хищных животных, земноводных, пресмыкающихся, птиц, насекомых. Есть основания полагать, что видовой состав, численность, плотность животных значительно колеблются в различных ландшафтах. В целом же вопрос о взаимосвязях животного мира с природными территориальными комплексами еще требует изучения.

Таким образом, важнейшим свойством  ландшафтов выступает комплексность  природных компонентов.

Ландшафт  недаром представляет собой комплекс компонентов. Его изменения от места  к месту начинаются всегда с изменения какого-либо одного компонента. При этом вследствие всеобщности взаимосвязей изменяются и все другие. Если в результате сводового поднятия какой-либо участок земной коры, например, в степной зоне выгибается на 100–200 м над окружающим ландшафтом, он попадает в более прохладные слои атмосферы и на нем начинают выпадать более обильные осадки: при этом возникает сток, существовавшие ранее понижения рельефа дренируются, возникает балочная сеть. По северным склонам балок вырастают байрачные леса, по водоразделам на смену типчаково-ковыльным степям приходят ковыльно-разнотравные, что привлекает новые виды копытных и грызунов, появляются более влаголюбивые насекомые и т. д. Иногда изменения бывают не столь глубокими. Скажем, вследствие ухудшения условий в области его старого обитания в некоторую местность откочевывает вид травоядных животных, ранее в ней не водившихся. Он вызовет в месте нового поселения исчезновение некоторых растений, частичное угнетение всего растительного покрова и из-за этого, а также из-за различных отложений небольшое изменение свойств почвы, главным образом ее гумусности. И этим дело ограничится, рельеф, климат и водный режим существенно не изменятся.

Однако резкие ли произошли перемены или изменились только «оттенки»  ландшафта, затрагивает ли отличие  все компоненты или только один-два, все равно мы рассматриваем их как разные типы ландшафта. Ранг различий будет тем более высоким, чем больше компонентов ими затрагивается и чем глубже, контрастнее сами различия.

Иерархия различий устанавливается  не от случая к случаю, а закономерно. Некоторые компоненты и их свойства постоянно оказывают более сильное влияние на другие компоненты, чем сами попадают под их влияние.

Имеется возможность расположить  все компоненты от ведущих к ведомым  в порядке подчинения. Такие попытки делались неоднократно. А.А. Григорьев, впервые высказавший идею о первенстве компонентов и назвавший их «двигательными силами», утверждал, что они меняются в зависимости от таксономической ступени. Так, на первой ступени у географических поясов двигательной силой служат климатические явления, у материков – геоморфологические, у секторов – опять климатические, у зон и подзон – снова геоморфологические и, наконец, у ландшафтов (районов) – сочетание гидро- и аэрогеоморфологических и фитогеографических.

Из более поздних попыток  построения систем соподчинения компонентов  наиболее известна система Н.А. Солнцева. Он расположил компоненты следующим  образом, от «сильных» к «слабым»: земная кора – воздух – воды –  почвы – растительность – животный мир. Способность компонентов быть ведущими не зависит от размера и ранга территории.

Эта система лучше предыдущей, но все же не является вполне точной. Д.Л. Арманд предлагает следующую иерархию компонентов.

Ведущие компоненты

Рельеф                                                                          Климат

(горные породы)                                                     (газы и пары тропосферы)

Воды

Ведомые компоненты

Растения                                                                      Животные

Почвы

Роль компонентов в ландшафте весьма различна. Независимо от их положения в иерархическом ряду одни из них монолитны, другие дисперсны, одни имеют устойчивую форму, другие содержат ее временно только в силу своего положения в пространстве.

2.3. Система связей в ПТК (геосистеме).

Природный территориальный комплекс – участки земной поверхности  характеризующиеся общностью происхождения, развития и однотипностью взаимодействия природных компонентов: горных пород, рельефа, нижних слоев тропосферы с климатическими характеристиками, поверхностных и подземных вод, почв, растительности и животного мира.. Понятие «природный территориальный комплекс» (ПТК) употребляется в нескольких значениях:

1) как синоним терминов ландшафт природный, природная геосистема;

2) в последние годы в ряде стран для обозначения природной составляющей (Naturraum), природной части ландшафта (антропогенного ландшафта), т.е. сложных геосистем, включающих природную составляющую в качестве подсистемы. Иногда это же понятие передается термином геокомплекс.

Некоторые авторы предложили ограничить сферу применения термина «геосистема» лишь теми природными системами, элементы которых связаны однонаправленным потоком вещества.

В ландшафте различают  вертикальные и горизонтальные связи.

Связи вертикальные это связи между компонентами ландшафта – между климатом, горными породами, подземными и поверхностными водами, почвами, растительным и животным миром. Анализ вертикальных связей – начальный шаг к познанию ландшафта и его морфологической структуры. Анализ вертикальных связей необходим в практических целях, во-первых, для предсказания последствия изменений в плохо наблюдаемых компонентах на основе анализа изменений и последствий в легко наблюдаемых компонентах (например, по изменению характера растительности дать заключение об изменении режима увлажнения); во-вторых, для управления воздействием на один компонент (или их группу) с целью получения положительного эффекта от других (например, регулирование водно-теплового режима почв для повышения биопродуктивности).

Связи горизонтальные (латеральные) – между соседними геосистемами (более низкого и равного рангов). Они проявляются в формировании пространственной структуры ландшафтных образований. Эти связи проявляются также во влиянии одного ландшафта на другой, в формировании океанических и континентальных типов ландшафтов. Изучение горизонтальных связей привело к формированию полисистемной модели ландшафтов.

Различают связи прямые, направленные от более «активного» объекта или явления к другому, более «пассивному», объекту или явлению (таковы, например, связи, возникающие при воздействии какого-либо сооружения на грунтовые воды), и связи обратные, возникающие как ответная реакция «пассивного» объекта и влияющие на состояние «активного» объекта.

Межкомпонентные связи в ландшафте не являются абсолютно жесткими. Они носят вероятностный характер. Природные компоненты обладают некоторой степенью свободы в своем поведении. Благодаря этому, ландшафт может более или менее пластично реагировать на возмущающие импульсы внешней среды.

Ландшафт способен существовать только при условии "движения через  него потока вещества, энергии и информации". Вещественные, энергетические и информационные свойства природных компонентов теснейшим образом взаимосвязаны и отдельно друг от друга в природе не существуют. Поэтому вещественно-энергетический и информационный обмен между компонентами и геосистемами в целом немыслим в их раздельности. Однако в ходе ландшафтного анализа удается различать его виды.

Можно привести немало примеров вещественно-энергетических связей в ландшафте. Начнем с самого простого: горный речной поток, порожденный атмосферными осадками и таянием высокогорных нивально-гляциальных покровов, низвергается вниз по ущелью, благодаря потенциалу гравитационной энергии горного рельефа, который был создан тектоническим вздыманием страны. Размывая скальные породы и обломочный материал осыпей и обвалов, поток превращает их в валунно-галечный аллювий. Его водная масса насыщается влекомым, взвешенным и растворенным материалом. Одновременно происходит жидкий, твердый и ионный сток. Ущелье со временем превращается в террасированную долину. В деятельности горного потока интегрируются многие факторы абиотической природы горного ландшафта: поверхностный сток, атмосферные осадки, снежно-ледовые покровы, горный рельеф, слагающие ландшафт горные породы.

Особенно ярко межкомпонентные  вещественно-энергетические связи  прослеживаются в биогеохимическом (малом биологическом) круговороте, наиболее важном в превращении ландшафта в целостную геосистему. Растительность выступает в нем самым активным компонентом. Недаром В. Б. Сочава назвал ее критическим компонентом ландшафта. Непременными и незаменимыми факторами жизни растений служат, как известно, свет, тепло, воздух, вода и элементы минерального питания. Даже из простого их перечня видно, что для существования растительного покрова необходимы все природные компоненты ландшафта. Под биологическим круговоротом понимается сложный циклический, многоступенчатый процесс. Он включает поступление химических элементов (С, N, О, Са, К, Mg, Na, P, S, Si, Cl, Fe и др.) из почвы, воды и воздуха в живые организмы главным образом в зеленые растения и превращение их под воздействием лучистой энергии Солнца в ходе фотосинтеза в сложные органические соединения. Ежегодно на Земле образуется около 170 млрд т первичного органического вещества. При этом усваивается 300-320 млрд т СО, из воздуха и выделяется около 200 млрд т свободного кислорода.

Часть созданного растениями - продуцентами биогенного вещества - энергии используется в трофических цепях животными. В результате минерализации растительного опада и отмерших организмов происходит возвращение химических элементов в среду: почвы, воздух и воду. Этот круговорот вещества и энергии почти замкнут. Малая доля отмершей органики захороняется или выносится за пределы геосистемы путем вещественно-энергетического обмена с ландшафтной средой. Примерно 0,004% годичной биологической продукции резервируется. Живое вещество выступает как аккумулятор солнечной энергии. В итоге за многие миллионы лет в ландшафтной оболочке накопились большие запасы свободной биогенной энергии (каустобиолиты, почвенный гумус). Однако в настоящее время человечество за одни только сутки расходует столько ископаемого органического топлива, сколько его откладывалось когда-то в среднем за 300-350 лет.

Информационные связи в ландшафтах прослеживаются как в пространстве, так и во времени. Суть их состоит в передаче территориального и временного упорядоченного разнообразия одним природным компонентом другому компоненту, и наоборот. Таким образом, компоненты как бы стремятся запечатлеть свою пространственно-временную организацию в других компонентах и геосистеме в целом. В отношении пространственной организации очень сильное информационное давление на другие природные компоненты оказывает литогенная основа. Разнообразие горных пород, а главное, неровности рельефа дневной поверхности находят соответствующее отражение в пространственной смене почвенного и растительного покрова, водного режима и микроклимата. Как территориально дифференцирована литогенная основа, так в главных чертах устроен в плане и ландшафт в целом.

Классическим примером информационного  влияния рельефа на ландшафт является известное правило предварения В. В. Алехина (1882-1946), известного геоботаника, профессора МГУ. Согласно правилу предварения, на склонах северной экспозиции развивается растительность более северных зон, подзон, а на склонах южной экспозиции – более южных. В лесостепной зоне, например, склоны долин и балок, обращенные на север, как правило, заняты широколиственными лесами, а склоны южной экспозиции -степными ценозами.

В информационных ландшафтных связях можно видеть аналогию с известным  принципом симметрии П. Кюри (1859-1906), согласно которому симметрия причины сохраняется в симметрии следствия. Если в указанной формуле вместо слова "симметрия" поставить слово "организация", то она в полной мере будет характеризовать суть трансляционной информации в ландшафте.

К тем определениям ландшафтоведения как науки, которые были уже даны, можно добавить еще одно: ландшафтоведение - наука о внутриландшафтных и межландшафтных системных связях. Знание таких связей позволяет обоснованно решать многие проблемы природопользования.

2.4. Вертикальная и горизонтальная структура ландшафтов. Ландшафт – это сложный природный территориальный комплекс, характеризующийся: 1) наличием природных компонентов; 2) наличием более мелких ПТК; 3) системой взаимосвязей между компонентами и между ПТК. Расположение, порядок компонентов и природных территориальных комплексов внутри ландшафта называют его строением. Различают вертикальное (порядок компонентов) и горизонтальное (порядок ПТК) строение ландшафта. В строении ландшафта отражаются основные черты и закономерности географической оболочки и особенности динамики каждого конкретного ландшафта.

Под структурой ландшафта в 60-х годах подразумевался характер расположения и сочетания более мелких ПТК. В настоящее время структуру ландшафта понимают как совокупность внутренних взаимосвязей между компонентами (вертикальные связи) и более мелкими ПТК (горизонтальные связи). Наличие устойчивых постоянных взаимосвязей обеспечивает целостность, единство всего ландшафта. Строение и структура ландшафта не есть нечто застывшее, неиз-менное. Ландшафты подвержены постоянному развитию и изменению в соответствии с развитием и усложнением структуры географической оболочки.