Геофизика ландшафта - раздел ландшафтоведения, в котором изучаются наиболее общие физические свойства, процессы и явления, характерные для геосистем. При этом они рассматриваются как системы, состоящие из элементарных структурно-функциональных частей и элементарных процессов функционирования, объединяющихся в более сложные образования, которые рассматриваются через призму их физических свойств и характеристик.
Геофизика ландшафта изучает общие физические свойства, процессы и явления в геосистемах, элементарные части геосистем и элементарные процессы, а также геогоризонты и другие образования, которые возникают в результате синтеза этих частей и процессов в пространстве и времени (Беручашвили, 1990).
Для того чтобы раскрыть физическую сущность процессов функционирования, их необходимо подразделить на ряд элементарных в физическом отношения процессов. Элементарные структурно-функциональные части и процессы функционирования объединяются в более крупные образования - геогоризонты, вертикальные структуры, состояния элементарных геосистем, которые при последующем синтезе формируют сложнейшую природную систему - ландшафт.
Геомассы - элементарные структурно-функциональные части, которые характеризуются определенной массой, специфичным функциональным назначением, а также скоростью изменения во времени и/или перемещения в пространстве. Н.Л. Беручашвили (1990) в ландшафте выделяет аэромассы, фитомассы, зоомассы, мортмассы, педомассы, ли-томассы и гидромассы, характеризующиеся определенной массой и тесно связанные с функционированием геосистем.
Геомассы необходимо отличать от природных компонентов геосистемы. Для этого достаточно привести определение понятия «компонент геосистемы» - это природное тело, характеризующееся преобладанием какой-либо одной геомассы.
Геомассы могут быть активными, т.е. могут перемещаться в пространстве, увеличиваться или уменьшаться в своем количестве; стабильными (пассивными) - могут не перемещаться в пространстве и не изменяться в своем количестве, но принимать участие в процессах функционирования геосистемы; инертными - могут не принимать или почти не принимать участия в функционировании в данном состоянии геосистемы. Одни и те же геомассы могут быть и инертными, и стабильными, и активными, если их рассматривать в разные отрезки времени.
Вертикальная структура - это взаиморасположение и взаимосвязь геогоризонтов. Геогоризонты - сравнительно однородные слои, характеризующиеся целым рядом ландшафтно-геофизических признаков, из которых наиболее важны специфичный набор и соотношение геомасс. Например, надземные геогоризонты могут включать фитомассу (кроны растений), массы воздуха, в зимнее время - нивальные геомассы (шапки снега на кронах хвойных деревьев), в летнее время - гидромассы (осадки на поверхности листьев).
Состояние геосистемы - соотношение параметров, характеризующих его в какой-либо промежуток времени, в котором конкретные входные воздействия (солнечная радиация, осадки и т.п.) трансформируются в выходные функции (сток, некоторые гравигенные потоки, прирост фитомассы и т.д.).
Н.Л. Беручашвили (1990) все состояния ландшафтов делит по длительности.
1. Кратковременные состояния продолжительностью менее суток.
Они в основном связаны с высокочастотными компонентами - воздуш
ными массами и их изменениями.
2. Средневременные состояния имеют продолжительность от од
них суток до одного года. Из них наиболее важны стексы - суточные
состояния, обусловленные сезонной ритмикой, погодными условиями и
динамической тенденцией развития фации. Сезоны года также можно
рассматривать как состояния.
3. Длинночастотные состояния продолжительностью более одно
го года. Они обычно связаны либо с многолетними климатическими
циклами, либо с сукцессиями растительного покрова.
Из пространственных свойств геосистем Н.Л. Беручашвили (1990) выделяет площадь выявления, характерную площадь, мощность геосистемы, отношение надземной части геосистемы к его подземной части.
Особое место в геофизике ландшафта имеет метод балансов, позволяющий учитывать баланс вещества и энергии отдельных компонентов ПТК. Большое внимание этому вопросу уделял Д.Л. Арманд (1975). По его определению балансом называются сопоставляемые перечни всех видов вещества и энергии за период наблюдений: 1) вошедших разными способами в природный комплекс и 2) вышедших из него. Разность между приходной и расходной частью баланса называется «сальдо» (балансовая разность). Метод балансов позволяет оценивать количество различных форм вещества и энергии, поступающих в ландшафт и выходящих из него, прослеживать динамику суточных и годовых циклов, анализировать распределение вещества и энергии по разным каналам.
Практическое значение метода балансов довольно значительно. Он облегчает поиски путей воздействия на процесс и способов изменения его в нужном направлении. Имея информацию о статьях баланса, можно увидеть роль каждой составляющей. Например, при изучении изменения снежного покрова в пределах ПТК количественно определяются все процессы, на которые он распадается (снегопады, дожди, перевеивание и таяние снега и т.д.). Баланс этих процессов показывает: 1) их направление (накопление или убыль снега), 2) структуру процесса (в результа-
те чего произошло изменение), 3) соотношение между статьями баланса (что влияет сильнее и что слабее).
В ландшафтоведении наиболее часто приходится иметь дело с радиационным, тепловым и водным балансами, а также балансом биомассы, хотя балансовое уравнение можно рассчитать практически для любого вещества.
Баланс радиационной и тепловой энергии позволяет взять на учет первопричины всех физико-географических процессов. Сальдо радиационного баланса составляет то количество радиационной энергии, которое задерживается земной поверхностью, преимущественно растительностью и почвой, и преобразуется ими в другие виды энергии. Он описывается формулой:
где Q - прямая и Q' - рассеянная радиация, α - альбедо, Еэф - эффективное излучение, R - сальдо радиационного баланса, в данном случае -поглощенная энергия (Арманд, 1975).
Распределение солнечной радиации на земной поверхности подчинено основной географической закономерности - зональности, этой же закономерности подчиняется радиационный баланс. Однако разные по свойствам компоненты и ПТК существенно отличаются радиационными и тепловыми условиями. Различие тепловых условий компонентов в большой степени зависит от их альбедо. Даже в пределах небольших ПТК в результате разнообразия подстилающей поверхности и форм рельефа радиационные и тепловые условия существенно изменяются от места к месту.
Особая часть расхода приходящей радиации идет на фотосинтез. Эта статья в балансе незначительна (1-2%), но роль ее неизмерима. Достаточно отметить, что за счет ее из углекислого газа освободился почти весь кислород атмосферы.
Пути преобразования поглощенной энергии с небольшой долей участия внутриземного тепла прослеживаются при помощи составления теплового баланса подстилающей поверхности:
R + I±P±Le-Еф = B
где R -поглощенная энергия, I - внутриземное тепло, Р - расход энергии на турбулентный обмен, L - скрытая теплота испарения, е - испарившаяся или сконденсированная влага, Еф - энергия, израсходованная на фотосинтез, В - остаточный член, в данном случае обмен теплом с почвой (Арманд, 1975).
Перечисленные составляющие в отдельные сезоны и время суток могут менять свои знаки. При отрицательном знаке поток тепла направляется из атмосферы на землю, а вместо испарения происходит конден-
сация. Соотношение P/Le изменяется в широких пределах в зависимости от характера ландшафта. Например, во влажных тропических и субтропических лесах этот показатель имеет низкие значения, а на болотах, где происходит интенсивная адвекция тепла и водяного пара, может становиться отрицательной величиной.
Особенности водного баланса определяются климатическими условиями, характером литогенной основы, почвенного и растительного покрова ПТК и другими факторами. Водный баланс ландшафта целиком слагается из адвекций, т.е. из горизонтальных перемещений влаги: воздушной, поверхностной и грунтовой:
|а| + |s| + |u| = | ∆w |,
где а - разность между приносом и выносом воды за пределы ландшафта по воздуху (в виде паров и облаков), s - то же поверхностным стоком, u - то же грунтовым стоком. В зимнее время прибавляется еще перенос снега ветром в пределы или за пределы ландшафта. ∆w - изменение содержания влаги в ландшафте. Если за многолетний период оно не равно нулю, то это свидетельствует о прогрессивном увлажнении или иссушении ландшафта (Арманд, 1975).
Большой интерес для ландшафтоведа представляет водный баланс деятельного слоя земной поверхности, в котором главную роль играют осадки и испарение, не участвующие в балансе ландшафта, так как они для ландшафта являются внутренними процессами:
г - f-e = r - (u + s) - (e' +t) = 0,
где r - осадки, f— суммарный сток, e - испарившаяся или сконденсированная влага, s - разность между приносом и выносом воды за пределы ландшафта поверхностным стоком, u - то же грунтовым стоком, e' - физическое испарение, t - транспирация. Если правая часть уравнения не равна нулю, а равна ∆w, то это свидетельствует о динамике ландшафта преимущественно годовой или сезонной.
На изменение водного баланса ПТК существенное влияние оказывает хозяйственная деятельность человека.
Баланс биомассы. Балансовый метод имеет большую роль для органического мира, который обладает весьма большим разнообразием. В связи с этим баланс биомассы можно рассматривать по отношению к отдельным ее частям.
Например, большой интерес представляет баланс древесной части леса. В листопадном лесу он имеет две статьи прихода: долговременный прирост - древесина (n) и сезонный - листья (l) и три статьи расхода: отпад и поедание (c), потери на дыхание (d) и опад листвы (p):
n + l-c-d-p = ± ∆m,
где ∆m может быть как положительным (растущий лес), так и отрицательным (умирающий, перестойный лес) (Арманд, 1975). В виду сезонного характера облиствения балансовая разность может быть различной, если брать баланс за разные периоды года. Величины n, l, c, d и p в течение года меняются.
Баланс травянистой растительности существенно отличается от лесного: 1) запас для многолетних растений выражается их подземной частью, 2) в травостое большую роль играют генеративные части, 3) травостой значительно подвержен поеданию зверями и насекомыми. В связи с этим годовой будет выражаться:
n + l + g-d-z-c = ± ∆m,
где n - прирост корней, l - прирост стеблей и листьев, g - прирост генеративных органов, d - потери на дыхание, z - поедаемая биомасса, c -отпад (Арманд, 1975).
Продуктивность растительности зависит от поступления в ландшафт солнечной энергии, тепла, углекислого газа, воды и элементов минерального питания. Эти факторы должны находиться в соответствии друг с другом. Если один из них ограничен, то изобилие другого может привести даже к отрицательным последствиям и, в конечном счете, к снижению образования биомассы.
Динамика ландшафтов
Динамика (от греческого dynamis - сила) - изменения обратимого характера, не приводящие к коренной перестройке структуры, т.е. «движение переменных состояний в пределах одного инварианта» (Мамай, 1992, с. 25). Инвариант - совокупность присущих геосистеме свойств, которые сохраняются неизменными при преобразовании геосистем (Сочава, 1978). Примерами динамических изменений служат серийные ряды фаций, сукцессионные смены, смены состояний ландшафтов.
Смены состояний могут быть обратимыми при условии, что изменения параметров внешней среды не перешли через некоторое критическое значение, за пределами которого неизбежно нарушается равновесие в геосистеме и ломается механизм ее саморегуляции. Саморегуляция - свойство ландшафтов в процессе функционирования сохранять на определенном уровне типичные состояния, режимы и связи между компонентами (Сочава, 1978). Механизмом саморегуляции служит характер интенсивности внутренних связей и образование новых. Таким образом, динамические изменения говорят об определенной способности геосистемы возвращаться к исходному состоянию, т.е. о ее устойчивости, способности компенсировать импульсы саморегулированием.
В.Б. Сочава (1978) различает в динамике две стороны - преобразовательную и стабилизирующую. Преобразующая динамика геосистемы - процессы, накопление результатов которых ведет к изменению структуры геосистемы (прогрессивному или регрессивному). Стабилизирующая динамика - процессы, на которых основаны саморегуляция и гомеостаз геосистем. Под саморегуляцией понимается приведение геосистемы в устойчивое состояние, обеспечение относительного равновесия всей геосистемы.
До тех пор, пока изменения не выходят за рамки существующего инварианта и имеют характер постепенного количественного накопления элементов новой структуры, они относятся к собственно динамике (Исаченко, 1991). При прочих условиях динамические изменения могут иметь и необратимый характер.
Деление изменений в ландшафте на обратимые и необратимые довольно условное, т.к. абсолютно обратимых изменений в природе не бывает: после каждого пройденного геосистемой цикла возвращение к прежнему состоянию происходит с большим или меньшим отклонением. Накопление отклонений подготавливает преобразование структуры ландшафта, т.е. является начальным звеном развития или эволюции ландшафта. Поэтому динамические изменения ландшафтов имеют ритмический и поступательный характер.
Динамика ландшафта обусловлена преимущественно, но не исключительно, внешними факторами и имеет в значительной степени ритмический характер. Суточный и сезонный ритмы связаны с планетарно-астрономическими причинами. Различные ритмы большей продолжительности: внутривековые и вековые ритмы - гелиогеофизические по происхождению, т.е. связаны с проявлениями солнечной активности, которые вызывают возмущения магнитного поля Земли и циркуляции атмосферы, а следовательно колебания температуры и увлажнения. Наиболее известны 11-летние, а также 22 - 23-летние ритмы этого типа, кроме того, намечаются ритмы в 26 месяцев, 3 - 4, 5 - 6, 80 - 90, 160 -200 лет.
Сверхвековой 1850-летний ритм обусловлен изменчивостью при-ливообразующих сил в зависимости от взаимного перемещения Земли, Солнца и Луны и выражается в планетарных колебаниях климата. Более продолжительные ритмы (21, 42 - 45, 90, 370 тыс. лет) объясняют колебаниями эксцентриситета земной орбиты и связывают с ними чередование ледниковых и межледниковых эпох. Геологические ритмы измеряются миллионами лет (Исаченко, 1991).
Различные ритмы проявляются в ландшафте совместно и одновременно, интерферируя, т.е. накладываясь один на другой. Это обстоятельство затушевывает четкость ритмов и затрудняет их расчленение.
Особый тип динамических изменений представляют восстановительные (сукцессионные) смены состояний геосистем после катастрофических внешних воздействий - вулканических извержений, землетрясений, ураганов, наводнений, пожаров, нашествий грызунов и т.п. Для геосистемы локального уровня подобные воздействия часто оказываются критическими, т.е. ведут к необратимым изменениям. Постоянные, но более или менее кратковременные нарушения, не затрагивающие инварианта, приводят к появлению различных переменных состояний фаций, или серийных фаций (Сочава, 1978). Серийные фации обычно недолговечны и представляют собой те или иные стадии формирования коренной структуры. В конечном счете, пройдя ряд сукцессионных смен, они достигают эквифинального состояния, т.е. устойчивого динамического равновесия. Совокупность всех переменных (динамических) состояний фации, подчиненных одному инварианту, В. Б. Сочава называет эпифацией.
Таким образом, динамика ландшафта - не любые процессы и изменения, а лишь те, которые сопровождаются изменениями состояния его свойств, не приводя к изменениям его структуры.
Развитие ландшафтов
Развитие (эволюция) ландшафта - необратимое направленное изменение, приводящее к коренной перестройке (смене) структуры ландшафта, к замене одного инварианта другим, т.е. к появлению новой геосистемы.
Выше было сказано, что каждый цикл, даже относительно непродолжительный, например годичный, оставляет после себя в ландшафте некоторый необратимый остаток (со стоком сносятся минеральные и органические вещества, вглубь водоразделов продвигаются овраги, накапливается торф в болотах и т.п.), что приводит к эволюционным изменениям ландшафта. Причинами такого развития являются как внешние (космические, тектонические, антропогенные) так и внутренние (саморазвитие, противоречивые взаимодействия компонентов ландшафта) факторы.
Механизм развития ландшафта состоит в постепенном количественном накоплении элементов новой структуры, включая и новые морфологические единицы, и вытеснении элементов старой структуры, что в конце концов приводит к качественному скачку - смене ландшафтов.
Развитие ландшафтов и их морфологических частей обычно постепенное. Время, за которое изменяется структура, зависит от ранга ПТК. Наиболее быстро развиваются фации и самое длительное время необходимо для полного замещения структуры в ландшафтах. Но возможна и быстрая смена структуры в результате каких-либо катастрофических природных или техногенных процессов.
При изучении развития ландшафта часто анализируется его морфологическая структура. Б. Б. Полынов установил, что в ландшафте могут быть представлены разновозрастные элементы: реликтовые, консервативные и прогрессивные. Реликтовые сохранились от прошлых эпох, они указывают на предшествующую историю ландшафта. Реликтовыми могут быть формы рельефа (например, ледниковые), элементы гидрографической сети (сухие русла в пустыне, озера), биоценозы и почвы (степные сообщества с соответствующими почвами в тайге, древние торфяники и т. п.) и целые фации или урочища. Консервативные элементы - те, которые наиболее полно соответствуют современным условиям и определяют современную структуру ландшафта. Прогрессивные элементы наиболее молодые, они указывают на тенденцию дальнейшего развития ландшафта. Это появление островков леса в степи, пятен талого грунта в области многолетней мерзлоты, эрозионных форм рельефа в моренных ландшафтах. Соотношение этих групп элементов в ландшафте дает представление о направлении его развития, генезисе и возрасте.
Генезис ландшафта - совокупность процессов, обусловивших его возникновение и современное динамическое состояние. Возникновение ландшафтов обычно связывают с ведущими факторами их формирования - с теми, которые вызывают смену одного ландшафта другим. Возникновение и формирование современных ландшафтов устанавливается с помощью палеогеографических, археологических и исторических методов, путем анализа морфологической структуры и процессов, которые характерны для ландшафта (Марцинкевич, 1986).
К сложным вопросам теории развития ландшафта относится вопрос о его возрасте. Возраст ландшафта нельзя отождествлять с возрастом его геологического фундамента или с возрастом суши, на которой он развивался. Совпадение возможно лишь в том случае, когда ландшафт формируется на молодых участках морского дна, обнажившихся уже в современную эпоху, например на площади бывшего дна Каспийского моря, которая осушилась в результате понижения его уровня. На таких новых территориях еще не успели смениться различные ландшафты, и мы наблюдаем первичные процессы их формирования, начало которых совпадает с выходом территории из-под уровня моря.
Теоретически возраст ландшафта определяется тем моментом, с которого появилась его современная структура, или, согласно В. Б. Со-чаве (1978), возраст ландшафта измеряется временем, прошедшим с момента возникновения его инвариантного начала. На практике установить такой момент крайне сложно, при этом новая структура сменяет старую не внезапно: процесс перестройки - от появления новых элементов до установления полного соответствия между компонентами - может быть длительным. Качественный скачок также имеет определенную продолжительность. В течение некоторого промежутка времени «старый» и «новый» ландшафты как бы перекрываются. Даже после катастрофических перемен между ними сохраняется известная преемственность, многие элементы прежнего ландшафта достаются в наследие новому, в него полностью переходит наиболее консервативный компонент - геологический фундамент, а также морфоструктурные черты рельефа, и долго могут сохраняться реликтовые почвы и биоценозы.
По А.Г. Исаченко (1991) отправным моментом для выяснения возраста современных ландшафтов может служить стабильность внешних зональных и азональных условий на протяжении определенного отрезка времени, в течение которого не наблюдалось сколько-нибудь заметных подвижек ландшафтных зон, сохранялся устойчивый тектонический режим, отсутствовали макрорегиональные колебания типа оледенения -межледниковья.
Одним из важных индикаторов при этом является почва. Зрелый почвенный профиль служит своего рода «памятью ландшафта», свидетельствуя об относительной устойчивости всех физико-географических факторов почвообразования в течение всего того времени, на протяжении которого формировалась данная почва. Для образования зрелой почвы требуется от нескольких сотен до нескольких тысяч лет. Например, возраст курского чернозема - около 3000 лет. Можно считать, что устойчивое существование современных ландшафтов с момента последней перестройки зонально-азональной среды, соответствует этому времени (Исаченко, 1991).