Геофизика ландшафта

Основные вопросы, рассматриваемые на лекции:

1. Определение геофизики ландшафта как науки.

2. Вертикальные и горизонтальные границы природно-территориальных комплексов.

3. Пространственные свойства ПТК

4. Природно-территориальные комплексы и время их существования

5. Анализ и синтез временных изменений характеристик ПТК

6. Основные источники энергии природных процессов в ландшафте

7. Радиационный баланс земной поверхности.

8. Водный баланс и водные режимы геосистем.

9. Уравнение связи водного и теплового балансов

10. Энергетическая продуктивность. Физико-географические факторы фотосинтеза

11. КПД фотосинтеза на локальном и региональном уровнях

12. Энергетические и биоэнергетические характеристики основных типов ландшафта

13. Физическая основа аэрокосмических методов

14. Физико-географические ландшафтно-геофизические модели геосистем

1. Определение геофизики ландшафта как науки.Геофизика ландшафта – раздел ландшафтоведения, в котором изучаются наиболее общие физические свойства, процессы и явления, характерные для природно-территориальных комплексов (Н.Л. Беручашвили, 1990). При этом ПТК рассматриваются как системы, состоящие из элемен­тарных структурно-функциональных частей и элементарных процессов функционирования, объединяющихся в более сложные образования, которые в геофизике ландшафтов исследуются через призму их физических свойств и характеристик.

Предмет геофизики ландшафта – общие физические свойства, процессы и явления в ПТК, элементарные части ПТК и элементарные процессы, а также геогоризонты и другие образования, которые возникают в результате синтеза этих частей и процессов в пространстве и времени.

К основным задачам геофизики ландшафта относится уста­новление, с одной стороны, закономерностей и особенностей взаимосвязи физических свойств, процессов и явлений в ПТК, а с другой—их связи с другими характеристиками ПТК. К по­следним относятся как раз характеристики, которые изучаются в отраслевых дисциплинах — геоморфологии, фитоценологии, почвоведении и других — и которые являются специфичными именно для данного компонента. Например, видовой состав растительности, рН, тип гумуса и многое другое.

Почему рассматриваемый предмет называется геофизикой, а не физикой ландшафтов. Приставка «гео» подчеркивает, что речь идет не о наиболее общих свойствах природы вооб­ще, а об общих свойствах географической оболочки.

Геофизика ландшафта– «уче­ние о физическом взаимодействии компонентов, т. е. учение о взаимодействии компонентов ландшафта, анализируемом на уровне и методами современной физики (Д. Л. Арманд, 1964)». Основную задачу этого предмета Д. Л. Арманд видит в изучении обмена ве­ществом и энергией между составляющими природу компонен­тами.

Общими для всех компонентов ПТК являются наиболее простейшие физические и химические свойства. Из физических свойств следует отметить массу, внутреннюю энергию, прост­ранственные и временные характеристики, оптические, радио­физические и многие другие свойства, изучаемые физикой.

Для детального рассмотрения физических свойств и процессов, протекающих в природно-территориальных комп­лексах требуется расчленение ПТК и его компонентов на элементарные структурно-функцио­нальные части, которые характеризовались бы однород­ностью в отношении физических свойств и процессов. Из этих частиц, как из «кирпичиков», можно сложить природно-территориальные комплексы и объяснить особенности его струк­туры.

Функционирование ландшафта — совокупность процессов обмена веществом и трансформации энергии в природно-терри­ториальных комплексах. Для того чтобы раскрыть физическую сущность (физические аспекты) этих процессов, необходимо их подразделить на ряд элементарных в физическом отношении процессов. Элементарные структурно-функциональные части и процессы функционирования объединяются в более крупные образования — геогоризонты, вертикальные структуры, состо­яния элементарных ПТК, которые при последующем синтезе формируют сложнейшую природную систему — ландшафт.

2. Вертикальные и горизонтальные границы природно-территориальных комплексов.Пространство природно-территориального комплекса оконтуривается его горизонтальными (точнее — территориальными) и вертикальными границами.

В каждом конкретном случае природно-территориальные комплексы имеют границы, которые можно отнести к кон­вергентным, дивергентным, градиентным или процессным. К дивергентным относятся границы, разделяющие потоки (воды, воздуха, минерального вещества и т. д.) и направляющие их в разные стороны. Они соответствуют водоразделам, гребням, осевым зонам максимумов атмосферного давления, другим обра­зованиям. Конвергентные границы, напротив, располагаются там, где сходятся потоки, происходит их конвергенция. К ним отно­сятся тальвеги, ложбины, осевые зоны минимумов атмосферного давления и др. Градиентные границы соответствуют зонам наи­большего изменения параметров, т. е. наибольшему градиенту. Процессные границы фиксируют смену процесса, например пере­ход от зоны преимущественно плоскостного смыва к зоне линей­ной эрозии.

По характеру выраженности границ выделяются следующие виды:

1. Четкие, если ширина переходной полосы намного меньше, чем протяженность ПТК.

2. Постепенные, если ширина переходной полосы соизмерима с протяженностью ПТК.

3. Экотоны — переходные полосы с постепенным переходом от одного ПТК к другому, когда точно установить местоположение границы разных ПТК крайне трудно.

В ландшафтоведении границы анализируются и с точки зрения их формы. Различают прямые, волнистые, пилообразные, зубча­тые, дендритные и другие границы.

Наиболее четко границы природно-территориальных комп­лексов выражены в приповерхностном слое, выше и ниже кото­рого различия по горизонтали между разными ПТК уменьшают­ся. Вместе с тем становятся более неопределенными и верти­кальные (верхние и нижние) границы ПТК более крупных таксономических рангов.

А. Ю. Ретеюм (1966) считает, что верхняя граница биогеоценоза чрезвычайно непостоянна и зависит от типа биоло­гического круговорота, радиационного баланса поверхности, ее шероховатости и метеорологических условий. У биогеоценоза с травяной растительностью она расположена на высоте от несколь­ких десятков сантиметров до нескольких метров. В лесных биогеоценозах эта же граница проходит на высоте нескольких десят­ков метров. Верхний ярус урочищ — приземный, или, как его иногда называют, квазистационарный слой воздуха. Поэтому высота верхней границы урочища колеблется от нескольких десят­ков метров до нескольких сотен. Ландшафт благодаря своим размерам обладает гораздо более мощным ярусом и охватывает пограничный слой атмосферы. Колебания высоты верхней гра­ницы лежат в пределах 0,8—2,0 км.

К. Н. Дьяконов (1971) для условий лесотундры считает, что верхняя граница ПТК должна выделяться по тому уровню, на котором исчезают горизонтальные различия между геосистемами. Поэтому в фациях с березовыми лесами (более точно — редко­лесьем) верхняя граница проходит на высоте 4—5 м.

Верхняя граница проявления внутриурочищных связей нахо­дится на высоте 7—9 м, и поэтому граница ПТК этого ранга проходит на этой высоте. Для определения нижней границы Дья­конов выбирает положение изотермы 0° (т. е. слоя мерзлоты в лесотундре). Различия между фациями наблюдаются до глу­бины 2 м, а урочищами до 4 м. К. Н. Дьяконов утверждает, что верхние и нижние границы отдельных компонентов, образующих ландшафт, одновременно являются границами проявления внутриландшафтных связей.

Противоположную А. Ю. Ретеюму и К. Н. Дьяконову точку зрения высказывает А. Г. Исаченко (1965), который пишет, что многие атмосферные явления (например, облачность, осадки и др.) независимо от того, на какой высоте они формируются, характеризуют в равной степени и зоны, и провинции, и ланд­шафты. Поэтому чисто теоретическое предположение, что с увели­чением таксономического ранга геокомплекса возрастает его верх­ний предел в атмосфере, неверно.

Горизонтальные гра­ницы ПТК хотя и являются комплексными, но в одних случаях хорошо дешифрируются по рельефу, в других — по растительно­сти или другим физиономическим (видимым) компонентам. Ана­логично, в основе выделения вертикальных границ могут нахо­диться то одни, то другие факторы. Искусство выявления природ­но-территориальных комплексов заключается именно в умении обнаружить и объяснить основные факторы дифференциации пространства.

Нижняя граница.В настоящее время господствует точка зрения, согласно ко­торой выдел (площадное распространение) биогеоценоза в подавляющем большинстве случаев соответствует выделу фации (Н. А. Солнцев, 1962; В. Б. Сочава, 1978). По определению, биогеоценоз — это биоценоз в совокупности с внешней средой, в значительной степени преобразованной этим ценозом. Эта сре­да в подземной части биогеоценоза соответствует почве, и, следовательно, нижняя граница должна соответствовать нижней границе почвы. М. А. Глазовская предлагает проводить эту границу по нижней границе распространения основной (более 99%) массы корней.

Существуют простые и сложные случаи выделения нижних границ фаций. При первых границы проводят по контакту двух разных коренных пород, границе коренных и аккумулятивных пород или мощных кор выветривания, по слою вечной мерзлоты или уровню грунтовых вод.

Рисунок 12.1 – Различные примеры положения нижней границы природно-территориальных комплексов («простые случаи»):

а — по контакту двух различных пород, б — по контакту коренной по­роды с аллювиальными, пролювиальньши и другими аккумулятивными породами, в — по уровню грунтовых вод; 1 — почва, 2 — аккумулятив­ные отложения, 3 — грунтовые воды, 4 — песчаники, 5 — известняки, 6— нижняя граница фации

1. Граница фации проходит по границе двух различных ко­ренных горных пород (например, песчаников и известняков; рис. 12.1, а).

2. Граница фации проходит по границе коренной горной породы (известняка, песчаника, гранита и т. д.) с породами аккумулятивного происхождения (аллювием, пролювием, коллювием и др.; рис. 12.1, б).

3. Граница фации проходит по уровню грунтовых вод. При этом имеется в виду наиболее глубокий в течение года уровень, а не сезонные колебания (рис. 12.1, в).

Во всех этих случаях граница хорошо выражена и связана либо со сменой геологического строения, либо с уровнем грунто­вых вод или же слоем вечной мерзлоты.

Иногда нижнюю границу следует проводить по слою постоянных температур в течение года. Имен­но до этого слоя проникает действие солнечной радиации за годичный промежуток времени. Горные породы и почва, находя­щиеся выше слоя постоянных температур, влияют на микрокли­матические процессы, протекающие в надземной части фации. В то же время положение этого слоя является важным свойством как литогенной основы, так и остальных компонентов ПТК. Это связано с тем, что плотность, влажность и химический состав горных пород определяют температуропроводность. А количество фитомассы и такие «внешние факторы», как солнечная радиация, атмосферная циркуляция и т. д., влияют на амплитуду темпера­туры поверхности почвы.

В ряде природно-территориальных комплексов критерий глу­бины нижней границы фаций — уровень, на котором затухают колебания температуры,— неприемлем, так как не является опре­деляющим для процессов функционирования ПТК. Например, в экваториальных ландшафтах, где амплитуда температуры воз­духа и почвы ничтожна, а глубина проникновения активного биологического, геохимического и других воздействий значитель­но больше, чем глубина «нейтрального» слоя. В этих случаях нижнюю границу фации необходимо проводить по глубине про­никновения этих воздействий.

Так как урочище представляет собой систему фации, то, естественно, его нижняя граница не может пройти выше, чем нижняя граница наиболее низко расположенной фации. Кроме того в урочище должны войти те горные породы, через которые осуществляется связь фаций данного урочища путем миграции вещества.

Особенно сложно определить нижнюю границу ландшафта. Так как ландшафт является набором урочищ, дифференциация которых, по определению (Солнцев Н. А., 1962), связана в основ­ном с рельефом, то нижняя граница ландшафта не должна пересекать границы входящих в него урочищ. Поэтому в ряде случаев целесообразным считается проведение границы ландшафта по нижней границе самого низкорасположенного урочища.

Кроме того, важно то, что в ландшафт должны войти все участки земной коры, которые вовлечены в миграционные связи в данном ландшафте, т. е. те участки, которые находятся в пределах геохимического сопряжения и объединяются в единое целое функциональными процессами, протекающими в ландшаф­те.

Верхняя граница фации проводится по тому слою, до которого еще чувствуется влияние конкретной фации на значения метеорологических элементов (большие градиенты изменения по вертикали температуры, влажности, скорости ветра, которые на один порядок превышают градиенты этих параметров в нижнем слое тропосферы). Следует подчеркнуть условность верхней границы ПТК. Природно-территориальные комплексы являются как бы «открытыми сверху», так как именно сверху поступает основная часть энер­гии и значительная часть веществ, необходимых для поддержа­ния функционирования ПТК.

Определение верхней границы природно-территориальных комплексов вызывает значительные затруднения, так как она непостоянна и быстро меняется в зависимости от погодных условий и состояния разных компонентов ПТК. Исключение составляет верхняя граница биогеоценоза, которая определяется высотой верхушек наиболее высоких растений. Это связано с тем, что, по определению, биогеоценозом является биоценоз и в зна­чительной мере преобразованная им внешняя среда. При определении верхней границы фации в первую очередь необходимо исследовать свойства воздушных масс. Для призем­ного слоя воздуха характерно наличие целого ряда специфиче­ских процессов — резкие суточные колебания, непериодические изменения метеорологических элементов, определенное содер­жание микрофлоры, фауны, минеральных частиц и т. д. В зави­симости от различных микрометеорологических и фитометрических условий растительного покрова выделяют три весьма услов­ных качественных аэродинамических слоя:

1. Смешанный слой турбулентности внутри растительного полога, находящийся вблизи поверхности почвы и испытываю­щий значительное влияние последней.

2. Турбулентный слой внутри растительного покрова.

3. Слой турбулентной атмосферы, непосредственно прилега­ющий к верхней границе растительности. В этом слое еще чувст­вуется влияние конкретной фации на характеристики метеороло­гических элементов. В частности, для него характерны значи­тельные градиенты изменения по вертикали температуры, влаж­ности, скорости ветра, которые почти на один порядок превыша­ют градиенты этих параметров в нижнем слое тропосферы.

Естественно, что в фацию должны войти все эти три слоя. Однако их положение будет чрезвычайно непостоянным и, что главное, часто будет наблюдаться «перекрытие», заключающееся в том, что свойства третьего, верхнего слоя будут определять­ся не только свойствами одного, но и лежащих иногда на значи­тельном расстоянии других природно-территориальных комплек­сов.

Верхние границы урочища и ландшафта не будут находиться ниже границы наиболее высоко расположенного природно-территориального комплекса в урочище или ландшафте. Кроме того, оконтуренная верхней границей часть урочища или ландшафта должна включать тот участок тропосферы, в котором происходят типичные для них местные процессы циркуляции воздуха.

3. Пространственные свойства ПТК. Площадь выявления — минимальная территория, на которой выявляются основные свойства фитоце­ноза: видовой состав, ярусность, обилие и т. д. Площадь выяв­ления меняется в довольно широких пределах и тесно связана как с видовым разнообразием растений, так с их высотой, разре­женностью и другими характеристиками растительной группи­ровки. В степных и луговых фитоценозах эта площадь составляет всего лишь несколько квадратных мет­ров, а в тропических лесах — до 1 км². Размер экспериментального участка, на котором производится изучение растительности, должен быть не меньше этой площади.

Характерная пло­щадь компонентов и природно-территориальных комплексов – средняя, типичная площадь конкрет­ного природно-территориального комплекса или компонента. Отклонение площади конкретных ПТК от их характерных площадей свидетельствует либо о благопри­ятном, либо об отрицательном, для данного природно-террито­риального комплекса, соотношении ландшафтообразующих факторов.

Фации можно классифицировать по отношению надземной части вертикального профиля к подземной. Эта величина нахо­дится в прямо пропорциональной зависимости от количества фитомассы. Чем больше фитомассы, тем больше отношение над­земной части фации к подземной (табл. 1).

Таблица 12.1- Классификация фаций по расстоянию от верхней до нижней границы (мощности)

К первой группе относятся фации с тропическими и реже с высокоствольными субтропическими лесами. Во вторую группу входят фации с высоким древостоем в тропических, субтропических и умеренных поясах. Третью группу составляют фации с ксерофитными лесами, лесотундрой и субальпийскими лесами, а также фации умеренных и субтропических районов с низким и средним по высоте древостоем. Четвертая группа объединяет почти все фации с травянистой формацией, а также фации с кустарниковой растительностью всех географических зон земного шара. К пятой группе относятся тропические и арктические пустыни и полупустыни.

С ландшафтно-геофизической точки зрения отношение над­земной и подземной части фаций не менее интересно. Это от­ношение меняется от 0,05 в пустынях до 0,1 в лугах и степях. В лесотундре, лесостепи и аридных редколесьях, а также в некоторых фациях с кустарниковой растительностью отношение надземной части профиля к подземной близко к единице, а в тропических лесах оно достигает 10—15.

В литературе по ландшафтоведению почти не рассматривался вопрос о соотношении вертикальной «мощности» (расстояния от верхней до нижней границы) и площади фаций. В равнинных странах, где расчленение рельефа сравнительно слабо, фации за­нимают сравнительно большие площади при относительно неболь­шой их мощности. Поэтому отношение К=М/С^1/2, где М — рас­стояние от верхней до нижней границы; С — площадь, значитель­но меньше 1.

В горных странах, наоборот, наблюдается значительное рас­членение рельефа и дробная дифференциация литогенной основы, поэтому площадь фации невелика; коэффициент К. в таких рай­онах близок или больше единицы. Это позволяет все фации разбить на три группы: 1) К<:1; 2) К=1; 3) К> 1.

Как уже говорилось, к фациям 1-й группы относятся ПТК равнинных территорий, а ко 2-й и 3-й — фации горных и холмистых районов с дробно-дифференцированной литогенной основой.