Пространственная структура
Пространственная структура ландшафта может быть охарактеризована, во-первых, как топологическое сочетание соседних внутриландшафтных подсистем, часто связанных стоком, а во-вторых, как сочетание вертикальных ярусов, связанных в первую очередь гравитационным переносом вещества и энергии. Именно такое сложное пространственное устройство ландшафта обеспечивает его функционирование.
Чтобы получить представление о пространственной структуре, необходимо вычленить каркас из горизонтальных подсистем и вертикальных ярусов, установить закономерности распределения потоков вещества и энергии, выявить места расположения основных внутриландшафтных барьеров (включая геохимические) и различные канализирующие и потенциально движущиеся элементы.
Обычно входящие в состав ландшафтной геосистемы горизонтальные подсистемы закономерно сочетаются друг с другом, либо характерным образом повторяются в пространстве. Этим объясняется то, что в ландшафте объединены свойства однородных и дополнительных систем.
Чаще всего в качестве горизонтальных подсистем разного ранга выделяют урочища и фации. Урочище — это сопряженная система фаций, сложившихся на отдельной мезоформе рельефа или плакорном (междуречном) участке на однородном субстрате и объединяемых общей направленностью переноса вещества, энергии и информации (воды, воздуха, твердого материала и т. д.).
Фация (эпиморфа, микроландшафт, элементарный ландшафт или природно-территориальный комплекс, биогеоценоз) характеризуется одинаковой на всем пространстве литологической основой, рельефом и увлажнением, одним микроклиматом, одной почвой и одним биоценозом; ее не пересекает ни один географический рубеж. Обычно границы фации проще всего очертить либо по изменению почвенно-растительного покрова, либо по переломам рельефа.
Пространственная структура ландшафта может быть расчленена на латеральную и вертикальную. Первая включает не только такие достаточно крупные (площадные) образования, как урочища и фации, но и внутрифациальные (часто биогенные) образования типа синузий, консорций, парцелл. Вторая отражает наличие в ландшафте геогоризонтов, или ярусов, — сравнительно однородных слоев, характеризующихся рядом ландшафтно-геофизических признаков и играющих определенную функциональную роль.
Пространственное устройство любого ландшафта обусловлено наличием разнообразных потоков переноса вещества и энергии, обеспечивающих связи как внутри него, так и с соседними ландшафтами. Эти потоки могут быть вертикальными (например, опадание листвы деревьев), латеральными (движение воздуха) и склоновыми (как и вертикальные — преимущественно гравигенные: обвалы, осыпи, водный сток и т. п.). В основном потоки идут сверху вниз. При развитых биотических компонентах существуют и явные потоки в противоположном направлении, связанные с биогенными миграциями, хотя часто последние носят ярко выраженный латеральный характер.
Склоновые потоки приводят к формированию стоковых серий, или катен в широком смысле. Катены могут быть прослежены на разных масштабах (от внутрифациального до бассейнового), но независимо от их размера все они — результат эволюции географической оболочки Земли.
В пределах стоковой серии, как правило, можно выделить: автономные (элювиальные), транзитные (трансэлювиальные) и аккумулятивные позиции. Первые из них связаны с плакорами и верхними частями склонов в горах. Эти ландшафтные позиции зависят почти исключительно от того потока веществ, который выпадает с осадками.
Транзитные позиции зависят от автономных, поверхностный и грунтовый сток которых может обеспечивать лежащие ниже геосистемы не только дополнительным количеством воды, но и другими химическими элементами. Конкретные особенности транзитных выделов определяются крутизной склонов и характером почвенно-растительного покрова (он часто ксеротизирован). Аккумулятивные позиции — в самом низу стоковой серии — наиболее зависимы от вышележащих геосистем.
Склоновые потоки могут четко проявляться даже при очень небольшом уклоне, особенно тогда, когда выпадает довольно много осадков, а почвенно-растительный покров нарушен.
На стоковой серии можно выявить разного рода барьеры и узловые структуры, которые приводят к существенному изменению характера стока. Нарушения в автономных или транзитных ландшафтах либо в барьерно-узловых структурах катен, как правило, вызывают серьезные нарушения в выделах, лежащих ниже по стоковой серии.
На рисунке схематично показано взаиморасположение элементарных ландшафтов, выделяемых по особенностям миграции и концентрации химических элементов, определяемым рельефом.
Экологическая стабильность ландшафтов, их устойчивость к антропогенным воздействиям обеспечивается в первую очередь природным разнообразием, сохранение которого – основная цель оптимизации существующих природных комплексов.
Ландшафт характеризуется типом пространственной мозаики, образующей вполне определенный тип рисунка. Кроме площадных пространственных структур для естественных и антропогенных ландшафтов характерны линейные (перегибы склонов, трещины и т.п.), с ними часто связаны геохимические барьеры (Перельман, 1987).
Зачастую сложно установить границы как собственно ландшафтов, так и внутриландшафтных выделов. Можно выделить практически все возможные варианты границ, начиная от очень четких и резких и кончая постепенными, континуальными переходами. Часто прослеживаются своеобразные переходные полосы, так называемые экотоны. Но независимо от характера границы ее размерность, как правило, меньше размерности тех объектов, которые она разделяет.
Предложено различать следующие типы границ (Беручашвили, 1980):
дивергентные — где потоки переноса вещества, энергии и информации расходятся (водоразделы);
конвергентные — где такие потоки сходятся (тальвеги долин);
градиентные — связанные с изменением условий (например, температур);
процессные — приуроченные к полосам смены одного типа процесса другим (например изменение характера эрозии).
1 - 2 -
 |  |  | |  |  |  |  | | |||||||||
э(а) э-а а-э э-а э (а) тэ э-а н (са) са
 | |||||||||
 | |||||||||
 |  | ||||||||
 | |||||||||
Уровень грунтовых вод
| Загрязнители, вовлеченные в круговорот, поступают преимущественно из атмосферы или вносятся целенаправленно (например, удобрения и химикаты на поля). Преобладают процессы накопления загрязнителей, поступающих из атмосферы, и вынос загрязнителей поверхностными и подземными водами в транэлювиальные комплексы. | Преобладают процессы сноса загрязнителей, поступивших из атмосферы, вынос загрязнителей поверхностными и подземными водами, а также внос загрязнителей водными потоками из комплексов элювиального типа. | Преобладают процессы накопления загрязнителей, поступающих из атмосферы и с водными потоками из вышележащих по профилю ландшафтов, наряду с выносом загрязнителей в аквальные комплексы. | Преобладают процессы выноса загрязнителей, поступающих из атмосферы, но идет активное поглощение загрязнителей, поступающих с водными потоками из всех вышележащих комплексов. |
| Менее устойчивы к атмосферному загрязнению и более устойчивы к загрязнению поверхностных и грунтовых вод. | Более устойчивы к атмосферному загрязнению и неустойчивы к загрязнению природных вод. Это аккумуляторы загрязнителей в почве и водоемах. |
Элементарные ландшафты, выделяемые по особенностям миграции и концентрации химических элементов, определяемым рельефом
основные: э (а) – элювиальный (автономный);
н (са) – надводный (супераквальный); са – субаквальный;
переходные: тэ – трансэлювиальный; э-а – элювиально-аккумулятивные;
а-э - аккумулятивно-элювиальные.
1 – поступление веществ в ландшафт (из атмосферы, грунтовых вод),
2 – удаление веществ из ландшафта в атмосферу, грунтовые и поверхностные воды.
Более сложным является вопрос о вертикальных границах геосистем. Пока нет общепринятых критериев для их выделения. Очевидно, что толща ландшафта должна быть не меньше слоя, постоянно заселенного растениями и животными. Кроме того, кроны растений оказывают влияние и на примыкающую сверху прослойку воздуха, а их корни, почвообитающие грибы и животные, как и почвенные воды, воздействуют на нижние горизонты почв вплоть до подстилающих горных пород (Беручашвили, 1980).
Зарубежные ландшафтные экологи четко выявляют картину пространственной гетерогенности. Как правило, выделяются такие пространственные образования, как пятна (patch), разрывы (gap), барьеры (barrier), края (edge), коридоры (corridor) и т. п., а также описываются потоки (flux), которые их объединяют. Преобладающий тип сообществ образует так называемую матрицу (matrix).
Временная структура
Временные характеристики ландшафтов могут быть очень разными. Так, по В.Н.Солнцеву (1981), для геосистем следует выделять, во-первых, характерное время: для равновесных систем — время возвращения к равновесному состоянию после отклонения от него, а для колебательных — полный период колебания; во-вторых, минимальное время: для равновесных систем — период микрофлуктуации в процессе отклонения от равновесия, а для колебательных — полный период микроколебания на протяжении характерного времени; в-третьих, так называемое полное время, включающее непрерывный и достаточно представительный ряд характерных времен. Характерное время как ландшафтная характеристика является наиболее важным, так как именно оно позволяет понять все основные особенности функционирования ландшафта как геосистемы.
Состояние ландшафта может быть переменным и эквифинальным (в том числе коренным, или климаксным, условнокоренным и квазикоренным). Переменное состояние обычно соответствует промежуточному положению в сукцессионном ряду, или серии. Эквифинальным же является состояние, завершающее направленное развитие. Наблюдаемое состояние ландшафта (т.е. вид и параметры в фиксированный момент времени или в фиксированной точке пространства), по образному выражению В.Н.Солнцева, — это "спрессованное время" (1981).
Можно различать стабильность — продолжительное, практически неизменное состояние системы — и динамическую устойчивость — закономерное изменение ее динамического состояния (Исаков и др., 1980). И то, и другое обеспечивается в первую очередь совокупностью следующих трех видов ландшафтной "памяти" (Арманд, 1988):
1) общим генофондом биотических компонентов,
2) консервативными элементами среды (преобразованной биотой),
3) "памятью исходного экотопа" (по Тишкову, 1992) (т.е. совокупностью исходных абиотических факторов, ограничивающих возможности существования тех или иных видов живых организмов).
Далее под устойчивостью будет пониматься способность системы противостоять внешним и внутренним возмущениям, сохраняя равновесное или гомеостатичное состояние, а также структуру и направление движения в течение относительно продолжительного времени, сравнимого с характерным временем изменяющих систему процессов (Механизмы…, 1992).
Под динамикой ландшафта понимают все типы временных процессов, которые характерны для геосистем этого ранга. Часто различают собственно динамику, т.е. все обратимые изменения, и развитие — изменения, которые носят направленный характер. В общем можно говорить о динамике геосистем, в том числе ландшафтов, как о временных изменениях любого типа и характера, в отличие от стабильного (неизменного) состояния системы. Различают следующие динамические процессы:
– флуктуации — ненаправленные и сравнительно краткосрочные изменения без смены элементов;
– сукцессии — направленные постепенные изменения в результате внешних и внутренних причин, при которых не возникают принципиально новые геосистемы; биотические компоненты при этом могут меняться очень сильно;
– эволюция — направленные постепенные изменения, приводящие к формированию принципиально новых геосистем;
– нарушения, или катастрофы, — скачкообразные изменения, обычно связанные с внешними воздействиями.
Во многих случаях довольно сложно разграничить флуктуации, сукцессии и эволюцию ландшафтов. Л.С.Берг (1931) писал об обратимых и необратимых сменах ландшафтов, включая в первые не только флуктуации, но и некоторые типы сукцессии. Мы часто наблюдаем постепенное эволюционное изменение геосистем в результате деятельности человека. Примером тому является так называемая африканизация американских прерий (т.е. широкое распространение и местами преобладание злаков африканского происхождения).
В действительности динамические процессы в связи с инерционностью ландшафтов обычно являются квазипериодическими. Поскольку антропогенные воздействия могут быть очень разными, невозможно выделить такой тип динамики, как направленное преобразование экосистем человеком. Как правило, соответствующие изменения могут быть соотнесены с описанными выше типами динамических процессов.
Существующие классификации сукцессии довольно сложны и разнообразны. Прежде всего можно выделить первичные и вторичные сукцессии: первичные начинаются с оголенного субстрата, т.е. по сути дела с "чистого листа", вторичные связаны с нарушенной геосистемой, в которой сохранился хотя бы один, а чаще несколько блоков.
Кроме того, различают так называемые дигрессионные и демутационные сукцессии: дигрессия (деградация) — процесс, обычно противоположный нормальной сукцессии развития, связанный с упрощением структуры геосистем и часто приводящий к их конвергенции; демутация — это восстановительная сукцессия, обычно (но не всегда) эквифинальная с нормальной сукцессией развития.
Для разных типов восстановительной сукцессии используют термины: постэксарационная (для залежной сукцессии) и постпирогенная (для сукцессии, начинающейся на пожарищах).
В каждой сукцессии можно выделить инициальные (начальные) и терминальные (конечные) стадии — обычно климакс или антропогенный субклимакс. Пионерным видам, заселяющим ландшафты на начальных стадиях сукцессии, обычно свойственно минимальное характерное время, в течение которого вид осваивает новую территорию.
Можно говорить, что каждая природная зона, регион или даже конкретный тип ландшафта характеризуется наличием определенной сукцессионной системы. В большинстве случаев сукцессионные ряды заканчиваются климаксными экосистемами, но климакс может быть не один, а кроме того, далеко не всегда сукцессионный процесс (на который, в частности, накладываются флуктуации) доходит до финальной стадии.
Существуют так называемые антропогенные субклимаксы — устойчивые состояния ландшафтов, связанные с деятельностью человек. Примеры таких субклимаксов — верещатники атлантической Европы, суходольные луга, пирогенные сосняки.
Для реконструкции картины сукцессионных процессов важно также представление о ландшафтно-генетических рядах, основанное на использовании принципа пространственно-временных аналогов, или эргодичных преобразований, т.е. на выявлении пространственных рядов ландшафтов, отражающих их смену во времени. По мнению А.С.Викторова (1986), широко распространены ряды, члены которых сопряжены в пространстве в той же последовательности, в которой они сменяют друг друга во времени.