Функціонування, динаміка та розвиток ландшафтів.
Функціонування ландшафтів― це сукупність всіх процесів переміщення, обміну і трансформації речовини і енергії всередині ПТК або між різними ПТК як інтегральний фізико-географічний процес. Головними складовими функціонування ландшафтів являються: вологообмін, мінеральний обмін, газообмін, енергообмін і біогенний кругообіг.
Вологообмін називають "кровообігом ландшафту", оскільки складна система водних потоків пронизує ландшафт подібно кровоносній системі людини. За посередництвом потоків вологі відбувається основний мінеральний обмін між окремими складовими частинами ландшафту. Переміщення вологи супроводжується формуванням розчинів, транспортуванням і акумуляцією хімічних елементів; переважна більшість геохімічних реакцій відбувається у водному середовищі. Головними процесами вологообміну є випадіння атмосферних опадів, поверхневий стік, інфільтрація і підземний стік, підняття ґрунтових розчинів по капілярах і випаровування, транспірація, конденсація вологи в атмосфері і нове випадання опадів.
Мінеральний обмін в ландшафті відбувається під дією сили тяжіння і, на відміну від вологообміну, має вигляд спрямованих в один бік міграційних гравітаційних потоків, а не кругообігу. Мінеральні речовини мігрують в ландшафті у вигляді: 1) твердих продуктів денудації гірських порід, що переміщуються по схилах під дією сили тяжіння; 2) твердих продуктів вулканічних вивержень: 3) механічних домішок у воді (завислі наноси); 4) механічних домішок у повітрі (пил); 5) водорозчинних речовин, тобто іонів, що переміщуються з водними потоками і приймають участь в геохімічних і біохімічних реакціях.
Газообмін ― це переміщення, розчин і трансформація газоподібних речовин, а також циркуляція повітряних мас, яка супроводжується обміном речовиною і енергією.
Енергообмін являє собою кругообіг і трансформацію сонячної енергії. Сонячна енергія здатна перетворюватися в різні інші види енергії теплову, хімічну, механічну. За рахунок сонячної енергії відбуваються всі внутрішні процеси обміну в ландшафті, включаючи вологообмін і біогенний кругообіг. Забезпеченість сонячною енергією обумовлює інтенсивність функціонування ландшафтів. Добові і сезонні коливання кількості сонячної енергії обумовлюють основні цикли функціонування ― добовий і річний.
Біогенний кругообіг ― це процеси утворення і руйнування органічної речовини. Утворення органічної речовини із неорганічної здійснюється первинними продуцентами (вищими рослинами, водоростями і бактеріями) за рахунок сонячної енергії і називається фотосинтезом. Руйнування органічної речовини відбувається внаслідок поїдання рослин фітофагами, а фітофагів ― зоофагами, а також розкладання відмерлих органічних решток мікроорганізмами.
Кожний з п’яти головних процесів функціонування ландшафтів складається із численних елементарних процесів, які мають фізичний, хімічний або біологічний характер. Прикладами фізичних процесів функціонування є падіння крапель дощу, нагрівання чи охолодження земної поверхні, підняття ґрунтових розчинів по капілярах, випаровування. Прикладами хімічних процесів функціонування є механічна, водна, повітряна, біогенна та техногенна міграція хімічних елементів. І, нарешті, біологічними процесами функціонування є фотосинтез, розкладання органічної маси мікроорганізмами і т. ін.
Дослідження кожного з цих елементарних процесів методами відповідних наук ― фізики, хімії, біології ― дозволяє вивчити інтегральні процеси функціонування ландшафтів. Фізичні процеси функціонування вивчає геофізика ландшафту, хімічні ― геохімія ландшафту, біологічні біотика ландшафту (біогеоценологія) (дивися тему № 7). Дослідження здійснюються на комплексних географічних стаціонарах шляхом регулярних і багаторічних спостережень (дивися тему № 6).
Природні зміни ландшафтів.Процеси функціонування ландшафтів супроводжуються змінами просторової і елементної структури ПТК.
Кількісні зміни, які відбуваються в ПТК під дією природних і антропогенних факторів і не приводять до якісної перебудови його структури, називають динамікою ландшафтів.
Природні або спонтанні зміни характеризуються періодичністю і мають ритмічний або циклічний характер. Кожний цикл має свою тривалість в часі. Виділяють добові, річні і багаторічні цикли. В добових циклах виділяють нічні і денні фази, в річних ― сезонні осінні, зимові, весняні і літні фази.
Добові цикли пов’язані із зміною термічних умов, викликаних обертанням Землі навколо своєї осі. Зміна кількості сонячної енергії відображується на температурі і вологості повітря, а через ці метеорологічні елементи ― і на інших компонентах ПТК. Це, в свою чергу, викликає пульсацію вертикальних (конвективних) і горизонтальних потоків повітря, почасти також атмосферних опадів (наприклад, післяполуденні дощі в екваторіальних широтах), процесів замерзання та танення, фізичного вивітрювання, фотосинтезу і т. ін.
Річні цикли в динаміці природних явищ пов’язані з положенням Землі відносно Сонця та нахилом земної осі і обумовлені різною кількістю сонячної енергії по сезонах року. Влітку, внаслідок максимальної кількості сонячної енергії, процеси в ПТК протікають інтенсивно. Взимку, навпаки, відбувається затухання функцій ПТК. Навесні інтенсивність процесів функціонування зростає, восени ― зменшується.
Багаторічні цикли в динаміці ПТК пов’язані з циклами активності Сонця і відбуваються з інтервалами в 5-6, 11, 22, ЗО, 60, 90, 180, 900 і навіть 1850 років і більше.
Розглядаючи динаміку ПТК, її ритмічні прояви, не можна обійти неритмічні, тобто імпульсивні зміни станів ПТК. До них відносяться зміни, викликані землетрусами, виверженнями вулканів, тайфунами, обвалами в горах і т. д. Ці процеси часом різко змінюють стан ПТК, Іноді докорінно руйнують його, отже виходять за межі динаміки. Тобто слід розрізняти два типи змін ПТК, які називають зворотними і незворотними.
Зворотні зміни ― це добові і річні зміни, які, за виразом Л.С.Берга, "не вносять нічого нового в усталений порядок речей", а також зміни катастрофічного характеру (наприклад, зміни, викликані землетрусами), після яких ландшафт відновлюється приблизно до того стану, в якому він був до катастрофи. При незворотних змінах "повернення до минулого стану не відбувається".
Зворотні зміни ― це кількісні зміни, вони не призводять до якісної перебудови ПТК. Зворотні зміни відбуваються, як відмітив В.Б.Сочава [298], в рамках одного інваріанту, на відміну від незворотних, якісних змін, які ведуть до зміни інваріанту ПТК. Інваріантне начало зберігається незмінним при будь-яких динамічних перетвореннях. При цьому під інваріантом розуміється стійка послідовна зміна станів ПТК як його структурних елементів.
Стан ― це положення, в якому знаходиться той чи інший ПТК на даний момент. Певна сукупність станів складає інваріант ПТК або його часову динамічну структуру, динамічний ряд, тоді як незворотні зміни складають еволюційний ряд розвитку ПТК. Останній В.Б.Сочава образно порівнює з кінематографічною стрічкою. Кожний кадр такої стрічки відповідає певному інваріанту і містить певну кількість перемінних структур. Перехід одного інваріанту в другий (зміна кадру) ― це вже прояв еволюційного розвитку природного середовища.
Уявлення про динаміку геосистем як зміну станів ПТК в рамках одного інваріанту має відношення насамперед до фацій. Сукупність всіх станів фації, тобто "інваріант з перемінними станами, які відносяться до нього" В.Б.Сочава запропонував називати епіфацією.
Перемінні стани фації ― це різні модифікації її корінної структури, які виникають або спонтанно, або під впливом людини. В першому випадку створюються серійні фації, які являють собою звичайно недовговічні геосистеми, що заступають одна одну. Такі фації створюють серійний ряд, а процес зміни станів В.Б.Сочава назвав сукцесією геотстем. Зрештою серійні фації, що пройшли ряд сукцесійних змін, досягають еквіфінального стану. В.Б.Сочава розрізняє три варіанти еквіфінального стану фації: 1) корінна фація ― відносно стійкий динаміч-
ний стан при гармонічному розвитку компонентів; 2) умовно корінна гііаиія ― звичайно близька до корінної і відрізняється від неї лише тим, що за браком часу ще не прийшла в рівновагу як всередині себе, так і з зовнішнім оточенням; 3) удавано корінна (квазікорінна) фація ― це фація яка змінена порівняно з корінною внаслідок довготривалого гіпертрофованого впливу якого-небудь фактору.
Тому динаміку можна визначити як зміну станів ПТК в рамках одного інваріанту, в той час як розвиток є зміною самого інваріанту.
форми динаміки ландшафтів поділяють на природні і антропогенні (за факторами, що викликають зміни), ритмічні та імпульсивні (за характером зміни станів), добові, річні і багаторічні (за тривалістю змін).
Антропогенні зміни ландшафтів.До поняття динаміки природних комплексів звичайно відносять всі зміни, викликані впливом людини. Вплив людини викликає різноманітні порушення у функціонуванні ПТК і змінює їхню структуру. Наприклад, при розорюванні земель порушується ґрунтовий покрив, знищується і замінюється на культурну природна рослинність, що впливає на режим підземних вод, мікроклімат, викликає ерозію ґрунтів. Ще більші зміни в ПТК викликають гірськопромислова і містобудівна діяльність людини.
Всі компоненти, які складають ПТК, відчувають вплив антропогенної діяльності. Деякі дослідники вважають, що достатньо змінити будь-який природний компонент, щоб створився новий, антропогенний ПТК, а оскільки господарський вплив прямо або опосередковано зачепив майже всю поверхню Землі, на ній вже практично не залишилось природних ландшафтів, майже всі вони заміщені антропогенними.
Так, згідно з Ф.М.Мільковим, достатньо змінити, наприклад, ґрунти або тваринний світ, щоб ландшафт "автоматично та негайно перетворився на антропогенний". Антропогенні ландшафти він поділяє на сільськогосподарські, селитебні (малоповерхові і багатоповерхові), промислові, водні, лісокультурні, шляхові та ін. Інші автори, послідовники Ф.М.Мількова, серед антропогенних ландшафтів згадують "рисові ландшафти", "чайні ландшафти" і т. ін.
Якщо погодитися з такою точкою зору, то згідно з уявленнями про динаміку і розвиток ПТК, зміни, які відбуваються в ПТК внаслідок антропогенного впливу, є незворотними. Тобто такими, що призводять не До зміни одного стану ПТК іншим в рамках одного інваріанту, а до зміни самого інваріанту. Тобто це не динамічні, а еволюційні зміни.
Ландшафтознавці, прихильники теорії нерівнозначності природних компонентів-факторів, вважають таку точку зору на роль антропогенного фактору в динаміці і розвитку ПТК помилковою. По суті те, що
Ф.М.Мільков та його послідовники називають антропогенним ландшафтом, це, на думку А.Г.Ісаченко, лише різні прояви людської діяльності в ландшафті, які поділяються на дві групи: 1) типи використання земель або угіддя (поля і плантації з рисом, овочами і т. д., пасовища, сади і т. ін.); 2) інженерні споруди (мало- і багатоповерхові будинки, дорогі, греблі, водосховища і т. ін.). Від того, вважає А.Г.Ісаченко, що до кожного з них ми додамо слово "ландшафт", тобто перейменуємо населені пункти в селитебні ландшафти, або, скажемо, поле гороху в гороховий ландшафт, ні наука, ні практика нічого не виграють.
На доказ А.Г.Ісаченко приводить такий приклад. Розорювання степів і руйнування дернини, яка затримувала сніг і воду і захищала ґрунти від морозу і вітру, зробили степові ландшафти ерозійно-нестійкими. Наслідком цього стало зниження рівня ґрунтових вод і зменшення загальних запасів вологи. Землеробство супроводжувалося відчуженням поживних речовин із зібраним урожаєм і зменшенням кількості гумусу з 9-10 до 4-5 %, що призвело до зниження родючості степових ґрунтів. Але ж в степу після розорювання зовсім не зникли ті зональні фактори, які обумовлюють степовий клімат або наявність чорноземів. Нарешті, в цій "польовій" зоні продовжують вирощувати пшеницю і соняшник, а не льон, чайний кущ або кокосову пальму.
Звідси слідує, що: 1) теорія нерівнозначності природних компонентів-факторів вірна і геоматичні компоненти ПТК зберігають свої якості навіть при знищенні біотичних; 2) при оцінці ступеню антропогенного впливу на ПТК слід враховувати їх таксономічний ранг: чим він вищій, тим вища стійкість ПТК по відношенню до зовнішнього впливу, тим більша здатність ПТК до зберігання своїх головних властивостей.
Літогенна основа рівнин, повітряні маси відносно консервативні до зовнішнього впливу, біотичні компоненти ― дуже чутливі, але в той же час здібні до саморегулювання, відновлення. Перетворення або навіть знищення останніх не зменшує потенційної здібності ПТК до відновлення характерних для нього типів рослинності або тваринного світу і викликає лише часткову зміну структури ПТК, оскільки літогенна основа і повітряні маси залишаються колишніми і слабко реагують на перебудову біоти.
В більшості випадків антропогенно-обумовлена динаміка ― це зміни в принципі зворотні, поки зачіпають головним чином біоту, яка здатна до відновлення. Але наслідки впливу людини на ПТК набувають більш стійкого і навіть незворотного характеру, якщо: а) напрямок цього впливу співпадає з незворотними природними процесами і посилює їх (наприклад, заболочування, яроутворення і т. д.; б) вплив людини відбувається на ведучі фактори ландшафтоутворення (терасування схилів створення кар’єрів, териконів і т. д.); в) відбувається екологічно еквівалентна заміна одних біоценозів іншими. Тому до оцінки полі антропогенного впливу краще за все підходити з’ясувавши спочатку тенденції їхнього природного розвитку, оскільки, наприклад, схильність ПТК до певних змін може дуже легко привести до переоцінки значущості "поштовху" з боку людини.
На думку В.Б.Сочави, під впливом антропогенного фактору створюються похідні модифікації корінної фаціальної структури, які формують ряди трансформації. Похідні модифікації можуть бути відносно короткочасними або довготривалими, але також мають тенденцію, проходячи ряд сукцесійних змін, повернутися к еквіфінальному стану.
Таким чином, антропогенні зміни ландшафтів ― це зворотні у більшості випадків зміни і є не чим іншим, як короткочасними або довготривалими похідними модифікаціями їх корінної структури при зміні "слабких" біогенних компонентів природи. Лише корінна зміна "сильних" геоматичних компонентів природи призводить до змін незворотного характеру.
А.Г.Ісаченко вважає, що в залежності від ступеню впливу господарської діяльності слід розрізняти змінені та умовно змінені ландшафти. До останніх віднесені ПТК, які не відчували безпосередньо господарське використання. Змінені ландшафти поділяються на: 1) слабозмінені ― господарська діяльність в них зачепила лише окремі компоненти, але основні природні зв’язки залишились непорушеними; 2) порушені (сильно змінені) ― такі, що піддавались довготривалому господарському використанню, яке призвело до порушення структури комплексу та прояву таких негативних процесів, як ерозія, дефляція, заболочування, засолення, забруднення вод і т. д.; 3) перетворені ― такі, в яких природні компоненти цілеспрямовано змінені в інтересах суспільства.
П.Г.Шищенко запропонував п’ятиступеневу шкалу перетвореності ландшафтів: 1) слабо перетворені; 2) перетворені; 3) середньо перетворені; 4) сильно перетворені; 5) дуже сильно перетворені.
Стійкість ландшафтів.Динамічні прояви, накопичуючи кількісні зміни, кінець кінцем сприяють перебудові структури ПТК. Проте, як правило, це довготривалий процес, який реалізується в ході істор чного розвитку. "Природний ландшафт сприймає втручання людини Щось зовнішнє, намагається "відторгнути" чужі для нього елементи і має тенденцію повернутися до свого первісного стану". При значних порушеннях структури ефективність саморегуляції ПТК знижується. Проте повною мірою вона не може бути усунена. При збереженні геоматичних складових ― літогенної основи і регіональних особливостей клімату ― корінна структура ландшафту завжди має шанси відновлюватися в тій чи іншій мірі. Це лише питання часу.
Здатність ПТК повертатися до свого вихідного стану складає його важливу властивість ― стійкість. При цьому стійкість ландшафтів не слід розуміти лише як властивість відновлюватися після впливу антропогенних факторів. Дія природних факторів також "регулюється" механізмом стійкості.
Під стійкістю ландшафтіврозуміється властивість ПТК зберігати значення своїх якісних і кількісних параметрів (свій інваріант) у певних "порогових " межах при впливі зовнішніх природних і антропогенних факторів. Стійкість, таким чином, визначається по відношенню до будь-якого навантаження на ландшафт.
Показником стійкості ПТК являються властивості геоми і біоти, які його складають, а також речовинно-енергетичного обміну, який їх зв’язує. Так, при оцінці ПТК з точки зору схильності до ерозії показниками стійкості ПТК являються умови рельєфу (крутизна, довжина, форма і експозиція схилів; глибина і густина ерозійного розчленування), геологічні умови (стійкість гірських порід до розмиву, особливості нашарування гірських порід), ґрунтовими умовами (протиерозійна стійкість, водопроникність), ґрунтозахісною роллю рослинності.
Стійкість ПТК прямо пропорційна їхньому таксономічному рангу: чим вищий ранг ПТК і, відповідно, складніша його структура, тим більша його стійкість. Це витікає із положення теорії систем, відповідно з яким система, яка складається із більшого числа елементів, буде, за інших однакових умов, і більш стійкою. Найменш стійкими є природні комплекси локального рівня. Вони невеликі за розмірами, з відносно простою структурою, і можуть бути повністю перебудовані. ПТК регіонального рівня значно більш стійкі і здібні зберігати свої суттєві якості (геологічний фундамент, рельєф, клімат) при впливові будь-якої інтенсивності. Планетарні ПТК ще більш стійкі. Проте необхідно взяти до уваги, що внаслідок вертикальних і горизонтальних взаємозв’язків в географічній оболонці сумарний ефект локального впливу може набути, врешті- решт, регіонального і навіть планетарного значення.
Розвиток ландшафтів.Якісні, незворотні зміни ПТК, які супроводжуються перебудовою структури ПТК, називаються розвиткомабо еволюцією ландшафтів.
Динамічні зміни в ПТК характеризуються періодичністю і зворотністю а еволюційні ― спрямованістю і незворотністю. Під незворотністю еволюційних змін розуміють обов’язкову і незворотню зміну властивостей ПТК у ході його еволюції, на відміну від динамічних змін, які є лише сукцесіями і не виходять за межі притаманних цьому ПТК властивостей. Окремі цикли динамічних змін в ПТК можна порівняти з витком спіралі. Кожний новий виток просовує ПТК в поступальному русі. Поступальний рух або спрямованість еволюційних змін є обов’язковою умовою розвитку будь-яких природних систем. Під нею розуміють етапність еволюційних змін, тобто властивість історії розвитку поділятися на окремі самостійні відрізки часу ― етапи. Кожний етап ― це окремий цикл динамічних змін, виток спіралі. В регіональному ландшафтознавстві це питання досліджувалося В.О.Ніколаєвим, який шляхом палеогеографічних реконструкцій виділив окремі етапи розвитку азіатських степів СРСР. Ще докладніше це питання вирішив у палеоландшафтознавстві М.Ф.Веклич. Він обґрунтував хронологічну схему із 16 палеогеографічних етапів. Вони різні за розміщенням зональних типів ландшафтів і різні за тривалістю, але характеризуються однаковістю фізико-географічних умов в межах своєї тривалості.
М.Д.Гродзинський розглядає ще три загальні закономірності еволюційних змін геосистем: прогресивність, довготривалість і спадкоємність. Прогресивність еволюційних змін він розуміє як спрямованість на формування нових геосистем, а не на повторення тих, що вже були. Але в такому розумінні ця риса лише повторює іншу ― незворотність, що позбавляє сенсу її використання. Довготривалість еволюційних змін розуміється як властивість геосистем змінюватись лише після того, як мине значний відрізок часу. На думку М.Ф.Веклича, тривалість окремого еволюційного етапу не може бути меншою, ніж 500років, а для геосистем регіонального рівня, за В.О.Ніколаєвим, вона становить декілька тисяч років. Спадкоємність еволюційних змін розуміється як нерозривний зв’язок нової геосистеми з попередньою. Тобто новоутворена геосистема не є чимось абсолютно новим і поряд з новими властивостями обов’язково зберігає частину старих.
Розглядаючи це питання, Б.Б.Полинов встановив, що в кожному ландшафті представлені різновікові елементи: реліктові, консервативні і прогресивні. Реліктові елементи збереглися від минулих епох. Урочища, які сформувалися на цих елементах, вказують на попередню іс торію ландшафту. Реліктовими можуть бути форми рельєфу (наприклад, льодовикові), елементи гідрографічної сітки (наприклад, сухі русла річок і улоговини озер в пустелі), біоценози і ґрунти (наприклад, степові угрупування з відповідними ґрунтами в тайзі і т. п.). Консервативні елементи знаходяться в повній відповідності до сучасних природних умов. Вони складають значну частину морфологічних одиниць ландшафту. Прогресивні елементи підкреслюють особливості розвитку ландшафтів, відображують зміни, які в ньому зароджуються, вказують на тенденції розвитку. Прикладом прогресивних елементів можуть бути острівки лісу в степу, ерозійні форми рельєфу в моренних ландшафтах і т. д. Тому І.І.Мамай включає в поняття "розвиток ландшафтів" і зворотні, і незворотні зміни ландшафтів і пропонує виділяти три основні фази розвитку: 1) зародження і становлення ПТК, 2) стійке існування і повільний розвиток; 3) припинення розвитку.
Механізм розвитку ПТК полягає в поступовому кількісному накопиченні елементів нової структури, наприклад нових морфологічних одиниць, і витісненню елементів старої структури, що врешті-решт призводить до якісної зміни, тобто перетворенню одного ПТК в інший.
Відрізок часу, з початку і до кінця якого ПТК функціонує в умовах однієї структури, називають віком ПТК. Вік ПТК обчислюється з того моменту, коли в ньому склалися як геоматичні, так і відповідні до них біотичні умови. Якщо встановити вік ПТК, можна визначити напрямок і стадію його розвитку.
Час, за який змінюється структура, залежить від рангу ПТК. Найбільш швидко змінюються фації. Аномально швидка зміна структури ПТК можлива внаслідок яких-небудь стихійних (землетруси, виверження вулканів тощо) або техногенних процесів. Але раптова кардинальна зміна структури ПТК розглядається не як еволюційна, а як катастрофічна.
З поняттям "розвиток ПТК" безпосередньо зв’язано поняття "саморозвиток ПТК"під яким розуміють властивість ландшафтів поступово змінюватись і без впливу зовнішніх факторів внаслідок незупинної взаємодії компонентів, тобто функціонування ландшафтів. Так, В.В.Докучаев показав, що озеро навіть при постійних стоку та інших важливих зовнішніх умовах поступово мілішає і в кінці кінців неминуче щезає, тобто перетворюється в комплекс іншого типу ― болото, солончак тощо. Саморозвиток ландшафту протікає відносно повільно і рідко виражений "в чистому вигляді", тому що на нього накладаються зміни, які викликані зовнішніми впливами. І внутрішні, і зовнішні чиннику впливу складним чином переплітаються і розділити їх буває нелегко.