Розділ 5 Функціонування, динаміка і розвиток ландшафтів

5.1 Функціонування ландшафтів. Функціонування ландшаф­тів – це сукупність усіх процесів переміщення, обміну і трансформа­ції речовини й енергії всередині ПТК (вертикальні потоки) або між різними ПТК (горизонтальна міграція). Якщо первинною ланкою для аналізу вертикальної (радіальної) міграції (зв’язків) слугує фація, то для виявлення горизонтальних необхідно досліджувати ландшафти в цілому.

Головні складові функціонування ландшафтів такі:

1) вологообмін; 2) мінеральний обмін; 3) газообмін; 4) енергообмін; 5) біоген­ний кругообіг та ін.

Процес вологообміну (кругообіг вологи) включає випадання ат­мосферних опадів, поверхневий стік, інфільтрацію, підземний стік, підняття ґрунтових вод по капілярах і випаровування, конденсацію вологи в атмосфері і нове випадання опадів. Таким чином, з одного боку, це підняття водних розчинів по капілярах ґрунту і всмокту­вання їх кореневою системою, висхідні потоки повітря, випарову­вання з поверхні ґрунту і водойм, транспірація і т.д. З іншого – випа­дання атмосферних опадів, їх просочування в ґрунт, випадання ра­зом із вологою пилу і т.д. Завдяки кругообігу вологи здійснюється мінеральний обмін між окремими компонентами ландшафту. Цей процес супроводжується формуванням, транспортуванням і акуму­ляцією хімічних елементів.

Мінеральний обмін у ландшафті, на відміну від вологообігу, має вигляд спрямованих в один бік міграційних процесів, відбуваються акумуляція і трансформація речовин, а не безпосередній їх круго­обіг. Мінеральні речовини мігрують у ландшафті у вигляді: 1) водо­розчинних речовин (іонів); 2) механічних домішок у воді (завислі наноси); 3) механічних домішок у повітрі (пил); 4) твердих продуктів денудації гірських порід, що переміщаються по схилу під дією сили тяжіння, та ін.

Газообмін – це переміщення розчинів і трансформація газоподібних речовин, а також циркуляція атмосферних мас, що супроводжується обміном речовиною й енергією.

Енергообмін – це кругообіг і трансформація сонячної енергії. Вона здатна перетворитись в інші види енергії — теплову, хімічну, механічну. Завдяки сонячній енергії відбуваються вологообмін і біогенний кругообіг. Від забезпечення сонячною енергією залежить інтенсивність функціонування ландшафтів.

Біогенний кругообіг – включає утворення і руйнування органічної речовини, їх випадання на поверхню ґрунту та включення у новий кругообіг. Процес утворення органічної речовини – це фотосинтез.

Кожний із перелічених (п’яти) головних процесів функціонування ландшафтів складається із численних елементарних процесів, які мають різний характер. Це такі процеси: фізичний (нагрівання чи охолодження земної поверхні, підняття ґрунтових вод по капілярах, випаровування та ін.); хімічний (механічна, водна, повітряна, біогенна та технічна міграція хімічних елементів); біологічний (фотосинтез, розкладання органічної маси мікроорганізмами та ін.).

Фізичні процеси функціонування ПТК вивчає геофізика ландшафту, хімічні – геохімія ландшафту, біологічні – біотика ландшафту (біогеоценологія).

Динаміка ландшафтів

Динамікою ландшафтів називають кількісні зміни, які відбуваються в ПТК під дією природних і антропогенних факторів і не приводять до якісної перебудови його структури.

Динамічні (і функціональні) зміни пов’язані з механізмом дії прямих і зворотних зв’язків. (Останні ще поділяються на додатні і від’ємні).

Для прямого зв’язку характерний спрямований вплив певного тіла (А) на інше (Б). Наприклад, вплив (А→Б) сонячної енергії на ландшафти Землі (зворотним впливом Землі на Сонце можна знехтувати), ґрунтових вод — на живлення річок.

Зворотні зв’язки виражаються у взаємодії тіл (А↔Б), коли не тільки А впливає на Б, але й Б – на А. (Зворотний зв’язок є одним із понять кібернетики). Зворотні зв’язки також дуже характерні для ландшафту. До них належать взаємодії ґрунт – рослинність, рослини – тварини, промисловість – сільське господарство і т.п.

Позитивний зворотний зв’язок – це коли результат процесу по­силює цей процес, і ПТК (ландшафт) віддаляється від початкового стану (розвивається). Наприклад, заростання озер: рослини відми­рають, формується сапропель, озеро мілішає і біля берега створює можливість просуватися рослинності (очерету) до центру, озеро пе­ретворюється на болото. Отже, органіка і сапропель посилюють ре­зультат процесу, і ПТК перетворюється на іншу систему. Позитив­ний зворотний зв’язок особливо характерний для культурних ланд­шафтів. Розорювання схилів призводить до утворення ярів. Подаль­ше розорювання ще більше посилює ерозію (розвиток відбувається по експо­ненті). Якщо процес не зупинити, то він приведе до руйнування сис­теми (культурного ландшафту).

Негативний зворотний зв’язок – коли результат процесу послаб­лює його дію і сприяє стабілізації системи, відновленню її вихідного стану (проявляється відносна стійкість ПТК). Наприклад, в епоху вулканізму в атмосферу виділяється велика кількість СО₂, який сприяє поліпшенню фотосинтезу і збільшенню біомаси ландшафту. Збільшення рослинного покриву приводить, у свою чергу, до вилучення значної частини зайвого СО₂ із атмосфери і в результаті – до зменшення біомаси та відновлення вихідного стану ландшафтної системи.

Таким чином, завдяки негативному зворотному зв’язку в ланд­шафті спостерігається саморегулювання, і всяке відхилення від ста­ндартного стану викликає такі процеси, які повертають систему в початковий стан. (Самоочищення рік, озер – явище саморегуляції, але при сильному забрудненні процес може бути незворотним).

5.3 Природні зміни. Ландшафти у процесі своєї динаміки за­знають ритмічнихабо циклічних природних змін. Ритмічність – це повторюваність у часі різних природних процесів і явищ в однаковій послідовності. Фізико-географ і гляціолог С.В. Калесник зазначав, що вивчати ландшафт поза його сезонною ритмікою недоцільно, як і вивчати рослину поза її се­зонними фазами.

Циклічні зміни (цикли) проявляються через певні проміжки часу. Розрізняють циклічні процеси, які повторюються через нерівні про­міжки часу (підняття й опускання суші, трансгресії і регресії моря, потепління і похолодання клімату, коливання рівня озер, максимуми сонячних плям і т.д.), і процеси та явища, які повторюються приблизно через рівні проміжки часу (зміна дня й ночі, пір року і т.д.). Виділяють добові, річні і багаторічні цикли.

Добові цикли. Важливо знати добову зміну кількості променевої енергії, що впливає насамперед на температуру і вологість повітря, а через ці елементи клімату – і на інші компоненти ландшафту (переміщення і руйнування гірських порід, дихання водоймищ, співвідношення у воді вуглекислого газу й кисню, біологічні процеси та ін.).

Річні (сезонні) цикли. Існування сезонної ритміки в динаміці ПТК пов’язане з нахилом земної осі й положенням Землі стосовно Сонця, що зумовлює різну кількість сонячної енергії по сезонах року. Особливо динамічні ландшафти влітку, коли їх енергетичні ресурси бувають найбільш великими. Процеси функціонування ПТК у цей час відбуваються інтенсивно. Навесні інтенсивність процесів зростає (тимчасове оглеєння фунту, активізація ерозійних процесів та ін.). Восени зменшується. Взимку ці процеси згасають, спостерігається геохімічний спокій. У різних природних зонах має місце різна сезонна ритміка у ландшафтах. Закономірності сезонної ритміки ландшафту вивчає наука фенологія.

Багаторічні цикли пов’язані з циклами активності Сонця. Вони відбуваються з інтервалами в 5 - 6, 11, 22, 30, 60, 90, 180, 900 і більше років.

Амплітуда коливань у ритмічних (циклічних) змінах ландшафтів різна. Кількість теплоти й світла, яку дістає ландшафт у певний сезон, місяць і день, не є абсолютно постійними величинами. Вони коливаються залежно від зміни сонячної активності, що діє на інші фізико-географічні процеси.

Розрізняють три типи амплітуди: нормальну, небезпечну й катастрофічну. Нормальна амплітуда коливання не приводить до сильних змін. Наприклад, раннє чи пізнє зсідання снігу та ін. Небезпечна амплітуда викликає порушення нормального режиму розвитку ландшафту, особливо біогенних компонентів (повернення холоду під час цвітіння плодових дерев). Катастрофічні амплітуди викликають сильні зміни властивостей ПТК. Прикладом може бути утворення на гірських схилах зсувних цирків тощо.

За умов наявності «нормальних амплітуд ритмів» динамічні прояви найчастіше стабілізують ПТК, сприяють відновленню їхнього корінного стану, мають місце зворотні зміни. Катастрофічні амплітуди ритмів природних процесів призводять до незворотних змін ПТК, до їхньої трансформації.

Якщо порушена літогенна основа, то ландшафт не відтворюється (наприклад, після виверження вулканів, землетрусів, обвалів у горах та ін.). Ці процеси сильно змінюють стан ПТК, виходять за межі ди­наміки, зміни є незворотними, тобто повернення до минулого стану не буде.

Такі зміни ведуть до зміни інваріанта ПТК. (Інваріант ПТК – це певна сукупність його станів, яка не призводить до якісної перебудови ПТК. У рамках одного інваріанта відбувають­ся зворотні зміни на відміну від незворотних якісних змін, з якими пов’язані зміни самого інваріанта ПТК).

Процес зміни станів ПТК (фацій) Сочава назвав сукцесією геосистем, а динаміку визначив як зміну станів ПТК у рамках одною ін­варіанта, в той час як розвиток є зміною самого інваріанта.

Одним із головних завдань дослідження динаміки ландшафту є вивчення його річних й добових циклів. Це потребує довготривалих стаціонарних спостережень, особливо геохімічних і геофізичних. Метод балансів враховує всі статті прибутку й видатку в їх кількіс­них одиницях. Вивчається зміна протягом року теплового й водного режимів - баланс теплоти і вологи, функціональні зв’язки між бала­нсом теплоти і вологи та балансом мінеральних речовин, між тепло­вим і водним режимами та міграцієюсолей у ландшафті, біогенним кругообігом, механічною і хімічною денудацією, фенофазами біоце­нозів і т.д. Потім шляхом математичного аналізу розраховують залежності між різними величинами.

5.4 Антропогенні зміни. Стійкість ландшафтів

Антропо­генний фактор є одним із найбільш потужних джерел розвитку ландшафтів, що треба врахувати на сучасному етапі. Із розвитком суспільства інтенсивність його впливу на природу зростає. На Землі практично не залишилося ландшафтів, які не зазнали б впливу ан­тропогенного фактора (антропогенно зумовлена динаміка). У біль­шості випадків це зміни, в принципі, зворотні.

Глибина зміни ландшафту людиною залежить переважно від фо­рми виробничої діяльності. Будівництво міст і промислових споруд приводить до зміни водночас кількох компонентів. У великих містах виникають техногенні ландшафти, які успадковують від природних лише геологічну основу, основні риси рельєфу і зональні риси клімату. Перетворюється мезорельєф (засипаються яри, зрізуються нерівності рельєфу і т.п.), створюється свій мікроклімат (вплив асфальту), беруться в труби дрібні річки та ін. У ґрунтах (на газонах) виникає культурний горизонт (урбоземи). Місто має свій склад рослинності й особливий тваринний світ.

Іноді говорять, що в містах ландшафти зникають. Це не так, у містах ще функціонують за законами природи різні види ландшафтів.

Значні зміни в ландшафтах виникають, коли людина перетворює водний режим території. Осушення і зрошення є прикладом найбільшого впливу людини на природні комплекси у процесі сільськогосподарського виробництва. Швидших і глибших змін зазнають біогенні компоненти. Геологічний фундамент, тип рельєфу і клімат завжди залишаються практично незмінними.

Стійкі незворотні зміни під впливом антропогенного фактора виникають при вирубках лісу, розорюванні схилів, унаслідок чого розвиваються ерозійні процеси, виникають нові урочища (фації) і змінюється морфологічна структура ландшафту. Утворюються антропогенні ландшафти, які включені у сферу матеріального виробництва.

Класифікації ландшафтів за ступенем окультуреності різні. А.Г. Ісаченко виділяє:

1) незмінні. До них належать ландшафти Антарктиди, Гренландії, гляціально-нівальні гірських країн;

2) слабозмінені – діяльність людини торкнулась окремих компонентів (головним чином біоти), але природні зв’язки не порушені. Сюди належать тундрові, тайгові, пустельні та інші ландшафти;

3) порушені (сильно змінені) – ландшафти, які зазнали довготривалого стихійного впливу людини. В них порушені літогенна основа, природні зв’язки, структура ПТК. Трапляються в усіх зонах, особливо у степовій, яка сильно розорана. (Порушені ландшафти супроводжують негативні процеси: ерозію, заболочування, засолення, забруднення; кар’єри, терикони та ін.);

4) перетворені (культурні) – це ландшафти, в яких природні зв’язки змінені людиною на науковій основі для раціонального при­родокористування (різні меліорації, правильне розміщення угідь, терасування схилів та ін.).

Таким чином, «антропогенні» зміни ландшафтів – це зворотні в більшості випадків зміни, які є нічим іншим, як модифікаціями їх корінної структури при зміні «слабких» біогенних компонентів при­роди. Лише докорінна зміна «сильних» геоматичних компонентів природи призводить до змін незворотного характеру.

Стійкість ландшафтів до антропогенних впливів. Стійкість – це здатність ПТК зберігати значення своїх параметрів (свій інваріант) у певних «порогових» межах при впливі зовнішніх природних і антро­погенних факторів (навантаження). Стійкість визначається відносно антропогенного (техногенного) навантаження і роз­глядається в динамічному плані. Показником стійкості ПТК висту­пають особливості його компонентів (геоми, біоти). Наприклад, при оцінці стійкості ПТК до ерозійних процесів важливі умови рельєфу (крутизна, експозиція схилів, глибина ерозійного розчленування), геологічні умови (стійкість гірських порід до розмиву) та ін.

Найменш стійкі до навантажень ПТК локального рівня (вони можуть бути повністю перебудовані) й більш стійкі – регіонального рівня. Отже, стійкість природного комплексу залежить від його так­сономічного рангу.

Використовуючи показники стійкості, складають серію карт, на яких чітко виділяють ареали, не стійкі до антропогенних наванта­жень, конфліктні з точки зору їх сучасного функціонального вико­ристання, екологічні ризики.

Екологічний ризик – це ймовірність виникнення в геосистемі вкрай небажаних змін, особливо пов’язаних із загрозою для здоров’я людини. Як екоризик розглядається небезпека токсичного забруд­нення геосистеми та її окремих середовищ, опустинення, дегуміфікація, засолення ґрунтів тощо. Оцінюють екологічні ризики в балах, і тоді інтегральний показник ризику певного виду буде визначений як добуток цих балів.

При типології геосистем за їх стійкістю слід враховувати види відмов (наприклад, ерозійно нестійкі, галогенно нестійкі) і ступінь стійкості (інертності та відновлюваності). За цими показниками гео­системи поділяють на інертні, слабо інертні, практично неінертні, а також відновлювальні, слабо- та невідновлювальні. Всі ареали, які показані на відповідних картах, потребують особливих природоохо­ронних заходів.

Еволюція ландшафту тісно пов’язана з його динамікою, послідовним розвитком. Якісні зміни в окремих ПТК ще тривалий період можуть означати лише динаміку в кількісному розумінні. Однак настає час, коли кількісне накопичення елементів нової структури веде до якісного стрибка і заміни попереднього ПТК на інший. Це еволюційний процес, який складається з незворотно-поступальних змін. Він може простежуватися, наприклад, у послідовному ускладненні морфологічної структури і винекненні нових ландшафтів, що забезпечує їх постійне омолодження.