СКЛАД ТА ДЕКОМПОЗИЦІЯ (топічна ландшафтна екологія)

Основні питання:

1.Основні положення.

2.Основні способи декомпозиції.

Вертикальні межі геосистем.

Основні положення

Мета:вивчити основні положення геосистеми, поняття вертикальної (топічної) структури, концепцію множинності вертикальних структур, основні терміни.

План:

1.Поняття вертикальної (топічної) структури.

2.Концепція множинності вертикальних структур.

3.Елементи вертикальних структур.

Поняття вертикальної (топічної) структури. При аналізі вертикальної (синонім — топічної) структури геосистеми вважається, що вона однорідна в територіальному відношенні, але «по вертикалі» розкладається на різнорідні частини (рослинність — грунт — гірські породи тощо або різні яруси рослинності — горизонти ґрунту — верстви гірських порід тощо), які пов'язані між собою певними відношеннями. Структури подібного типу називають вертикальними. Під складовими вертикальних структур мають на увазі не стільки різні за своїм висотним положенням шари геосистеми, скільки деякі її частини, специфічні в ній за функцією, фізико-хімічними та іншими характеристиками. Такі різні частини можуть займати в геосистемі спільний «висотний поверх» (як, наприклад, трав'яні рослини та наземні тварини), а деякі — пронизувати весь її вертикальний розріз (гази, волога).Тому термін «вертикальна структура геосистеми» слід вважати дещо умовним.

При аналізі вертикальної структури геосистеми будь-яка з її складових розглядається як територіально однорідна, тобто припускається, що її характеристики на певній площі лишаються незмінними (з математичної точки зору є просторово зосередженими параметрами). Зміна значень цих параметрів визначається взаємодією між елементами вертикального розрізу геосистеми.Насправді ж припущення щодо несуттєвості внутрішньотериторіальних відмінностей може бути справедливим хіба що для геосистеми елементарного рівня — геотопу (фації). Проте це не виключає можливості аналізу вертикальних структур і геосистем вищих таксономічних рангів, якщо необхідно зосередити увагу не на їх внутрішньотериторіальних відмінностях, а на взаємодії компонентів природи або деяких інших частин їх вертикальної будови. Такий підхід, наприклад, використовується при аналізі водного балансу геосистем річкових басейнів, теплового та інших балансів ландшафтних зон тощо.

Концепція множинності вертикальних структур. Щоб виділити вертикальну структуру геосистеми, необхідно визначити множину її елементів і тип відношень (зв'язків) між ними. Внутрішньогеосистемні зв'язки надзвичайно різноманітні. Багато з них зумовлені потоками різних речовин та форм енергії, деякі — фізико-хімічними, біохімічними взаємодіями, інші — відношеннями між популяціями організмів та їх окремими особинами, важливі також генетико-еволюційні зв'язки між різними геокомпонентами та їх частинами тощо. В основі цих відношень лежать різні закономірності і тому аналіз кожного з них пов'язаний із специфічним аспектом розгляду вертикальної будови геосистеми, тобто приводить до виділення власної структури. Це означає, що в одній геосистемі можна виділити кілька вертикальних структур різних типів. Геосистема є поліструктурною у вертикальному відношенні.

Тип внутрішньогеосистемних відношень є основою виділення певної вертикальної структури геосистеми, оскільки визначає: 1) найдоцільніший спосіб її поділу на елементи; 2) характер зв'язків між ними; 3) варіанти групування елементів у більші структурні одиниці — підсистеми, компоненти, модулі (тобто способи декомпозиції вертикальної структури).

Оскільки внутрішньогеосистемних зв'язків дуже багато, то тільки ж має бути виділено й відповідних їм структур. Проте це е виключає можливості визначити деякі загальні типи вертикальних структур геосистеми. Така можливість ґрунтується на близькості багатьох процесів за їх фізичною суттю, характером перебігу, змінами геосистеми, які зумовлені цими процесами. Відповідно й способи структуризації вертикального розрізу геосистеми для таких зв'язків однотипні. Всю множину внутрішньогеосистемних зв'язків умовно можна поділити на такі типи: 1) генетико-еволюційні; 2) зумовлені потоком енергії та її трансформацією; 3) зумовлені речовинними потоками (міграцією речовин); 4) відношення тісного кореляційного або інформаційного зв'язку характеристик геосистеми.

Кожний з цих типів відношень визначає відповідний підхід до виділення вертикальних структур геосистеми (її структуризації). Ці підходи різняться принципом, покладеним в основу виділення структурних частин геосистеми (її елементів, компонентів тощо). Розрізняють три загальних підходи структуризації геосистеми та відповідно три типи її вертикальних структур: 1) геокомпонентний (поділ вертикального розрізу геосистеми за компонентами природи і далі за їх генетично однорідними частинами); 2) речовинно-фазовий (структурні частини виділяються як тіла, однорідні за фазовим станом, фізико-хімічними та іншими властивостями речовини) 3) просторово-об'ємний (вертикальний профіль геосистеми поділяється на деякі однорідні шари, точніше — об'єми).

Аналіз кореляційних та інформаційних зв'язків геосистеми (виконується методами математичної статистики та теорії інформації) також приводить до виділення деяких структур (графічно вони зображаються у вигляді кореляційних плеяд або графів). Проте елементами цих структур є не деякі фізичні тіла (частини) геосистеми, а її окремі характеристики. Відношення фіксують лише наявність між ними певного кореляційного зв'язку (або каналу передачі інформації), фізичний зміст якого може бути невідомим та й взагалі при такому аспекті аналізу геосистеми значення не має. Для побудови такого типу структур необхідна не структуризація геосистеми (її поділ на частини), а обґрунтування певного набору її характеристик (змінних). Врешті для будь-якого з наведених трьох типів вертикальних структур геосистеми. можна оцінити ступінь кореляційного (або інформаційного) зв'язку між характеристиками їх елементів і побудувати статистичний (або інформаційний) варіант цих структур.

Елементи вертикальних структур. Перш ніж виділити елементи вертикальних структур геосистеми, необхідно визначити, який принцип оцінки однорідності прийнято за основу структуризації геосистеми (генетичний, речовинно-фазовий тощо) та який рівень детальності структурного аналізу геосистеми достатній для розв'язання поставленого завдання. Вирішення першого з цих питань визначається тим із загальних типів вертикальної структури геосистеми, який аналізується. Щодо другого питання слід зауважити, що мета будь-якого конкретного дослідження геосистеми завжди безпосередньо або опосередковано визначає деяку граничну межу її структуризації, тобто задає такі об'єкти вертикальної структури геосистеми, аналіз внутрішньої будови яких для даного дослідження вже не має значення.Загальних критеріїв визначення таких об'єктів немає, їх обґрунтування залежить від досвіду фахівців.

Спроби віднайти якісь «об'єктивно існуючі» (незалежні від конкретного дослідження), ніби задані самою геосистемою, її неподільні частини (ландшафтні «атоми», «кристали», «геоелементи» тощо), а також деякі «універсальні» критерії елементарності були як в екології, так і в ландшафтознавстві. Незважаючи на деякі цікаві в плані теорії результати цих спроб, зайвий раз переконуємось, що визначення елементарного об'єкта системи залежить тільки від мети та бажаної детальності аналізу. Ним може бути і рослинність взагалі (при загальнотеоретичному аналізі геосистеми), і певна екологічна група видів рослин, і окремий вид, і, окрема рослина, навіть її окремі морфологічні органи.

Основні способи декомпозиції

Мета:вивчити основні способи декомпозиції, вертикальні межі геосистем, основні терміни.

План:

1.Основні способи декомпозиції.

2.Вертикальні межі геосистем.

Геокомпонентний спосіб. Традиційним для ландшафтознавства поділом геосистеми (ПТК) на складові частини є виділення в ній компонентів природи, кожний з яких, за висловом А.Г. Ісаченка (1991), «є представником окремих геосфер, що складають географічну оболонку». Це гірські породи (представники літосфери), поверхневі та ґрунтові води (гідросфери), повітряні маси (атмосфери), ґрунти (педосфери), рослинність, тварини, мікроорганізми (представники біосфери). Усі ці компоненти є матеріальними тілами. Крім них, А.Г. Ісаченко та деякі інші географи як компоненти природи розглядають також рельєф і клімат. Є пропозиції компонентами ПТК вважати і сукупність продуктів діяльності людини, тісно пов'язаних з природними елементами (таких, як меліоративні канали, шляхи сполучення тощо). Тобто в ландшафтознавстві чіткої визначеності того, що слід вважати компонентом природи і яке їх число, немає.

Ландшафтно-екологічному підходу щодо цього найбільш відповідають погляди Д.Л. Арманда (1975) та В.Б. Сочави (1979). Геокомпонентами вважають матеріальні тіла природного походження, які відрізняються між собою переважаючим фізико-агрегатним (фазовим) станом речовини, наявністю (або відсутністю) та формою органічного життя, основними механізмами утворення, положенням щодо земної поверхні та основними функціями в геосистемі.

Виходячи з цього, до геокомпонентів не належать рельєф і клімат (оскільки це не матеріальні тіла, а їх властивості, які й враховуються при аналізі геосистем) та антропогенні об'єкти як тіла неприродного походження (враховуються як зовнішній по відношенню до геосистем фактор). Разом з тим поверхневі та ґрунтові води слід розглядати не як один геокомпонент (води), а два різних, оскільки вони суттєво відрізняються за своїми функціями в геосистемі, положенням щодо земної поверхні та механізмом утворення. Як самостійні розглядаються й біотичні компоненти — рослинність, тваринний світ та мікроорганізми.

Таким чином, геокомпонентами є тверді маси земної кори, повітряні маси атмосфери, поверхневі та ґрунтові води, ґрунти, рослинність, тварини, мікроорганізми.

Геокомпоненти — складні тіла. У кожному з них є й речовини, які відіграють функцію основної субстанції інших геокомпонентів. Наприклад, під повітряними масами атмосфери слід розуміти не просто суміш газів, а складну субстанцію, що містить також водяну пару, часточки твердих речовин, мікроорганізми. Ще складніший грунт. Ця особливість геокомпонентів надає їм нових — емерджентних властивостей, яких немає в хімічно чистих та однорідних речовинах, що їх складають. А.Г. Ісаченко (1991) зауважує, що в системі організації речовини Землі геокомпоненти займають. проміжне положення між простими дискретними тілами мінералами, газами, ґрунтовими агрегатами, окремими організмами та ін.) та геосистемами. Тому аналіз вертикальної структури геосистеми, складовими якої є геокомтюненти, буде ефективним при виявленні генетико-еволюційних закономірностей геосистем.

Виділення елементів у геокомпонентній вертикальній структурі виходить з поділу геокомпонентів на їх більш генетично однорідні частини. У гірських породах такими елементами є їх окремі літолого-стратиграфічні верстви (виділяються як породи одного віку та походження); у ґрунті — його генетичні горизонти. Ґрунтові води доцільно розрізняти за шаром порід, які їх вміщують, оскільки їх хімічні та інші характеристики генетично зумовлені властивостями водовміщуючої товщі.

Елементами рослинності та тваринного світу геосистеми зручно вважати окремі ценопопуляції (сукупність особин одного виду в межах елементарної геосистеми). При дуже детальному аналізі вертикальної структури геосистеми цей рівень може виявитися недостатнім. Тоді окремі популяції слід розділити на різні вікові групи і як елементи розглядати сукупність особин одного виду певної вікової групи. Доцільно розглядати як елементи і окремі екотипи рослин — групи особин у межах одного виду, які пристосовані до специфічних умов існування за рахунок спадково закріплених особливостей.При більш загальному аспекті генетико-еволюційного аналізу геосистеми розгляд її окремих ценопопуляцій як елементів вертикальної структури може бути занадто докладним. Як елементи в таких випадках можна вважати сукупності декількох ценопопуляцій, наприклад, видів, які належать до однієї флор-генетичної групи або до екоморфи певного типу (екоморфа — життєва форма рослин, зумовлена факторами зовнішнього середовища; цей термін ввів український геоботанік О.Л. Бельгард, 1950) —ксерофіти, мезофіти, гігрофіти, псамофіти та ін., або ж до певного систематичного таксону — злакові, бобові та ін. Принцип, за яким популяції об'єднуються в групи і далі розглядаються як один елемент, залежить від конкретної мети дослідження.

Поверхневі води та повітряні маси при генетико-еволюційному аналізі геосистем на елементи, як правило, не розкладаються.

Речовинно-фазовий (геомасовий) спосіб. При .аналізі потоків певних речовин, їх взаємопереходів та інших форм взаємодії більш виправдана структуризація геосистеми, яка виходить з того, що вона являє собою складну композицію речовин, різних за фазовим станом, фізичними властивостями, хімічним складом.Взаємодії між ними зумовлюють різні процеси в геосистемі (наприклад, продуційний, засолення ґрунтів тощо) і тому, розглядаючи різні речовини як окремі елементи геосистеми, можна ефективно досліджувати механізми внутрішньогеосистемних зв'язків.

Речовинно-фазовий підхід до структуризації природних систем широко використовується в екології, особливо при імітаційному моделюванні екосистем. У найбільш популярному в екології методі такого моделювання (метод системної динаміки; його розробив Дж. Форрестер) як елементи екосистеми виділяються її окремі речовини, локалізовані в певних фізичних тілах. За термінологією методу системної динаміки, такі елементи називаються резервуарами, й основною їх характеристикою є кількість речовини в резервуарі. Як окремі резервуари виділяються, наприклад, «вода у кореневому шарі ґрунту», «вода у транспортно-скелетних органах рослин», «азот у ґрунті», «азот у трав'яних рослинах» тощо. Резервуари, між якими мають місце потоки певної речовини або хімічного елемента (води, азоту тощо), об'єднуються в більші структурні одиниці екосистеми — блоки, або субсистеми.

Близький підхід до структуризації елементарної геосистеми, обґрунтований Н.Л. Беручашвілі (1980), пов'язаний з виділенням геомас. Під ними розуміють якісно своєрідні тіла геосистеми, які мають певну масу, специфічне функціональне призначення, а також швидкість змін у часі та (або) переміщення в просторі. Як геомаси виділяються аеромаси, гідромаси, педомаси, літомаси, фітомаси, зоомаси, мортмаси (мертва органічна речовина). Від геокомпонентів вони відрізняються більшою речовинною однорідністю. Наприклад, під педомасою розуміють не грунт, а тільки ґрунтовий дрібнозем з гумусом, тобто органо-мінеральну суміш, до якої не входять волога ґрунту, його скелетна частина_, перові гази, корені рослин, тваринне населення. До аеромаси відносять сухе повітря — суміш газів без водяної пари та аерозолів. Аеромаси містяться не тільки в атмосфері, а пронизують усі геокомпоненти. Аналогічно й гідромаси, зосереджені не лише в поверхневих та ґрунтових водах, а і в інших геокомпонентах. Мортмаса взагалі не має аналогів серед геокомпонентів і являє собою сукупність накопичених відмерлих решток рослин, тварин, їх екскрементів, мікроорганізмів тощо.

При речовинно-фазовій структуризації геосистеми геомаси слід, розглядати як окремі компоненти її вертикальної будови, оскільки деякі їх частини можуть значно відрізнятися за фізичними, хімічними та іншими показниками. Наприклад, фітомаса представлена такими досить характерними частинами, як зелене листя рослин, корені, транспортно-скелетні органи (стовбури та гілки), генеративні органи, лишайники, мохи, мікроорганізми тощо. Гідромаса також складається з різних мас, що відрізняються насамперед середовищем, де вони розміщені (в атмосфері, ґрунті, ґрунтових водах тощо). Тому при детальному аналізі геосистем геомаси поділяються на елементи залежно від агрегатного складу, функціонального призначення, хімічного складу, положення у вертикальному профілі геосистеми, щільності, метричних та інших особливостей. Ступінь детальності поділу геомас на елементи визначається конкретним завданням ландшафтно-екологічного аналізу.

Крім поділу геомас на елементи, Н.Л. Беручашвілі вважає за важливе також і їх класифікацію. За розробленою ним таксономічною схемою, кожна геомаса поділяється на типи, роди і види. Типи геомас виділяються на основі відмінностей у функціональному призначенні в геосистемі, щільності та швидкості зміни в часі і переміщенні в просторі. Наприклад, серед фітомас виділяються такі їх типи, як однорічне листя деревно-чагарникових рослин, багаторічне листя цих рослин, хвойне листя, транспортно-скелетні органи, корені тощо. При диференціації на типи педомас за основу взято відмінності в механічному складі (глинисті, суглинкові, піщані типи педомас тощо), аеромас — їх температуру (кріотермальні, нанотермальні, мезотермальні та інші аеромаси), гідромас — стан вологи та її знаходження в інших геомасах (атмосферні, снігові, льодові, ґрунтові та інші гідромаси). Літомаси поділяються за їх щільністю та хімічним складом (карбонатні, силікатні та інші типи), мортмаси — за ступенем розкладу та походженням (сухостій, підстилка, торф, мор та ін.).

Роди геомас розрізняються у межах типу переважно за інтенсивністю процесів функціонування. Так, у листяних типах фітомас виділяються їх різні роди за вмістом вологи в листі (гідрофітні, мезофітні, ксерофітні та ін.). Педомаси поділяються на роди за вмістом гумусу (високо-, середньо-, малогумусні) та його характером (кальцієві мюллеві, лісові мюллеві, модерні педомаси). Нарешті, види геомас виділяються з урахуванням метричних характеристик (форми, розмірів, орієнтації тощо) їх елементів.

Просторово-об'ємний (геогоризонтний) спосіб. Дослідження вертикальних потоків енергії та речовин у геосистемі, її динамічних змін протягом року пов'язані з урахуванням просторової неоднорідності геосистеми у вертикальному напрямку — її ярусної будови. Хоч певне уявлення про ярусну будову дає поділ геосистеми на її геокомпоненти, ці структурні одиниці все-таки накладаються одна на одну, до того ж вони неоднорідні по вертикалі. Разом з цим у геосистемі досить чітко виділяються певні її шари, майже однорідні за складом різних геомас, та специфічні в інших відношеннях (зокрема, за умовами життя та екологічними процесами).

Вперше яруси, шари в екосистемі виділив В. Шелфорд (1912), але на основі переважно біотичних критеріїв. З більш комплексних позицій до цього питання підійшли брати К. і В. Арнольді (1963). Ю. П. Бяллович (1947, 1960) назвав такі шари хорогоризонтами, а пізніше - біогеогоризонтами і визначив їх як елементарні — далі неподільні по вертикалі частини біогеоценозу. У ландшафтній екології та геофізиці ландшафту близькі концепції майже одночасно запропонували в Грузії, Франції та Німеччині. Н.Л. Беручашвілі, на початку 70-х років обґрунтував поняття геогоризонту та розробив методику виділення геогоризонтів (1974, 1976). Ж. Рішар (1978) подібні одиниці назвав хоплексолями, а їх характерне поєднання—холоплексіоном. Г. Ноймайстер (1981), аналізуючи взаємодії геотопів поблизу Лейпціга, як елементи їх вертикального профілю виділив однорідні шари, а при дослідженні геотопів як тривимірних об'ємів — однорідні просторові тіла.

Геогоризонт розглядається як комплексне утворення, в яке входять усі геомаси, які містяться в певному шарі геосистеми. Цим вони відрізняються від ярусів фітоценозу, оскільки, крім рослин (фітомаси), включають також повітряні і гідромаси, якщо вони в певний період там є (наприклад, шапки снігу на гілках дерев). Основним критерієм виділення геогоризонту є специфічний набір геомас у межах певного шару геосистеми. Зміна цього набору (поява нового виду геомаси, зміна їх пропорцій тощо) свідчить про появу у вертикальному профілі геосистеми нового геогоризонту.

Суттєвими ознаками при виділенні й характеристиці геогоризонтів Н.Л. Беручашвілі вважає ландшафтно-геофізичні параметри: текстуру, щільність, об'єм, колір, оптичні та ін. З ландшафтно-екологічної точки зору геогоризонти мають бути однорідними і за біофізичними, едафічними, ландшафтно-геохімічними показниками. При виділенні геогоризонтів Н.Л. Беручашвілі ці знаки провідними не називає, хоч за розробленою ним методикою геогоризонти виділяються настільки дрібні, що є всі підстави вважати їх однорідними за широким колом не тільки ландшафтно-геофізичних ознак. Основою для виділення ґрунтових геогоризонтів Н.Л. Беручашвілі бере фізичні показники (механічний склад, щільність), гумусовий стан та насиченість коренями рослин. Проте міграція — акумуляція різних речовин у ґрунті визначається не тільки цими його властивостями, а й ландшафтно-геохімічними умовами різних шарів ґрунтового профілю. Особливе значення мають ландшафтно-геохімічні бар'єри поверхні, що розділяють вертикальний профіль ґрунту на шари, які дуже відрізняються за умовами міграції різних хімічних елементів і сполук (Перельман, 1975, Глазовська, 1978). На ландшафтно-геохімічних бар'єрах інтенсивно накопичуються елементи, рухливість яких при досягненні бар'єру суттєво знижується або стає зовсім неможливою, тобто в сусідній шар ґрунту ці елементи не переходять зовсім або ж мігрують із значно меншою інтенсивністю. Таким чином, крім фізичних характеристик ґрунту при виділенні геогоризонтів слід зважати і на ландшафтно-геохімічні бар'єри.Це важливі межі вертикального профілю геосистеми, що розділяють його на шари з досить різними умовами міграції, акумуляції та взаємодії хімічних речовин.

Кожний геогоризонт стисло описується в індексній формі(мал. )і його можна віднести до певного класу, типу, роду та виду. Ці таксономічні одиниці виділяються за домінуючим (або домінуючими) у даному геогоризонті класом, типом, родом, видом, геомас (наприклад: клас — аерофітогоризонт, тип — нанотермальний транспортно-скелетний і т. д.). За характерним набором типів геогоризонтів класифікуються і вертикальні просторово-об'ємні структури геосистем. Основними їх характеристиками Н.Л. Беручашвілі вважає клас геомас, який визначає головні особливості геосистеми, — потужність (відстань від нижньої до верхньої межі елементарної геосистеми), складність (число геогоризонтів у геосистемі), напруженість (число геогоризонтів на 1 м вертикального профілю).

На відміну від ярусів рослинності, генетичних горизонтів ґрунту, літолого-стратиграфічних шарів, геогоризонти змінюються протягом року. Мінлива не тільки їх потужність, а й кількість (так, узимку щезають геогоризонти, основний об'єм яких займає фітомаса листя). Таким чином, тип вертикальної структури змінюється протягом року, причому можна визначити і дати зміни цих типів (як для конкретного року, так і середньо-багаторічні). На цій підставі ґрунтується ефективний підхід до комплексного аналізу річної динаміки геосистем і виділення станів цієї динаміки.