Ландшафтно-геофизический подход к изучению ПТК

Из истории развития метода и его сущность. Геофизический под­ход к изучению природной среды зародился столь же давно, как и сама география. С самых ранних этапов развития географии для нее было свойственно стремление охарактеризовать наиболее общие особенности строения Земли, ее вещественного состава, познать физическую сущность процессов: круговорота воды, циркуляцию воздушных масс, разрушения и перемещения горных пород и т.д.

Долгое время география и геофизика развивались в рамках од­ной науки. Даже в XIX столетии географы не всегда разграничива­ли эти две науки. До относительно недавнего времени геофизиче­ские методы использовались в географии преимущественно при изучении наиболее динамичных компонентов — воздушных и вод­ных масс. Без применения этих методов вообще немыслимо суще­ствование таких отраслевых географических наук, как климатоло­гия, гидрология, океанология, гляциология. Существенную роль они играют в геоморфологии и геокриологии (мерзлотоведении).

Качественно новый этап развития геофизического метода в гео­графии — применение его к изучению таких сложных динамиче-

ских систем, включающих в себя разные уровни организации ма­терии, как ПТК и географическая оболочка в целом.

Геофизический метод в комплексной физической географии включает всю совокупность приемов, при помощи которых изуча­ются физические свойства ПТК и физико-механический аспект процессов обмена веществом, энергией и информацией как внут­ри комплекса, так и комплекса с окружающей средой (К.Н.Дья­конов и др., 1996), так как именно эти процессы составляют сущ­ность взаимосвязей ПТК. У его истоков стояли А. А. Григорьев, М. И. Будыко и Д.Л.Арманд.

А. А. Григорьев еще в 1929 г. писал о том, что изучение механизма процессов, протекающих в природной среде, преследует две цели: углубить наши представления о качественной стороне географиче­ских процессов и их взаимозависимостях, а также установить прихо­до-расходный баланс тех категорий энергии и тех видов материи, которые играют основную роль в географических процессах. Он неоднократно подчеркивал, что все протекающие в природе процес-i сы тесно взаимосвязаны, и ввел в науку понятие единый физико-географический процесс (1934), которое близко по смыслу к совре­менному представлению о функционировании ПТК как интеграль­ном природном процессе (А. Г. Исаченко, 1991; И. И. Мамай, 1992).

А. А. Григорьев утверждал, что ведущую роль в формировании природных зон играет соотношение количества солнечной радиа­ции и атмосферной влаги, определяющее интенсивность ряда при­родных процессов и, прежде всего, биологического круговорота вещества. Совместно с М. И. Будыко им был установлен один из основных геофизических показателей природных зон — радиаци­онный индекс сухости (К,.), который представляет собой отноше­ние годового радиационного баланса (R) к годовой сумме осадков (г), умноженной на скрытую теплоту испарения (L):

Основная закономерность его изменения в пределах географи­ческой оболочки Земли — периодический закон географической зо­нальности.

Таким образом, геофизический метод в комплексной физиче­ской географии первоначально был применен для исследования энергообмена в пределах довольно крупных ПТК (природных зон) и базировался на использовании массовых данных наблюдений на станциях гидрометеосети. Дальнейшее применение его для деталь­ного изучения более мелких ПТК тормозилось отсутствием необ­ходимых для этих целей фактических данных.

Массо-, энергообмен различных ПТК очень индивидуальны и Могут существенно изменяться во времени и в пространстве (от комплекса к комплексу), поэтому надежность геофизических по-

казателей зависит от длительности и массовости наблюдений, ко­торые могут быть обеспечены лишь стационарными исследовани­ями.

Создание Курской полевой экспериментальной базы Институ­та географии АН СССР на территории Центрально-Черноземного заповедника в Стрелецкой степи позволило начать геофизическое изучение комплексов более низкого ранга. Д.Л.Арманд, обосно­вавший самостоятельность геофизического направления в ланд-шафтоведении, считал, что ведущее место в нем занимает пробле­ма обмена веществом и энергией между живой и мертвой приро­дой. Под руководством Д.Л.Арманда, М.И.Львовича и Ю.Л.Рау-нера на Курской базе с 1961 г. начали проводиться актинометри-ческие, теплобалансовые, гидрологические, биогеографические стационарные исследования.

В 60—70-х гг. XX в. создан ряд комплексных физико-географиче­ских стационаров, исследования на них, призванные обеспечить сбор фактического материала путем инструментальных наблюдений в разных ПТК, приобретают достаточно широкий размах. Стацио­нарные исследования проводились в академических институтах (Институте географии АН СССР, Институте географии Сибири СО АН СССР, Тихоокеанском институте географии ДВО АН СССР), а также в вузах (Тбилисском, Ленинградском, Московском, Львов­ском, Киевском и других университетах). Круг наблюдаемых явле­ний и процессов, а подчас и методика работ на этих стационарах, были различны, по-разному были расставлены акценты исследо­вания, но все они по существу были направлены на изучение раз­личных аспектов функционирования ПТК и их состояний (суточ­ных, внутрисезонных, сезонных, годовых и многолетних).

Дополнительный толчок развитию геофизического направле­ния в комплексной физической географии в 70-х гг. дает использо­вание дистанционных методов исследования. Особенно широкие возможности для этого открылись с появлением пилотируемых космических кораблей и искусственных спутников. Материалы раз­нообразных космических съемок (в видимой и инфракрасной час­тях спектра, спектрометрической, микроволновой, электромагнит­ной и др.) в сочетании с наземными исследованиями позволили установить связи между образом ПТК на различных снимках («спек­тральным образом») и их характеристиками, на основании кото­рых путем дешифрирования космических снимков можно полу­чать массовые данные о состоянии и функционировании различ­ных ПТК, устанавливать закономерности их динамики и развития. Под функционированием ПТК понимается «вся совокупность про­цессов перемещения, обмена и трансформации энергии, вещества, а также информации в геосистеме» (А.Г.Исаченко, 1991. — С. 13). Таким образом, функционирование ПТК состоит из множества элементарных процессов, имеющих физическую, химическую или

биологическую основу. Примерами таких процессов являются па­дение капель дождя, просачивание их сквозь почву, подтягивание влаги по капиллярам, фотосинтез, разложение органики микро­организмами и т.д. Но в природе эти элементарные процессы тес­но взаимосвязаны, так, капля воды не только просачивается сквозь почву, но и растворяет некоторые из содержащихся в ней соеди­нений, перемещает их в более низкие горизонты или уносит за пределы почвенного профиля, либо эта капля может оказаться захваченной корнями растений и участвовать в синтезе органиче­ского вещества. Поэтому просачивание воды сквозь почву может рассматриваться как с точки зрения физических закономерностей и методами физики, так и с позиций химии, ее методами иссле­дования.

На этом примере мы видим, как элементарные процессы, свя­занные с определенными формами движения материи, перепле­таются и переходят друг в друга, интегрируясь во все более слож­ные географические процессы. Так называемые частные географи­ческие процессы (испарение, эрозия, карстообразование, почво­образование, сток и т.д.) изучаются отраслевыми географически­ми дисциплинами. Однако с точки зрения функционирования ПТК такое расчленение условно. Например, сток — это процесс одно­временно и гидрологический, и геоморфологический, и геохими­ческий, а в их сочетании — физико-географический процесс в широком смысле этого слова. Географический смысл этого про­цесса не может быть сведен к простым законам механики, хотя по своей физической сущности сток — это движение воды под дей­ствием силы тяжести.

Сток служит звеном еще более сложного процесса — влаго-оборота, который, в свою очередь, является важной составной частью механизма взаимодействия между компонентами ПТК и между самими ПТК. Влагооборот (круговорот воды в природе) — одно из главных функциональных звеньев ПТК. Другим звеном является минеральный обмен (геохимический круговорот). Влаго­оборот, минеральный обмен и газообмен (как его часть) охваты­вают все потоки вещества в ПТК (массообмен). Однако мы знаем, что перемещение, обмен и преобразование вещества сопровожда­ется поглощением, высвобождением и трансформацией энергии, т.е. массообмен неразрывно связан с энергообменом, который, в свою очередь, является специфическим функциональным звеном ПТК.

Что касается информации — свойства систем отражать внеш­ние сигналы, производя при этом внутренние преобразования (Г. Ф. Хиль-ми, 1966), то изучать обмен ею (информацией) мы пока еще долж­ным образом не научились (это дело будущего), поэтому геофизи­ческий метод в его современном виде разработан для изучения массо- и энергообмена как важнейшей составляющей функцио­нирования ПТК.

Таким образом, главным подходом к исследованию функцио­нирования ПТК является изучение трех главных его звеньев — влагооборота, минерального обмена и энергообмена. В каждом из них, в свою очередь, необходимо различать биотическую и абио­тическую составляющие.

Наличие биоты в большей или меньшей степени накладывает отпечаток на все три функциональных звена ПТК, но, пожалуй, сильнее всего влияет на обмен вещества. Наиболее активной частью минерального обмена является биологический обмен, получивший название малого биологического круговорота, который выделяет­ся в качестве самостоятельного функционального звена. В то же время известно, что первичное продуцирование биомассы осуще­ствляется в основном за счет использования солнечной энергии, поэтому массообмен в биологическом круговороте тесно связан с энергообменом, а участие влаги в фотосинтезе и транспирация растений связывают биологический круговорот с влагооборотом. Кроме этих составляющих при расчете влагооборота необходимо учитывать задержание части атмосферных осадков листовой по­верхностью растений и их последующее испарение. В этом прояв­ляется влияние биоты на абиотическую составляющую влаго­оборота, а также энергообмена, так как на испарение затрачива­ется тепловая энергия. Так происходит перекрытие отдельных зве­ньев функционирования, что лишний раз подчеркивает условность любого разделения единого процесса функционирования на зве­нья. Оно лишь служит методическим приемом в целях познания этого сложного многопланового процесса.

Изучение биотических связей и биологического круговорота яв­ляется основной задачей биоценологических стационаров, а комп­лексные физико-географические стационары обычно переносят центр тяжести исследований на изучение абиотических процессов и горизонтальных связей между отдельными ПТК, играющих ве­дущую роль в интеграции их в более сложные комплексы.

Возможны два разных подхода к изучению функционирова­ния ПТК и его отдельных звеньев. Один из них заключается в том, что различные процессы (степень их сложности может быть разной) изучаются самостоятельно. Этот подход не вполне отвеча­ет задачам познания ПТК как целого. Он более характерен для отраслевых исследований, однако используется и в комплексной физической географии, где на интеграции элементарных процес­сов по формам движения материи с последующим их изучением на уровне и методами современной физики или химии базируется развитие таких новых направлений, как геофизика и геохимия ландшафта. Другой путь — изучение функционирования ПТК по принципу «черного ящика»: суммарно учитывается все вещество или энергия, поступающие в ПТК (на входе) и выходящие из него (на выходе), не вдаваясь в детали, что и как происходит

Дата добавления: 2015-05-09