Функционирование ландшафтов

Малый биологический круговорот веществ

Рассматриваемые вопросы.

1. Происхождение ландшафтов.

2. Функционирование ландшафтов.

Генезис (происхождение) ландшафтов – это совокупность процессов, формирования ландшафтов в его современном состоянии. Он включает происхождение и развитие всех компонентов ландшафта: литогенной основы, биоты, воздушных масс, поверхностных и грунтовых вод и почвенного покрова. В результате длительного развития образуется инвариант – вертикальная и горизонтальная структуры ландшафта, которые могут иметь разные состояния, связанные с суточной сезонной и другими видами динамики и медленно изменяются (эволюционируют) во времени. Возникновение ландшафта исчисляется от времени, начиная с которого он приобрёл инвариант близкий к современному. Большинство зональных ландшафтов Европейской части России имеют голоценовый возраст. Они начали приобретать современный вид после таяния последнего ледника (10-12 тыс. лет).

10.2. Функционирование ландшафтов – это совокупность явлений трансформации и передвижения веществ и энергии в ландшафтах, и обмен веществами и энергией с другими сферами (внутренние сферы Земли, атмосфера, космическое пространство).

Совокупность процессов, лежащих в основе функционирования ландшафтов, можно разделить на 4 группы.

1. Процессы обмена веществами и энергией между компонентами ландшафта: литогенной основой, биотой, воздушными массами нижних слоёв тропосферы, поверхностными и грунтовыми водами, почвами (обмен влагой, газами, минеральными и органическими веществами, тепловой и радиационной энергией).

2. Процессы трансформации, передвижения и аккумуляции веществ и энергии, происходящие внутри ландшафта и его компонентов: образование и разрушение живого вещества, выветривание, почвообразование формирование состава сток поверхностных и грунтовых вод, эрозия, денудация и др.

3. Процессы обмена веществами и энергией, между ландшафтами и другими сферами: верхними слоями тропосферы, атмосферой и космическим пространством, артезианскими водами, горными породами, залегающими глубже горизонта грунтовых вод и коры выветривания (обмен влагой, газами, химическими соединениями, одностороннее поступление солнечной энергии и внутриземного тепла в ландшафты).

4. Процессы, связанные с деятельностью человека: сведение лесов, распашка территорий, осушение болот, строительство каналов и ирригационных сооружений, выбросы газов в атмосферу и др.

Энергетической основой формирования и функционирования ландшафтов являются ландшафтообразующие факторы, которые подразделяются на внешние и внутренние.

К внешним факторам относятся: солнечная радиация, внутриземное тепло, гравитационные силы Земли и Луны.

К внутренним факторам относятся градиенты по вещественному составу и свойствам, которые возникают на поверхности Земли (различия в теплоёмкости, влажности, химическом составе и др.) между различными компонентами: литогенной основой, почвами, поверхностными и грунтовыми водами и др. Эти градиенты определяют формирование и функционирование ландшафтных геосистем.

Особо следует выделить деятельность человека – как фактор формирования и функционирования ландшафтов.

В основе формирования и функционирования ландшафтов лежат круговороты веществ, ведущими из которых являются: большой геологический и малый биологический или биогеохимический.

Большой геологический круговорот веществ протекает во всех сферах Земли, объединяя их вещественными и энергетическими потоками. Процессы выветривания являются начальным этапом большого геологического круговорота веществ. Геологические процессы разделяются на две большие группы: эндогенные (внутренние), которые зарождаются в глубинных оболочках Земли за счет энергии радиоактивного распада, и экзогенные (поверхностные), обусловленные внешней энергией.

К эндогенным (внутренним) процессам относятся: магнетизм, метаморфизм, вулканизм, движения земной коры (землетрясения и горообразование). К экзогенным – выветривание, деятельность атмосферных и поверхностных вод, ледников, подземных вод, морей и океанов, животных и растительных организмов.

Взаимодействие эндогенных и экзогенных геологических процессов объединяет большой геологический круговорот веществ. В результате действия эндогенных процессов образуются крупные формы рельефа земной поверхности: горные системы, возвышенности, низменности, океанические впадины. Под действием экзогенных процессов происходит разрушение магматических горных пород, перемещение продуктов разрушения в реки, моря и океаны, и формирование осадочных пород. В результате движений земной коры осадочные породы погружаются в глубокие слои, подвергаются процессам метаморфизма (действию высоких температур и давления), и образуются метаморфические породы. Последние при погружении в более глубокие слои могут переходить в расплавленное состояние (магматизация), а затем в результате вулканической деятельности поступать в верхние слои литосферы или на ее поверхность в виде магматических пород. Таким образом, происходит образование горных пород и различных форм рельефа.

Круговороты веществ на Земле представляют собой повторяющиеся процессы превращения и перемещения вещества в природе, имеющие более или менее выраженный циклический характер, обусловленный циклическим поступлением энергии Солнца. Эти процессы имеют определённое поступательное движение, так как при циклических превращениях в природе не происходит полного повторения циклов, всегда имеются те или иные изменения в количестве и составе образующихся веществ. Ранее понятие круговорота веществ нередко трактовалось метафизически, как движение по замкнутому кругу, что в корне ошибочно.

Около 5 млрд. лет назад произошла дифференциация вещества Земли, разделение его на ряд концентрических оболочек, или геосфер: атмосферу, гидросферу, земную кору, гранитную, базальтовую и др. оболочки, отличающиеся друг от друга характерным химическим составом, физическими и термодинамическими свойствами. Эти оболочки в последующее геологическое время развивались в направлении дальнейшего наиболее устойчивого состояния. Между всеми геосферами и внутри каждой отдельной геосферы продолжался непрерывный обмен веществом. Однако вначале наиболее существенную роль играл вынос вещества из недр Земли на поверхность в результате процессов выплавления легкоплавкого вещества Земли и дегазации.

Эта стадия обмена была ещё очень обширной в архейскую эру (докембрий). В то время имели место интенсивные колебательные движения в земной коре, обширные горообразовательные процессы, создавшие повсеместно складчатость, а также энергичная вулканическая деятельность, результатом которой явились мощные слои базальтов. Широко развиты были интрузии и процессы гранитизации. Все эти процессы осуществлялись в более грандиозных масштабах, чем в последующие геологические периоды.

В архейскую эру на поверхность Земли выносились вещества в значительно больших количествах и, возможно, из более глубоких областей планеты. В дальнейшем обмен веществом между глубокими областями и поверхностью Земли сократился. В конце докембрия обособились более спокойные области земной коры – платформы и области интенсивной тектонической и магматической деятельности – геосинклинали. С течением времени платформы росли, а геосинклинальные области сужались.

В современный период обмен веществом между геосферами по вертикальному направлению достаточно определенно может наблюдаться в пределах 10-20 км от поверхности Земли и местами – в 50-60 км. Не исключено движение вещества и из более глубоких зон Земли, однако этот процесс в настоящее время уже не играет существенной роли в общем, круговороте веществ на Земле. Непосредственно непрерывный круговорот веществ наблюдается в атмосфере, гидросфере, верхней части литосферы и в биосфере. Со времени появления биосферы (около 3,5 млрд. лет назад) круговорот веществ на Земле существенно изменился. К физико-химическим превращениям прибавились биогенные процессы. И, наконец, огромной геологической силой ныне стала деятельность человека.

Участие живого вещества в биогеохимических процессах проявляется прямо либо косвенно. Так, после гибели организмов живое вещество непосредственно участвует в образовании диатомита, известняков, углей, нефти и др. Зелёные растения в результате фотосинтетической деятельности создают всю массу кислорода современной атмосферы Земли. Морские водоросли концентрируют значительные количества йода, после их гибели в морских илах происходят захоронение и процесс превращения органического детрита в вещество нефти. В результате выпрессовывания из захороненных илов жидкой нефти в пористые породы (пески и другие коллекторы) выдавливаются иловые воды, содержащие большое количество йода.

В интенсивный обмен захватывается в литосфере, атмосфере, гидросфере и биосфере единовременно лишь небольшая часть вещества этих оболочек. Наблюдаемый круговорот веществ на Земле слагается из множества разнообразных повторяющихся в основных чертах процессов превращения и перемещения вещества. Отдельные циклические процессы представляют собой последовательный ряд изменений вещества, чередующихся с временными состояниями равновесия. Как только вещество вышло из данной термодинамической системы, с которой оно находилось в равновесии, происходит его дальнейшее изменение, пока оно не возвратится частично к первоначальному состоянию. Полного возвращения к первоначальному состоянию никогда не происходит. Яркой иллюстрацией этого положения может служить круговорот воды в природе, который описан в соответствующей главе.

Круговорот кальция. Известняки (как и др. породы) на континенте разрушаются, и растворимые соли кальция (двууглекислые и др.) реками сносятся в море. Ежегодно в море сбрасывается с континента около 5·10⁸ тонн кальция. В тёплых морях углекислый кальций интенсивно потребляется низшими организмами – фораминиферами, кораллами и др. на постройку своих скелетов. После гибели этих организмов их скелеты из углекислого кальция образуют осадки на дне морей. Со временем происходит их метаморфизация, в результате чего формируется порода – известняк. При регрессии моря известняк обнажается, оказывается на суше и начинается процесс его разрушения. Но состав вновь образующегося известняка несколько иной. Так, оказалось, что палеозойские известняки более богаты углекислым магнием и сопровождаются доломитом, известняки же более молодые – беднее углекислым магнием, а образования пластов доломитов в современную эпоху почти не происходит. Наконец, при излиянии лавы известняки частично могут быть ею ассимилированы, т.е. могут войти в большой круговорот веществ.

Таким образом, отдельные циклические процессы, слагающие общий круговорот веществ на Земле, никогда не являются полностью обратимыми. Часть вещества в повторяющихся процессах превращения рассеивается и отвлекается в частные круговороты или захватывается временными равновесиями, а другая часть, которая возвращается к прежнему состоянию, имеет уже новые признаки.

Продолжительность того пли иного цикла можно условно оценить по тому времени, которое было бы необходимо, чтобы вся масса данного вещества могла обернуться один раз на Земле в том или ином процессе (таблица 1).

Дата добавления: 2014-01-20