Динамика и оптимизация ландшафтов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 
Федеральное государственное бюджетное образовательное высшего учреждение профессионального образования 
«Тульский государственный университет»

Кафедра «Геоинженерии и кадастра»

Контрольно курсовая работа

по дисциплине

ЛАНДШАФТОВЕДЕНИЕ

на тему:

«ДИНАМИКА И ОПТИМИЗАЦИЯ ЛАНДШАФТОВ»

 Выполнил: ст.гр.321691

                 Чистяков Д.А.

Проверил: Струков В.Б.

Тула 2012

Содержание

Введение………………………………………………………………………………………....3

1. Функционирование ландшафтов……………………………………………….….…...4
2. Основные особенности функционирования……………………………………….….12
3. Генетико-динамическая классификация ландшафтов……………….…………..…..14
4. Оптимизация ландшафтов………………………………………………………...…...18

Заключение……………………………………………………………………………………...21

Список использованной литературы……………………………………………………..…...22

Введение

Ландшафт –  это конкретная территория,  однородная по своему происхождению  и истории развития,  неделимая  по зональным и азональным признакам, обладающая единым геологическим фундаментом, однотипным рельефом,  общим климатом,  единообразным сочетанием гидротермических условий,  почв,  биоценозов и,  следовательно,  харак- терным набором простых геокомплексов (фаций, урочищ).

Понятие «функционирование» ПТК имеет двоякий смысл: это и совокупность всех процессов перемещения, обмена и трансформации вещества и энергии в ПТК (Исаченко, 1991), и раздел ландшафтоведения, в задачи которого входит познание механизма функционирования и его результатов (создание биомассы, почв и т. д.)

Функционирование (движение вещества и энергии) обусловлено  сходством природных компонентов  внутренней и внешней среды ПТК. Если бы не было функционирования, не было бы и целостности объектов, природные  компоненты не взаимодействовали бы друг с другом. В процессе функционирования идет преобразование временных ПТК, приводящее к появлению новых (ландшафтных единиц) и обеспечивается их однородность-разнородность.

1. Функционирование ландшафтов

Функционирование  (от латинского function – деятельность)  ланд- шафта – устойчивая последовательность постоянно действующих про- цессов обмена и преобразования вещества,  энергии и информации, обеспечивающая сохранение состояния ландшафта в течение значительного промежутка времени. В процессе функционирования геосистемы создается динамическое равновесие основных ее параметров. Несмотря на постоянные изменения температуры, влажности и других энергетических, вещественных и информационных характеристик, основные параметры структуры удерживаются на относительно постоянном уровне, испытывая лишь периодические колебания. Функционирование носит цикличный, и поэтому обратимый характер. Каждый цикл имеет свою продолжительность во времени (суточные, сезонные и многолетние циклы). В период циклов осуществляется функционирование ландшафтов посредством круговорота и трансформации солнечной энергии, влагооборота, газооборота и газообмена, миграции химических элементов, биологического метаболизма и т.д. Так, могут быть ночные и дневные фазы в суточном цикле, осенние, зимние, весенние и летние – в сезонном цикле. При этом ландшафт и его морфологические части приобретают свойства, которые зависят от динамической фазы того или иного цикла и выражаются в определенном состоянии.

Функционирование геосистем имеет квазизамкнутый характер,  т.е.  форму круговоротов с годичным циклом. Степень замкнутости цикла может сильно варьировать,  представляя важную характеристику ландшафта.  От интенсивности внутреннего энергомассообмена зависят многие качества ландшафта, в частности его устойчивость к возмущающим внешним воздействиям (Исаченко, 1991).

Основные процессы, протекающие  в ландшафте и характеризующие  его функционирование.

Влагооборот.

Сложная система водных потоков  пронизывает ландшафт. Посредством  потоков влаги происходит основной минеральный обмен между блоками  ландшафта,  а также преимущественно  осуществляются внешние вещественные связи геосистемы.  Перемещение влаги сопровождается формированием растворов, коллоидов и взвесей, транспортировкой и аккумуляцией химических элементов;  подавляющее большинство геохимических (в том числе биогеохимических)  реакций происходит в водной среде.

Схематично влагооборот в ландшафте представлен на рисунке 23.

                                      поступление извне 220

Рис. 23. Схема влагооборота в широколиственном лесу (в мм) (по А.Г. Исаченко, 1991)

Ежегодный запас влаги,  обращающейся в ландшафте,  составляют атмосферные осадки – жидкие и  твердые, а также вода, поступающая  в почву за счет конденсации водяного пара. Часть осадков перехватывается  поверхностью растительного покрова  и, испаряясь с нее, возвращается в атмосферу;  в лесу некоторое  количество стекает по стволам деревьев и попадает в почву. Влага, непосредственно  выпадающая на поверхность почвы, частично уходит за пределы ландшафта с  поверхностным стоком и затрачивается  на физическое испарение, остальное  количество фильтруется в почвогрунты. Небольшая доля воды расходуется на абиотические процессы в почве, участвует в гидратации и дегидратации, часть почвенно-грунтовой влаги выпадает из внутреннего оборота(подземный сток); при иссушении почвы влага поднимается по капиллярам и может пополнить поток испарения. В большинстве ландшафтов почвенные запасы влаги в основном всасываются корнями растений и вовлекаются в продукционный процесс.

Таблица 1

Основные элементы водного  баланса ландшафтов в различных  природных зонах, мм/год (по А.Г. Исаченко, 1991)

Биогенный круговорот веществ.

Биогеохимический цикл, или  «малый биологический круговорот», - одно из главных звеньев функционирования геосистем.  В основе его лежит продукционный процесс, т.е. образование органического вещества первичными продуцентами (зелеными растениями). Около половины создаваемого при фотосинтезе органического вещества окисляется до С02 при дыхании и возвращается в атмосферу. Оставшаяся фитомасса –первичная продукция, частично поступает в трофическую цепочку - потребляется растительноядными животными и далее плотоядными животными, а частично отмирает. Органическая масса после отмирания разрушается животными-сапрофагами, бактериями, грибами, актиномицетами. В конечном счете, мертвые органические остатки минерализуются микроорганизмами. Важнейшие показатели биогенного звена функционирования – запасы фитомассы и величина годовой первичной продукции, а также количество опада и аккумулируемого мертвого органического вещества. Продуктивность биоты определяется как географическими факторами, так и биологическими особенностями различных видов.

Важнейшие показатели биогенного звена функционирования - запасы фитомассы и величина годовой первичной продукции, а также количество опада и аккумулируемого мертвого органического вещества. Продуктивность биоты определяется как географическими факторами, так и биологическими особенностями различных видов (табл. 2).

Таблица 2

Запасы и продуктивность фитомассы плакорных сообществ различных зон и подзон (по А. А. Исаченко, 1991)

Абиотическая  миграция веществ.

Абиотические потоки вещества в ландшафте в значительной мере подчинены воздействию силы тяжести  и в основном осуществляютвнешние связи ландшафта. В отличие от биологического метаболизма абиотическая миграция не имеет характера круговоротов,  поскольку гравитационные потоки однонаправлены,  т.е.  необратимы.  Ландшафт-но-географическая сущность абиотической миграции вещества состоит в том, что с нею осуществляется латеральный перенос материала между ландшафтами и между их морфологическими частями и безвозвратный вынос вещества в Мировой океан. Значительно меньше участие абиотических потоков в системе внутренних  (вертикальных,  межкомпонентных) связей в ландшафте. Вещество литосферы мигрирует в ландшафте в двух основных формах: 1) в виде геохимически пассивных твердых продуктов денудации – обломочного материала, перемещаемого под действием силы тяжести вдоль склонов, механических примесей в воде (влекомые и взвешенные наносы) и воздухе (пыль); 2) в виде водорастворимых веществ, т.е.  ионов,  подверженных перемещению с водными потоками и участвующих в геохимических и биохимических реакциях.

Главные составляющие функционирования природных и измененных человеком геосистем - обмен энергией и ее трансформация. Функционирование геосистем сопровождается поглощением, преобразованием, накоплением и высвобождением энергии. Связи между компонентами геосистем реализуются в энергетических потоках путем передачи энергии и часто неразделимы с вещественными. Осуществляются они

одновременно с потоками воздуха, воды, твердых масс, с перемещением живых организмов.

Функционирование геосистем (круговорот веществ, почвообразование, деятельность живых организмов) невозможно без постоянного притока энергии. В отличие от веществ, непрерывно циркулирующих по разным компонентам геосистемы, которые могут многократно вступать в круговорот, энергия может использоваться только один раз, т.е. имеет место однонаправленный поток энергии через геосистему.

Первичные потоки энергии  поступают в ландшафт извне - из космоса и земных недр. Важнейший из них - лучистая энергия Солнца, поток которой по плотности многократно превышает все другие источники. Для функционирования ландшафта солнечная энергия наиболее эффективна; она способна превращаться в различные иные виды энергии - прежде всего в тепловую, а также в химическую и механическую. За счет солнечной энергии осуществляются внутренние обменные процессы в ландшафте, включая влагооборот и биологический метаболизм, а также циркуляция воздушных масс и др. Можно сказать, что все вертикальные связи в ландшафте и многие горизонтальные прямо или косвенно связаны с трансформацией солнечной энергии.

С потоком солнечной радиации связана пространственная и временная упорядоченность вещественного метаболизма в ландшафтах. Обеспеченность солнечной энергией определяет интенсивность функционирования ландшафтов (при равной влагообеспеченности), а сезонные колебания инсоляции обусловливают основной годичный цикл функционирования. На земной поверхности электромагнитное излучение Солнца в основном превращается в тепловую энергию и после трансформации в ландшафтах в виде тепла же излучается в космическое пространство (Исаченко, 1991).

Преобразование приходящей солнечной радиации начинается с  отражения части ее от земной поверхности. Количество отраженной радиации зависит от альбедо поверхности. Большая часть тепла, поглощаемого земной поверхностью, т.е. радиационного баланса, затрачивается на влагооборот и нагревание. Соотношение двух расходных статей радиационного баланса существенно различается по ландшафтам и в общих чертах подчинено зональности. При этом в гумидных ландшафтах основная доля радиационного баланса расходуется на испарение, а в аридных - на турбулентный поток тепла в атмосферу (табл. 3).

Таблица 3

Затраты тепла на испарение  и турбулентный обмен с атмосферой по ландшафтным зонам (по А.Г. Исаченко, 1991)

На другие тепловые потоки в ландшафте расходуется лишь небольшая часть радиационного баланса, тем не менее, эти потоки играют существенную роль в функционировании ландшафта. Теплообмен земной поверхности с почвогрунтами имеет циклический характер: в теплое время года тепловой поток направлен от поверхности к почве, в холодное - в противоположном направлении, и в среднем за год оба потока сбалансированы. Интенсивность этого теплообмена наибольшая в континентальных ландшафтах с резкими сезонными колебаниями температур воздуха и поверхности почвы. Также величина теплообмена зависит от влажности и литологического состава почвогрунтов, влияющих на их температуропроводность, и от растительного покрова.

В высоких и умеренных  широтах некоторая часть радиационного  тепла (порядка 2 - 5%) расходуется на таяние снега, льда, сезонной мерзлоты в почве и деятельного слоя многолетней мерзлоты. При замерзании воды затраченное тепло выделяется.

В трансформации солнечной  энергии важнейшая роль принадлежит  биоте, хотя на биохимическую реакцию фотосинтеза растения суши используют лишь 0,5% от общего потока суммарной радиации (или около 1,3% радиационного баланса). В процессе дыхания продуцентов, консу- ментов и редуцентов и разложения органических остатков использованная при фотосинтезе энергия снова превращается в тепло, поэтому почти вся энергия, связанная первичными продуцентами, рассеивается и в отличие от вещества уже не возвращается в биологический цикл.

Часть аккумулированной солнечной  энергии в ландшафте содержится в мертвом органическом веществе (подстилке, почвенном гумусе, торфе). Например, в гумусе мощных тучных черноземов она превышает 1000 МДж/м² в торфе - тысячи МДж/м² (Исаченко, 1991).

Особый аспект энергетики ландшафта связан с потоками механической энергии. Источники механического перемещения вещества в ландшафте имеют двоякую природу: оно осуществляется за счет энергии тектонических процессов и энергии солнечных лучей. Ежегодно при денудации превращается в кинетическую энергию около одной десятимиллионной доли запаса энергии, накопленной в надводной части материков (3*10 МДж), что соответствует десятитысячным долям процента от величины суммарной радиации (Исаченко, 1991). Это «незначительное» количество энергии приводит в движение мощные потоки твердого материала.

В количественном отношении  на 2 - 3 порядка выше потоки механической энергии, происходящие за счет трансформации солнечного тепла и обусловливающие перемещения воздушных и водных масс, а также ледников, пыли, органического опада. В механическую энергию ветра ежегодно переходит n*10¹⁴ МДж солнечной энергии (около 0,1% суммарной радиации, полученной всей сушей). Эта энергия рассеивается в виде тепла (в том числе и при выпадении атмосферных осадков. Преобразование энергии может служить одним из показателей интенсивности функционирования ландшафта.

2. Основные особенности функционирования.

Их познание есть исследование как внутренних, так и внешних  взаимосвязей ПТК. Среди внутренних взаимосвязей изучаются связи между  природными компонентами. Например, связи  между воздушными массами и почвами, между грунтовыми водами и растительностью, между химическим составом растительности и почв. Эти связи существуют между разными ярусами или геогоризонтами ПТК и потому называются вертикальными или радиальными. Внутри ПТК изучаются также связи между его морфологическими частями. Например, между склоном и днищем балки, между вершиной междуречной равнины и ее склонами. Это связи горизонтальные или латеральные. Они осуществляются через поверхностный сток, ветровой, гравигенный, биогенный перенос. Среди внешних связей ПТК исследуются как вертикальные (связи ПТК с атмосферой, земной корой), так и горизонтальные (между ПТК любого ранга).

Все взаимосвязи в ПТК  являются вещественно-энергетическими, так как процессы – это перемещение вещества и энергии. Иногда говорят и о передаче информации. Однако не следует считать информацию особым родом материи. Просто, при получении нужного количества вещества и энергии, которые и выступают в качестве информации, в ПТК как бы включается механизм нового процесса. Например, почва оттаяла, температура воздуха достигла 4–5°С – начинается вегетация растительности. Знание такого рода сигналов очень важно для понимания механизмов развития ПТК и для управления им.

Связи бывают односторонними и двусторонними, прямыми и обратными. Прямая связь – прямой результат воздействия. Например, повышение температуры воздуха вызывает усиление таяния снега. Понижение температуры воздуха приводит к промерзанию почв. Обратная связь «обратное воздействие результатов прогресса на его протекание» (БСЭ, т. 18, 1974, с. 222). Различают положительные и отрицательные обратные связи. Если результаты процесса усиливают сам процесс, то обратная связь является положительной. Например, накопление лесной подстилки приводит к увеличению в почве питательных веществ, что вызывает прирост биомассы. Ее отмирание вызывает дальнейшее накопление лесной подстилки. Положительные обратные связи усиливают процесс развития.

При отрицательных  обратных связях результаты процесса ослабляют сам процесс. Например, процесс проникновения влаги в почву приводит к возникновению ортзандов. Они задерживают дальнейшее поступление влаги в почву вниз по профилю. Отрицательные обратные связи ослабляют процесс развития.

С обратными связями тесно  связано понятие «саморегуляция». Под саморегуляцией понимается свойство системы устанавливать и поддерживать на определенном уровне те или иные параметры системы. В качестве примера можно назвать свойство ПТК восстанавливать нарушенную растительность через сукцессионные смены. Например, после пожара на месте ельника возникают заросли кипрея и малины. Они сменяются травяными березняками, а затем снова ельниками.

Другой пример. Транспирация растениями влаги падает при увеличении влажности воздуха, с понижением температуры воздуха, уменьшением  освещенности (увеличением облачности), уменьшением влажности и температуры  почв, уменьшением ветра, увеличением  концентрации клеточного сока, уменьшением  количества листьев. Естественно, это  приводит к регулированию влаги  в почве, что особенно важно в критические периоды существования ПТК.

Воздействие соседних комплексов на функционирование ПТК.

Функционирование любого ПТК зависит от его местоположения. Выделяют три группы элементарных ландшафтов (фаций) – элювиальные, супераквальные и субаквальные.

Элювиальные фации занимают автономные местоположения на плакорах (возвышенных, суглинистых водораздельных поверхностях с глубоким залеганием грунтовых вод). Они получают только атмосферную влагу, которая частично впитывается в почву, а частично стекает по склонам. При этом расход выносимого с водой вещества превышает его приход. Эти местоположения непрерывно обедняются. Только растительность, захватывая питательные вещества, ослабляет этот процесс. Супераквальные (надводные) фации формируются ниже элювиальных. Обычно здесь грунтовые воды залегают близко от поверхности. В результате испарения они поднимаются к поверхности почвы вместе с растворенными в них веществами. Это приводит к обогащению таких местоположений минеральными соединениями. Кроме того, сюда поступают различные вещества вместе с поверхностным стоком из элювиальных фаций. В то же время отсюда идет и вынос вещества в субаквальные фации. Субаквальные фации – дно водоемов, в которых накапливается ил, суглинок, песок.

Таким образом, в любом  ландшафте имеет место сопряжение фаций, которые располагаются от наиболее высоких местоположений к низким. Эти сопряженные ряды фаций называются катеной. Катена обычно охватывает ряд фаций, принадлежащих к двум-трем разным видам урочищ.

3. Генетико-динамическая классификация ландшафтов

Классификация была разработана И. И. Мамай (1997, 2000) на основании выявленных общих закономерностей развития ландшафтов. К ним относятся типы смен (неполные, полные, конца генетического цикла), внутригодовых и многолетних состояний, через которые проходит ландшафт. В этой системе классификаций учитываются как естественные, так и антропогенные причины наступления смен и состояний ПТК. Эта система классификаций показывает, какие причины обусловили современные свойства ПТК, под воздействием каких факторов они ныне развиваются, каков будет результат этого развития, и через какое время произойдет его реализация. Она позволяет сопоставить характер и силу естественного и антропогенного воздействия, как в прошлом комплекса, так и в его будущем, выводя на научно обоснованный прогноз его развития и возможность управления ПТК.

Выделение самого высокого классификационного ранга – отдела производится на основании отнесения ПТК к определенному циклу развития ПТК, сменяющих друг друга на каком-то отрезке времени и объединенных сходством макрочерт их литогенной основы. Таковы, например, отделы моренных днепровских, моренных московских, зандровых московских, озерных валдайских и других ландшафтов.

Следующий классификационный  ранг – семейство ПТК, учитывающий тип смены ПТК. Выделяются три семейства ПТК, возникших вследствие неполной смены, полной смены и смены конца цикла.

Подсемейства различаются в зависимости от того, была ли вызвавшая смену причина естественной или антропогенной. Если в изучаемом комплексе не было антропогенной смены, он относится к подсемейству природных, даже если в настоящее время испытывает антропогенную нагрузку, которая, в конце концов, приведет к очередной смене ПТК. При антропогенной смене, если дальнейшее развитие идет только под влиянием природных процессов (например, в отработанных и заброшенных карьерах), комплекс относится к вторично-природному подсемейству. Если же в ПТК произошла антропогенная смена и ныне, наряду с природными, комплекс испытывает антропогенное влияние, он относится к антропогенно-природному подсемейству. Если ПТК испытал две антропогенные смены или более, и ныне развивается под воздействием не только природных, но и антропогенных факторов, то он относится к длительно (многократно) антропогенно-природному подсемейству.

Класс ПТК выделяется внутри семейства на основании причины, вызвавшей последнюю естественную или антропогенную смену. Насчитывается 15 классов: термогенный, гидрогенный, трофогенный, литогенный, термогидрогенный, термотрофогенный, термолитогенный, гидротрофогенный, гидролитогенный, трофолитогенный, термогидротрофогенный, термогидролитогенный, термотрофолитогенный, гидротрофолитогениый, термогидротрофолиогенный.

Подклассы выделяются внутри классов на основании вида естественного воздействия на ПТК (похолодание, увеличение осадков, сель и т. д.) или хозяйственного (распашка, осушение, орошение и т. д.), что является детализацией причин выделения классов.

Отделы, семейства, подсемейства, классы, подклассы характеризуют происхождение ПТК. Следующие ступени (типы, подтипы, роды, виды) – особенности их современного развития – позволяют дать достоверный прогноз свойств будущих комплексов.

Внутри подклассов выделяются типы ПТК, в зависимости от того, привело ли к моменту исследования естественное или антропогенное воздействие к изменению направленности развития комплекса. Различаются два типа ПТК: инвариантные (находящиеся в фазе зарождения и становления или устойчивого существования и медленного развития) и трендовые (ПТК, вступившие в фазу смены).