Сезонное изменение ландшафта

Рис. 4. Динамика параметров, характеризующих структуру и функционирование фаций ПСЛ в течение 1973 г. (См. условные обозначения к рис. 1.) 
 
 
 
 
 
 

2.Амплитуда колебаний подавляющего большинства параметров, характеризующих структуру и функционирование ПТК. В различные отрезки времени неодинакова. Отдельные мелкие флюктуации совершаются на фоне средних и более крупных циклов. Например, минутные изменения температуры воздуха происходят на фоне часовых, последние — на фоне суточных изменений и т. д. При этом наибольшие колебания температуры воздуха на Марткопском стационаре совершаются в течение суток и года, а температуры почвы на глубине 1,6 м — в течение года. Все это приводит к наложению частот, что затрудняет интерпретацию значений наблюдаемого параметра функционирования ПТК.

  3.При анализе изменения отдельных процессов во времени хорошо выявляются эффекты инерции и последствия, или так называемый «эффект последействия». Эти эффекты были в свое время детально изучены на Марткопском стационаре (Некоторые параметры биогеоцикла..., 1974) при анализе динамики фитомассы. Оказалось, что постепенный переход веществ из одного блока биогеоцикла в другой (например, переход зеленой фракции фитомассы в ветошь, в подстилку и т.д.) обусловливает сдвиг по фазе и уменьшение амплитуды. Это хорошо видно из рис. 6. Ветошь по сравнению с зеленой фракцией изменяется с меньшей амплитудой и сдвигом по фазе на полгода. Старая ветошь и свежая подстилка изменяются с меньшей амплитудой и с большим сдвигом по фазе, чем ветошь.

  4. Процессы, имеющие различные источники колебаний (например, солнечная энергия, осадки или силы гравитации), довольно часто бывают асинхронными.

  5.Зависимость между изменением во времени отдельных процессов и явлений в ПТК носит не менее сложный характер, чем сопряженность отдельных компонентов ПТК в пространстве. Например, динамика фитомассы зависит от целого ряда условий, и в частности от хода температуры и влажности, запаса минеральных веществ в почве, жизненного   цикла   отдельных растений и т.д. Из-за этого крайне трудно моделировать динамику отдельных процессов, так как сопряженный анализ их изменения во времени при  более трех определяющих  переменных – практически не решаемая  задача. В этом видимо, и кроется одна из причин многих неудачных попыток математического моделирования ПТК и их динамики.

     Два подхода к изучению динамики процессов и явлений в ПТК. В современном ландшафтоведении есть возможность продолжить детальное исследование  отдельных процессов, рассматривая их как некоторый континуум. При этом можно попытаться классифицировать компоненты ПТК по частоте и амплитуде их изменения.  Определенные результаты можно ожидать и от сопряженного анализа динамики процессов и явлений в ПТК.

Однако в этом ли традиции и сущность ландшафтоведения? Может быть, есть и другой подход?

    Обратимся к графикам, приведенным на рис. 1 – 5. Детальное рассмотрение их показывает, что отдельные параметры функционирования, распределяющиеся на первый взгляд хаотично, тесно связаны между собой. Например, на рис. 1 понижению суммарной радиации между 25 и 45 минутами соответствует некоторое понижение температуры воздуха и поверхности почвы и в то же время незначительное повышение относительной влажности воздуха. На рис. 3 хорошо видно, что в период с 8 по 19 апреля выпало относительно небольшое количество осадков и значения суммарной радиации были в среднем значительно выше нормы. Этому соответствуют высокие температуры воздуха и поверхности почвы, некоторое понижение влажности почвы и более интенсивный рост фитомассы.

     Хотя и не все параметры реагируют в этом интервале времени (например, температура почвы на глубине 1,6 м), но всем им свойственны величины, характерные  именно для этого периода (та же температура почвы на глубине 1,6 м постепенно повышается от 7,2 до 7,7º).

    Все это наводит на мысль о том, что существуют некоторые целостные объекты, или «гештальты» (Блажек, Гадач, Голубчикова, 1997), которые хорошо выявливаются при сопряженном изучении процессов функционирования. Их наличие подтверждается еще и определенной пространственной (вертикальной) структурой. По сути «гештальты» - не что иное , как состояния ПТК.

    Понятие «состояние ПТК». Выделение состояний такого сложного объекта, как ПТК, достаточно сложная процедура. Для нее отнюдь не достаточно проанализировать динамику отдельных параметров функционирования, ибо эффекты, связанные с инерцией, последствиями и другими факторами, часто не позволяют однозначно выделять состояния ПТК. Избежать этих трудностей можно с помощью теории систем, в которой понятие «состояние системы» - одно из наиболее  важных.

    В общей теории систем считается, что состоянием системы в момент t является информация, которая вместе с функцией на входе, заданной для t₁ ≥ t ≥ t₀ ,определяет единственную функцию на выходе  t_i ≥ t ≥ t₀ при любом t_i ≥ t₀. ( Директор, Рорер, 1974, с. 175). В теории управления под состоянием динамической системы понимается наилучший набор чисел, который необходимо задать в данный момент времени  t₀, чтобы стало возможным в рамках математического описания системы предсказать ее поведение в любой будущей момент времени t ≥ t₀ (Новосельцев, 1978,с. 134).          

Понятие состояние ПТК тоже должно включать некоторую «информацию» о нем, «наилучший набор чисел», «определенную совокупность происходящих процессов».

     Не трудно заметить, что такую «информацию» может дать определенное соотношение (совокупность) параметров структуры и функционирования. Об этом соотношении мы писали выше. Забегая вперед, отметим, что под «структурой» мы понимаем пространственную (вертикальную и горизонтальную) структуру ПТК, а под функционированием — совокупность всех процессов обмена и преобразования вещества и энергии в ПТК (Исаченко, 1979). Весьма существен в определении состояния системы «наилучший набор чисел». Следовательно, при описании состояний ПТК основное внимание надо уделить наиболее характерным признакам, по которым данное состояние в значительной степени отличается от других.

Ни в одном определении состояния не фигурирует время, в течение которого оно наблюдается. А как известно, состояние ПТК может длиться от нескольких секунд до многих лет.

Рис 5. Динамика параметров биогеоцикла в фациях ПСЛ в 1974 г.

ФВЗ - фитомасса зеленой фракции, сырая; ФСЗ – то же, сухая; ФВВ – ветошь, сырая; ФСВ – то же сухая; ФВС -  старая ветошь, сырая; ФСС – то же, сухая; ФВП – подстилка, сырая; ФСП – то же, сухая; ФКР – корни, сухие. 

     Для определения состояния системы очень важно соотношение функции на входе и на выходе. Это весьма существенное ограничение, ибо если не изменилось воздействие на выходе и соответственно не изменилась функция на выходе, то нет и смены состояния. Например, состояние диска Солнца (и соответственно количество прямой и рассеянной радиации)   изменилось настолько быстро или незначительно, что не отразилось на интенсивности   функций на выходе (транспирации,   фотосинтезе, физическом испарении и т. д.), следовательно,   не  произошло смены состояния ПТК. Рассмотрим еще один пример.   Слабый дождь с суточным количеством осадков 1 мм прошел в фациях степей и влажносубтропических   колхидских  лесов. В первом случае воздействие на входе — осадки — влечет за собой значительное изменение влажности верхних слоев почвы, что на фоне ощутимого дефицита влаги приводит к увеличению интенсивности транспирации, фотосинтеза и количества фитомассы. Таким образом,  очевидно как функция  на  входе, так и конкретная функция на выходе и, следовательно, смена состояний. Во втором случае в колхидских ландшафтах, всегда избыточно увлажненных, практически все выпавшие осадки из-за мощной фитомассы задержались в кроне, не достигли почвы и, не изменив существенно ни структуру, ни функционирование, не нашли отклика в функции  ПТК на выходе. Следовательно,  во  втором случае не изменилось состояние ПТК.

     Итак, для выделения состояний ПТК сопряженный анализ динамики любых отдельных параметров структуры и функционирования в какой-либо промежуток времени отнюдь не достаточен. Необходимо также учитывать соотношение функций   на входе и на выходе. Поэтому состояние ПТК следует рассматривать как определенное соотношение  параметров  структуры   и функционирования в какой-либо промежуток времени, в течение которого конкретные воздействия на входе (солнечная радиация, осадки, и т.д.) трансформируются  в определенные функции (сток, некоторые другие гравигенные потоки, прирост фитомассы и т.п.) на выходе.

    Продолжительность состояний и их классификация по длительности. Какова структура временных изменений всего ПТК в целом? Можно ли в связи с этим дифференцировать состояния ПТК? Ведь если в морфологии ландшафта наиболее важным является подразделение на единицы разных размеров или масштабов, то, вероятно, аналогичная ситуация должна наблюдаться при пространственно-временном синтезе, к, следовательно, поставленные вопросы имеют большое значение для рассматриваемой проблемы.

     На Марткопском стационаре были зарегистрированы самые кратковременные состояния, длящиеся всего несколько минут. Они хорошо видны на рис. 1, где показано сопряженное изменение некоторых параметров функционирования ПТК в зависимости от состояния диска Солнца при переменной облачности. Например, когда солнечный диск не закрыт облаками, резко увеличивается суммарная радиация, что обычно влечет за собой повышение температуры воздуха, а также интенсивности фотосинтеза, транспирации и других процессов.

    Таким образом, четко фиксируется как определенное соотношение параметров структуры и функционирования ПТК, так и его функция на входе и на выходе, а, следовательно, и специфичное состояние. При «набегании» облаков состояние быстро меняется на «пасмурное», которое также длится всего лишь несколько минут. Поскольку эти состояния непродолжительны, они охватывают лишь самые верхние слои ПТК и в основном бывают связаны с состоянием воздушных масс.

    Как показали наблюдения на Марткопском стационаре, во время этих «минутных» состояний изменяются те параметры, которые связаны с трансформацией солнечной радиации, — температура воздуха и поверхности почвы, упругость водяного пара и относительная влажность воздуха.

    В течение суток могут наблюдаться периоды с дождливой, пасмурной и ясной погодой, а также с сильным ветром, снегопадом и т. д. Они связаны с изменением погоды, и обычно их продолжительность колеблется от нескольких минут до нескольких часов. Каждому конкретному воздействию на входе — соотношению метеорологических параметров (дождь, снегопад, туман и т.п.)— соответствуют конкретные функции на выходе, связанные с особенностями функционирования ПТК (инфильтрация, сток, установление снежного покрова и т.д.).

     В пределах суток четко различаются периоды, связанные с внутрисуточной ритмикой целого комплекса процессов. Эти периоды можно назвать внутрисуточными (ночными, утренними и др.) состояниями.

Во время их изменяется значительно больше параметров функционирования ПТК, чем при минутных: трансформация солнечной энергии, некоторые элементы влагооборота, температура воздуха и почвы до глубины 0.2—0,4 м и др. (см. рис. 2).

     В ритмике многих процессов очень хорошо выражен суточный цикл, который можно рассматривать, с одной стороны, как комбинацию более кратковременных состояний, а с другой — как среднесуточные, или суммарные, величины параметров функционирования и структуры ПТК.

Рассмотрим структуру и функционирование фации пологих склонов с лугостепной растительностью в несколько типичных дней.

     На рис. 7 приведена графическая модель структуры и функционирования этих фаций в последний весенний день (31 мая 1971 г.) с ясной, солнечной погодой. Модель рассчитана либо по среднесуточным, либо по суммарным величинам. Высота отдельных растений достигает 80 см, однако основная часть фитомассы, представленная главным образом зеленой фракцией, сосредоточена в приповерхностном слое. Выше фитомасса вначале резко, а потом постепенно уменьшается. Максимальное значение фитомассы корней наблюдается в верхнем почвенном горизонте.

    Интенсивность проникновения солнечной радиации в растительность зависит от характера распределения фитомассы. Из 660 кал. ¹ суммарной радиации на поверхность почвы поступает лишь 205 кал. Соответственно уменьшается и радиационный баланс с 498 до 190 кал. За счет радиационного баланса происходит турбулентный теплообмен с атмосферой (измерения показали, что на это тратится 250 кал.) и теплообмен с почвой (—8,6 кал.). Около 168 кал. расходуется на транспирацию, 89 кал. — на физическое испарение и сравнительно небольшое количество энергии — на фотосинтез. В результате за день продуцируется около 0,1 т зеленой фитомассы (см. рис. 7).

     Влагооборот, естественно, характеризуется лишь расходной частью. Около 28 т транспирируется растениями, а 15 т расходуется на физическое испарение. Сравнительно небольшая часть просачивается в более глубокие слои почвы. Зеленая фракция фитомассы, так же как и ветошь и подстилка, потребляется многочисленными гетеротрофами. Подстилка и частично мертвые корни минерализуются и переходят в запасы биогеоцикла. В это время гравигенные потоки не наблюдаются. В почве содержится. 925 т/га воды, из которых ежедневно испаряется около 4,0%.