1. Структура элементарных природно-территориальных комплексов

В ландшафтно-геофизических исследованиях большую роль играет изучение структуры природно-территориальных комплексов.

Обычно под структурой подразумевают определенную взаимосвязь, взаиморасположение составных частей; строение, устройство чего-либо. Существует множество структур ПТК функциональная, временная и т.п. Из них следует выделить пространственные структуры, которые, в свою очередь, делятся на латеральную, вертикальную и морфологическую.

Латеральная ("внутрифациальная") структура связана с объединением геомасс в некоторые "микрокомплексы", имеющие меньшую площадь, чем элементарные ПТК, - фации. При изучении этой структуры основное внимание уделяется взаиморасположению, взаимосвязи этих микрокомплексов.

Подобное объединение геомасс чаще всего бывает связано с дифференциацией биогенного компонента на синузии, консорции и далее - парцеллы, т.е. с биогенными модификациями фаций. Иногда микрокомплексность бывает связана и с другими компонентами ПТК, например, с так называемыми "карманными почвами" и т.п.

Подавляющее большинство географов (Н.А. Солнцев, А.Г. Исаченко, Сочава, и др.) принимают фацию за предельный уровень морфологического анализа при ландшафтном изучении территории, а исследование микрокомплексов относят либо к компетенции отраслевых дисциплин (геоботаники, почвоведения и т.д.), либо - биогеоценологии. Поэтому методика изучения латеральной структуры в этой книге не рассматривается.

2. Вертикальная структура и геогоризонты

2.1 Геогоризонты и их отличие от генетических горизонтов почвы, ярусов растительности и биогеогоризонтов

Вертикальная структура - вторая ступень пространственно-временного синтеза геомасс и первая ступень синтеза геогоризонтов. Таким образом, вертикальную структуру можно рассматривать как взаиморасположение, взаимосвязь геогоризонтов. Поэтому вначале будет дано определение геогоризонтам и приведены их основные свойства.

Геогоризонтами называются сравнительно однородные слои, характеризующиеся целым рядом ландшафтно-геофизических признаков, из которых наиболее важны специфичный набор и соотношение геомасс.

Основные отличия геогоризонтов от ярусов растительности, генетических горизонтов почв и биогеогоризонтов заключаются в следующем:

1. Геогоризонты - комплексные образования, в которые входят все наблюдаемые в том или ином слое ПТК компоненты. Например, в отличие от ярусов растений геогоризонты включают в себя как фитомассу, так и воздушные массы. Более того, в зимний период в надземных геогоризонтах в виде шапок снега на кронах хвойных деревьев могут наблюдаться и нивальные геомассы, а в дождливые дни - гидромассы, временно содержащиеся на поверхностях листьев, веток и т.п.

2. При выделении геогоризонтов основное внимание уделяется не биологическим параметрам (в частности, физиологическим процессам), а ландшафти геофизическим характеристикам. Этим геогоризонты отличаются от выделяемых в биогеоценологии биогеогоризонтов.

3. При выделении геогоризонтов большое значение имеет их роль в текущем функционировании ПТК. Поэтому иногда ярусы растительности и генетические горизонты почвы могут объединяться в один геогоризонт, либо дифференцироваться на разные геогоризонты (Т.Ф. Урушадзе, Н.Л. Беручашвили).

4. В силу того что ландшафтно-геофизические параметры испытывают существенную динамику в течение года, соответственно меняются и геогоризонты, тогда как генетические горизонты и, частично, ярусы растительности являются стабильными образованиями.

2.2 Основные свойства геогоризонтов

Одним из основных свойств геогоризонтов является их состав, т.е. из каких горных пород он состоит или какие виды растений его слагают и какими своими фракционными частями (кроной, генеративными или транспортно-скелетными органами) они входят в этот горизонт. Принципиально важно указать соответствие - несоответствие с генетическими горизонтами почвы, ярусами растительности, пластами горных пород.

Текстура является одной из важнейших характеристик геогоризонта, от которой зависят не только распределение и пространственная организация геомасс, но и многие процессы функционирования. Например, проникновение солнечной радиации, перехват осадков и т.п.

Структура почвы, в традиционном понимании, при ландшафтно-геофизических исследованиях может рассматриваться как текстура ее отдельных геогоризонтов. Текстура растительного покрова складывается из геометрии, фитометрии и архитектоники.

При ландшафтно-геофизических исследованиях текстура рассматривается, во-первых, с единых позиций и, во-вторых, комплексно. Например, в почвенных горизонтах существует не только текстура педомасс (комковатая, глыбистая, зернистая и т.д.), но и текстура корней (цилиндрическая с сильно меняющимся диаметром, стержневая и т.п.), а также в некоторых случаях еще и текстура литомасс (например, галечная в аллювиальных почвах).

Текстура геогоризонта в основном зависит от следующих характеристик:

1) формы элементов геомасс;

2) размера элементов;

3) ориентации элементов;

4) связанности элементов.

На основе сочетания этих характеристик строится классификация элементарных текстур. При этом под элементарной текстурой понимается текстура, сложенная элементами одного класса геомасс, имеющих одну форму и тип связности, хотя размер и в особенности ориентация этих элементов могут отличаться друг от друга.

Из элементарных складываются составные текстуры. Если один класс геомасс имеет две разные элементарные текстуры, то говорят о составных текстурах средней сложности, три - сложных, а четыре и более - очень сложных составных текстурах.

Текстура характеризует один класс геомасс, не более. Если в пределах геогоризонта выделяется несколько классов геомасс, то каждый из них будет иметь свою текстуру (или текстуры), а совокупность текстур разных классов геомасс будет характеризовать уже структуру (а не текстуру!) геогоризонта.

Аморфные геомассы - аэромассы и гидромассы, часто являются как бы "заполнителями" других текстур, например, фито-текстуры или педотекстуры. В этих случаях их не учитывают. Видимых невооруженным глазом зоомасс обычно так мало, что они крайне редко образуют отдельные текстуры. Мортмасса иногда имеет (сохраняет) текстуру фитомассы (например, свежая ветошь).

Простые текстуры, состоящие из одной элементарной текстуры, встречаются редко. Значительно чаще наблюдаются составные текстуры. Из последних наиболее распространены:

1) цилиндрические и кроновые;

2) кроновые и листовидные;

3) цилиндрические, кроновые, листовидные и др.

Для составных текстур приводится полное название слагающих их элементарных текстур. Например, кроновый аэрофитогоризонт в буковых лесах имеет кроновую разноориентированную и листовидную, близкую к округлой с субгоризонтальными и горизонтальными элементами составную текстуру.

Структура геогоризонтов понимается как пространственное (горизонтальное и вертикальное) соотношение текстур отдельных классов геомасс. Структура может состоять как из простых, так и составных текстур. В последнем случае, т.е. когда в одном горизонте имеется несколько текстур одного класса, они рассматриваются как целая, хотя и сложная, но единая структура.

Основными характеристиками структуры является гетерогенность - гомогенность (может быть, лучше говорить о гетероморфности и гомоморфности), регулярность и набор классов гебмасс. Последний выявляется в структуре через разные типы текстур - ведь каждому классу геомасс соответствует своя текстура.

Выделяются следующие основные виды структур:

1. Гомогенная - состоит из одной текстуры, составные элементы которой расположены на близком расстоянии друг от друга. Например, геогоризонты с колхидским подлеском, сомкнутыми кронами монодоминантных лесов и т.п.

2. Гетерогенно-гомогенная - представлена одной текстурой, но ее элементы разомкнуты и находятся на значительном расстоянии друг от друга. Например, парковые леса.

3. Гомогенно-гетерогенная - составлена из двух текстур и более, которые закономерно чередуются в пространстве и имеют некий, заранее определенный порядок этого чередования. Например, некоторые буково-темнохвойные леса, в которых после определенного количества деревьев бука следует опять же определенное количество деревьев пихты, затем снова бука и т.д. Важно, чтобы этот порядок был заранее предсказуем, т.е. при наличии одной текстуры можно было бы предсказать другие.

4. Гетерогенная - включает две текстуры и более, имеющие хаотичное распространение. Например, горизонты типа Lk\ Pt, ІА с хаотичным распределением выходов скальных пород на дневную поверхность.

Важной характеристикой структуры является ее регулярность. Различаются:

1. Регулярные по высоте и горизонтали структуры с одной или несколькими текстурами, имеющими одну мощность и закономерно чередующимися в пространстве.

2. Регулярные по горизонтали и иррегулярные по высоте - состоят из одной или нескольких текстур, закономерно чередующихся в пространстве, но имеющих разную мощность.

3. Регулярные по высоте и иррегулярные по горизонтали - с одной или несколькими текстурами одинаковой мощности, но хаотично распределенные в пространстве.

4. Иррегулярные как по высоте, так и по горизонтали, характерны обычно для гетерогенных текстур, хаотично расположенных в пространстве и имеющих разную мощность.

Названия структур складываются из характеристиках гомогенности-гетерогенности и регулярности. Например, гомогенная, регулярная по высоте и горизонтали структура, или гомогенно-гетерогенная регулярная по горизонтали и иррегулярная по высоте структура.

К важным характеристикам горизонта относится его функционирование и признаки отдельных геомасс - форма, размер, регулярность, ориентация, проективное покрытие, объем, цвет, влажность, физиологическое состояние, изменение во времени. Об этих признаках уже говорилось в соответствующих главах, поэтому они в этой главе не рассматриваются, но учитываются при описании геогоризонтов.

2.3 Методика выделения геогоризонтов

Для выделения геогоризонтов в полевых условиях удобно использовать зарисовку вертикального профиля ПТК, на который цветными карандашами или фломастерами или путем отдельных условных обозначений наносятся различные геомассы. Например, транспортно-скелетные органы - ветки и стволы - наносятся коричневым цветом, мезофитная хвоя - темно-зеленым, а листья и стебли травянистых растений - бледно-зеленым.

В одних случаях при зарисовке используется один и тот же масштаб для всего вертикального профиля ПТК. В других приходится делать две зарисовки: одну - для всего профиля, а другую (в более крупном масштабе) - для припочвенного (приповерхностного) слоя ПТК. Иногда для подземной части вертикального профиля употребляется один масштаб, а для надземной - другой. Допустимо применение логарифмических масштабов, однако при этом наглядность зарисовки уменьшается. После того как сделана зарисовка, приступают к анализу. Напомним, что при выделении геогоризонтов основным критерием является набор геомасс. Изменение этого набора свидетельствует о появлении нового геогоризонта. Например, если в вертикальном профиле ПТК после слоя, в котором преобладают аэромассы и транспортно-скелетные органы фитомассы, начинается слой с новой геомассой мезофитных листьев, то это свидетельствует о переходе одного геогоризонта в другой. При этом с этой геомассой будет связано наличие целого рода специфичных процессов функционирования, не свойственных вышележащему геогоризонту. В частности, будет наблюдаться интенсивное биогенное функционирование (фотосинтез и дыхание), а также транспирация. В силу того что мезофитные листья имеют большой листовой индекс, в этом слое будет значительное проективное покрытие, а с ним связано задержание солнечной радиации. Наконец, в рассматриваемом геогоризонте будет происходить интенсивная трансформация таких метеорологических параметров, как температура и влажность воздуха.

Другой пример - если в подземной части вертикального профиля ПТК будет обнаружено наличие мерзлых гидромасс, то это тоже будет свидетельствовать о новом геогоризонте. В начале летнего периода в таежных ПТК в слое, лежащем выше этого горизонта, будут происходить активные почвенные процессы, интенсивное поглощение влаги и минеральных веществ растениями и, таким образом, рассматриваемый слой примет активное участие в текущем функционировании ПТК. В то же время лежащий ниже мерзлый геогоризонт будет инертен, и в нем многие процессы функционирования будут законсервированы. Кстати, граница между этими двумя геогоризонтами может не совпадать с генетическими горизонтами почвы.

Третий пример - в кроновой части фаций с темнохвойными лесами имеется снег в виде снежных шапок на ветках деревьев. Таким образом, налицо - специфичная геомасса, а значит и особый геогоризонт.

Приведенные примеры показывают, что изменение набора геомасс очень хороший индикатор смены геогоризонтов.

Кроме набора и соотношения геомасс, при выделении геогоризонтов большое значение имеют их текстурно-структурные особенности, которые тесно связаны с формой, размером и ориентацией геомасс. Например, смена кроны стволовой частью у большинства ПТК свидетельствует о смене геогоризонтов.

В результате анализа на зарисовке выделяются параллельные земной поверхности слои - геогоризонты, которые отличаются друг от друга:

1) набором геомасс;

2) различием в соотношении отдельных геомасс (например, преобладанием аэромасс над фитомассами или наоборот;

3) текстурно-структурными особенностями.

Естественно, что определенный опыт позволяет выделять геогоризонты и без зарисовки.

При дифференциации вертикального профиля надо стараться выделять геогоризонты с одной и той же детальностью, т.е. одного классификационного ранга.

Классификация геогоризонтов не отличается сложными принципами, так как основана на соответствии с классификационными единицами геомасс: класс геогоризонтов выделяется на основе набора и соотношения классов геомасс, тип геогоризонтов - типов геомасс и т.п.

2.4 Индексация геогоризонтов

После того как на зарисовке вертикального профиля выделены геогоризонты, приступают к их индексации. При этом соблюдают определенные "грамматические" правила. Заглавными буквами всегда пишутся классы геомасс (лито-, педо-, фито-, зоо-, гидро - и аэромассы). Они не разделяются запятой, тогда как индексы более дробных подразделений - типов и родов геомасс, которые состоят из одной или двух строчных букв, пишутся в пределах соответствующих классов и разделяются запятыми. В формуле геогоризонта классы геомасс располагаются в порядке уменьшения их массы. На первое место ставится самая "тяжелая" геомасса, затем вторая по массе и т.д. В пределах классов типы и роды геомасс также располагаются в порядке уменьшения их массы.

Для каждой геомассы в виде верхнего индекса ставится число, обозначающее для фитомасс и мортмасс проективное покрытие в процентах, а для литомасс и педомасс их объемную долю (в процентах) от объема геогоризонта. Для аэромасс и гидромасс ни проективное покрытие, ни объем не указываются, так как они имеют аморфную форму. В конце формулы за разделительной чертой ставятся цифры, обозначающие верхнюю и нижнюю границы геогоризонта.

Приведем пример формулы геогоризонта

AmPt¹, f⁶⁰ │

Если некоторые свойства геомасс повторяются в различных геогоризонтах, то они указываются лишь там, где первый раз встречаются. Например, то, что в надземной части аэромассы макротермальны, следует указывать лишь в верхнем геогоризонте, тогда как в нижних достаточно указать индекс класса геомасс. Подобная редукция не допускается, если в пределах одного класса выделяется несколько типов или родов геомасс.

При составлении формул следует учитывать следующие правила:

1. В большинстве ПТК с лесной растительностью кроновые геогоризонты отличаются преобладанием аэромасс, тогда как горизонты со стволами деревьев и кустарников, например, доминированием фитомасс. Поэтому в таких ПТК в верхней части вертикального профиля преобладают аэрофитогоризонты (АР), а в нижней - фитоаэрогоризонты (РА).

2. В ПТК с травянистой растительностью смена горизонтов класса АР на горизонты РА происходит при проективном покрытии фитомассы более 70-90%.

3. Так как литомассы имеют в 2-3 раза большую плотность, чем педомассы, то если они составляют более 30% от общего объема горизонта, их индекс следует ставить на первое место. Если в почве содержится среднее количество гидромасс (Hs), а литомасс от 10 до 30%, то в формуле геогоризонта литомассы ставятся на второе место после педомасс.

4. В надземной части в связи с относительно малой плотностью аэромасс и литомасс, даже при объемной доли литомасс в геогоризонте не более 1-3%, они преобладают по массе.

5. Транспортно-скелетные органы, несмотря на небольшое проективное покрытие, имеют большую массу, чем листья. Поэтому в подавляющем большинстве случаев в формулах горизонтов на первое место ставится индекс транспортно-скелетных органов, а на второе - листья.

3. Основные характеристики вертикальной структуры

Синтез геогоризонтов в вертикальном профиле ПТК определяет его вертикальную структуру. Основными характеристиками этой структуры являются мощность, сложность, напряженность и состав геомасс и геогоризонтов. Из них для изучения состояний ПТК наиболее важен состав, т.е. набор специфичных для данного природно-территориального комплекса геомасс и геогоризонтов. Именно он определяет не только структуру, но и характер функционирования ПТК.

0. Крайне маломощные (наноструктуры) - 1 м.

1. Незначительной мощности (микромезоструктуры) - 1 - 2 м.

2. Маломощные (мезоструктуры) - 2-4 м.

3. Средней мощности (мезомакроструктуры) - 4-8 м.

4. Повышенной мощности (макромезоструктуры) - 8-16 м.

5. Большой мощности (макроструктуры) - 16-32 м.

6. Очень большой мощности (мегаструктуры) - 32 м.

Такие показатели, как сложность и напряженность вертикального профиля, имеют относительно низкое таксономическое значение. Для выбора градаций ПТК по сложности вертикальной структуры были проанализированы данные по этому показателю для всех экспериментальных участков, описанных в самых различных ландшафтах. Результат этого анализа показывает, что наиболее оптимально сгруппировать их попарно.

1. Примитивные структуры - 2-3 геогоризонта.

2. Простой сложности - 4-5 геогоризонтов.

3. Средней сложности - 6-7 геогоризонтов.

4. Повышенной сложности - 8-9 геогоризонтов.

5. Большой сложности - 10-11 геогоризонтов.

6. Очень большой сложности - 12 геогоризонтов. По напряженности выделяются три градации:

1. ПТК с малой напряженностью вертикального профиля - приходится меньше одного геогоризонта на 2 м вертикального профиля.

2. ПТК со средней напряженностью - один геогоризонт на 1-2 м вертикального профиля.

3. ПТК с большой напряженностью - на 1 м вертикального профиля приходится больше одного горизонта.

Названия типов вертикальных структур строятся на основе специфичных геомасс и геогоризонтов. Затем указываются мощность, сложность и напряженность вертикальных структур. Так как многие особенности вертикальной структуры тесно связаны с набором геогоризонтов, обусловлены различной растительностью и почвой, для краткости можно использовать такие названия, как мезофитные лесные, мезоксерофитные лесные и т.п. вертикальные структуры.

3.1 Классификация вертикальных структур

Наиболее крупная классификационная единица - класс вертикальных структур - выделяется на основе того, какой класс геомасс определяет структуру ПТК в целом в данном состоянии.

Выделяются следующие основные классы:

1. Фитогенные - связанные с доминирующей ролью растительного покрова в формировании вертикальной структуры.

Выделяются два подкласса:

а) собственно фитогенные с активными фитомассами (т.е. с увеличением, хотя бы даже незначительным, этой геомассы);

б) фитоскелетные, обусловленные в основном транспортно-скелетными органами, находящимися в пассивном состоянии со стабильным или уменьшающим количеством фитомасс.

2. Постфитогенные (мортмассовые), связанные в основном с мортмассой растений - ветошью, подстилкой, сухостоем и т.д., которые определяют характер вертикальной структуры ПТК.

3. Гидрогенные, со следующими подклассами:

а) низальные - с одним или несколькими снежными горизонтами;

б) криогенные - с одним или несколькими мерзлыми горизонтами;

в) собственно гидрогенные - с геогоризонтами с преобладанием гидромасс (например, при наводнениях);

г) болотные;

д) ледниковые.

4. Педогенные - структура с основной ролью педомасс (например, структура поля пшеницы после ее уборки).

5. Литогенные - с доминированием в характере вертикальной структуры литомасс (например, скальные, обвально-осыпные, пляжные).

Довольно часто встречаются переходные типы. Например, фитогенно-постфитогенные, фитогенно-литогенные и т.п. структуры.

В пределах этих классов по набору основных геомасс и геогоризонтов выделяются типы вертикальных структур. Более мелкие особенности (мощность, сложность и напряженность) служат основой дифференциации на роды и виды.

Так, для ландшафтов Кавказа в летние стексы стабилизации структуры выделяются типы колхидских гумидных древесно-кустарниковых, гумидных мезофитных древесно-кустарниковых, холодно-умеренных и высокогорных травянистых и других вертикальных структур.

3.2 Динамика вертикальной структуры, инвариантные и мобильные геогоризонты

Вертикальные структуры природно-территориальных комплексов в течение года испытывают четко выраженную динамику. Состав некоторых ПТК обновляется в течение года несколько раз. Это объясняется тем, что геогоризонт - понятие пространственно-временное. Большое разнообразие вертикальных структур усложняет их использование для выделения, сравнения и классификации фаций.

Очевидно, что наряду с понятием об изменчивых во времени геогоризонтах, необходимо, во-первых, представление о некотором инварианте вертикальной структуры, присущем каждому типу (классу, виду) фаций и, во-вторых, анализ и выявление верных и характерных именно для данного ПТК геогоризонтов.

Исследования динамики геогоризонтов в течение года показали, что можно выделять инвариантные, квазиинвариантные и мобильные геогоризонты.

Инвариантные геогоризонты встречаются практически в течение всего года. К ним, например, относятся литогоризонты в подземной части вертикального профиля ПТК, геогоризонт с транспортно-скелетными органами - PtA - в надземной части. Эти горизонты в некоторых ПТК остаются практически неизменными во все состояния.

Квазиинвариантные геогоризонты в отличие от инвариантных пользуются более широким распространением. Они остаются неизменными в подавляющем большинстве состояний ПТК. К ним, например, относятся геогоризонты с подстилкой PtMlA, геогоризонт с колхидским подлеском Pt, НА и др.

Мобильные (изменчивые) геогоризонты тесно связаны с отдельными состояниями ПТК и поэтому в течение года часто меняются. По частоте встречаемости их можно подразделить на часто встречающиеся геогоризонты, характерные для нескольких состояний ПТК, и редко встречающиеся, которые наблюдаются только в одно из состояний ПТК.

Следует отметить, что инвариантность и изменчивость тесно связаны с таксономическим рангом геогоризонта. На уровне видов инвариантные горизонты практически не встречаются. Зато практически неизменны в течение года геогоризонты чаще на уровне типов. Это и понятно, так как уменьшением ранга увеличиваются индивидуальные особенности геогоризонтов. Поэтому один и тот же геогоризонт в каком-либо конкретном ПТК, рассматриваемый на уровне типа, может быть инвариантным, а на уровне вида - изменчивым.

Литература

1. Беручашвили Н.Л. Четыре измерения ландшафта. - М., 1986

2. Дьяконов К.Н. Геофизика ландшафта. - Минск, 1995

3. Зубов С.М. Основы геофизики ландшафта. - Минск, 1995

4. Павлов А.В. Теплофизика ландшафтов. - Новосибирск, 1999