Сезонное изменение ландшафтов

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Географический факультет

Кафедра экономической географии

Сезонное изменение ландшафтов

(курсовая работа)

Бикбаева А. С. (3 курс ОЗО)

Научный руководитель

ст. преподаватель

И. М. Яппаров

УФА -- 2010г.

Содержание

Введение

Глава 1.Годичный цикл функционирования ландшафта

Глава 2. Анализ и синтез изменения характеристик ПТК во времени (первый подход к выделению состояний ПТК)

Глава 3. Развитие и динамика ПТК

Глава 4. Состояния ПТК

Глава 5. Ландшафт как саморегулируемая система

Глава 6. Смена функций ландшафтов

Глава 7. Выявление внутрисезонных и сезонных состояний ПТК

Глава 8. Выявление годовых состояний ПТК

Список использованной литературы

Введение

Изучение взаимодействие различных компонентов и элементов ландшафта между собой привело специалистов к необходимости понимания хотя бы самых общих основ функционирования ландшафта.

Функционирование ландшафта слагается из множества элементарных процессов, имеющих различную природу: физико-механическую(падение капель дождя или размыв речных берегов), химическую(растворение газов в воде) или биологическую(фотосинтез). В совокупности все эти процессы приводят к перемещению, обмену и трансформации вещества и энергии.

При этом между компонентами ландшафта образуются различные связи, односторонние и двусторонние, прямые и обратные. Последние особенно важны в процессе саморегулирования ландшафта и обеспечение его устойчивости.

Функционированию ландшафта как системы свойственна цикличность, которая сопровождается определенными изменениями его вертикальной структуры. Движущим механизмом внутри годовой динамики ландшафтов служит изменение увлажнения и средних суточных температур. Однако сезонные флуктуации функционирования ландшафта -- далеко не единственное проявление его изменчивости во времени. Хорошо известен суточный ритм, в котором смена дня и ночи сопровождается колебаниями освещенности, температуры, влажности воздуха, что в свою очередь,влечет пульсацию вертикальных и латеральных потоков влаги и воздуха, процессов замерзания и оттаивания. Характерно, что суточные изменения наиболее заметны в переходные «демисезонные» фазы. Так, в середине марта в предутренние часы при безоблачном небе температура воздуха может опускаться до -10°С; с появлением солнца, начиная с 9 -- 10 часов утра, происходит разогрев приземного слоя; с поверхности «теплых склонов» начинается активная сублимация, а затем и испарение влаги, к полудню температура может подняться до 0°С и даже выше (до 1-2°С); происходит подтаивание и оседание навеянных сугробов; отполированный ветром и еще ночью твердый наст начинает проваливаться под лапами зверей, с ветвей елей с шорохом съезжают навеянные снежинки, на голых ветвях лиственных пород вытягиваются сосульки, кое где вскрываются проталины, по которым текут первые ручьи; однако ближе к заходу солнца температура вновь падает, застывают сосульки, опять твердеет наст.

Глава 1. Годичный цикл функционирования ландшафта

Характеристика функционирования ландшафта обычно основывается на средних или суммарных годовых показателях (табл. 5--15), и это не случайно, так как год -- это минимальный отрезок времени, в течение которого выявляются все типичные процессы функционирования и для которого может быть составлен полный баланс вещества и энергии в геосистеме. Можно сказать, что годичный интервал -- это минимальное время выявления всякой геосистемы.

Функционирование геосистем имеет циклический характер и подчинено цикличности поступления солнечной энергии. Каждому компоненту присуща определенная инерционность, т.е. большее или меньшее отставание ответных реакций на внешние (астрономические) причины внутригодовых изменений, в силу чего эти изменения не синхронны в отдельных процессах и явлениях. Уже тепловой режим приземного слоя воздуха не следует автоматически за высотой солнца над горизонтом, и кривая годового хода температуры сдвинута по отношению к кривым суммарной радиации и радиационного баланса/ В тайге Северо-Запада Русской равнины максимум солнечной радиации наблюдается в июне, наиболее высокая температура воздуха -- в июле, а нижних горизонтов почвы -- только в сентябре; в период наибольшего выпадения осадков запасы продуктивной влаги в почве оказываются наименьшими (рис. 41). Под покровом сомкнутого пихтового леса (в Приангарье), где теплообмен сильно замедлен, к тому моменту, когда солнечная радиация достигает максимума, на глубине 3 м наступает годовой минимум температуры./

С инерционностью компонентов связан эффект последействия, т. е. зависимость состояния геосистемы от характера предшествующих сезонных фаз. В тайге весной и в начале лета атмосферное увлажнение недостаточное, однако благодаря зимнему накоплению снега почва получает дополнительный запас влаги, обеспечивающий функционирование биоты. В муссонных ландшафтах, где снегонакопление незначительное, весной наблюдаются засухи. Летние температуры корне обитаемого слоя в темнохвойных лесах теснее коррелируют со снежностью и мерзлотностью предшествующей зимы, чем с температурой воздуха текущих летних фаз. Термические условия осени влияют на интенсивность стока и запасы почвенной влаги весной (так, сильное осеннее промерзание почвы ухудшает возможность просачивания талых вод и способствует усилению поверхностного стока и образованию высокого половодья).

Цикличность процессов функционирования геосистемы сопровождается определенными изменениями ее вертикальной структуры. В умеренном поясе особенно четко различаются летний и зимний варианты этой структуры. Летний, ассимилирующий зеленый покров с более или менее сложной системой горизонтов (древесный полог, подлесок, травяной ярус и т.п.) зимой полностью или частично деградирован, но в это время года появляются снежный покров и мерзлотный почвенный слой.

Для любого отдельного момента годового цикла можно получить временной срез, отражающий состояние системы как эпизод непрерывного циклического процесса.

Внутригодовой режим тепла и влаги в Ленинграде:

Q - суммарная радиация, R -- радиационный баланс,t? - средняя температура воздуха, t? - средняя температура почвогрунта под оголенной поверхностью, t?- то же под естественным покровом, r -среднее месячное количество осадков, e- средняя месячная величина испарения, q- средний месячный стока, b- средний месячный водный баланс, С?- средняя высота снежного покрова, Вc- средний запас влаги в снежном покрове, Вп- средний запас влаги в верхнем метровом слое почвы. Й -- XЙЙ- месяцы

Однако подобные мгновенные срезы каждый в отдельности не дают возможности установить закономерности функционирования системы. На каждом отрывочном отрезке годового цикла отдельные процессы могут быть несбалансированными и создавать впечатление противоречивости (например, интенсивный расход влаги на испарение и транспирацию при полном отсутствии ее поступления или продолжающееся охлаждение почвы при повышении температуры воздуха). Лишь полный анализ интегрального процесса функционирования ландшафта в закономерной последовательной смене внутригодовых состояний может раскрыть его сущность.

Фенологи и ландшафтоведы предложили различные схемы деления годичного цикла на сезоны, подсезоны, фазы, этапы и т.п. Так, В. А. Фриш различает летний и зимний варианты ландшафтной структуры, а в каждом из них по четыре этапа. На примере Белорусского Поозерья в зимнем варианте выделяются следующие этапы: 1) формирование -- образование первого снежного и ледового покрова, начало промерзания почв, зимнего покоя растений, спячки животных; 2) консолидация -- установление постоянного и сплошного снежного и ледового покровов; 3) кульминация -- пессимальные для биоценозов режимы, самые холодные погоды года; 4) деградация -- начало разрушения снежного и ледового покровов при радиационных оттепелях в послеполуденные часы, повышенная активность не впадавших в спячку животных. Этапы летнего варианта ландшафтной структуры: 1) формирование -- начало освобождения поверхности суши и водоемов от снега и льда, начало вегетации, активное состояние животного мира; 2) консолидация -- начало массового развития листовой поверхности растений; 3) кульминация -- наиболее оптимальные в году режимы развития биоценозов и максимальное продуцирование органического вещества (между датами последнего весеннего и первого осеннего заморозков); 4) деградация заморозки в предутренние часы на поверхности почвы и травяного яруса, в котором происходит массовое отмирание годичных побегов, осеннее окрашивание листвы и листопад -- подготовка растений к зимнему покою.

В рамках этапов В. А. Фриш выделяет 35 стадий, в основном связанных с отдельными погодными ситуациями (например, с осадками и без осадков, с метелями, волнами холода и т.п.).

А. А. Крауклис, основываясь на материалах стационарных наблюдений в южной тайге Средней Сибири, разделил годичный цикл функционирования типичной плакорной фации с пихтовым лесом на 12 фаз. Приводим их краткую характеристику (в скобках указаны средние даты начала фаз).

1. Предвесенняя фаза (20 III). Переход суточного максимума температур воздуха от отрицательных значений к положительным; таяние снега идет еще слабо.

2. Ранневесенняя фаза (20 IV). Средние суточные температуры воздуха переходят от отрицательных к положительным; часты возвраты холодов; на открытых местах снег в основном сходит, но в лесу еще сохраняется его значительное количество; интенсивный поверхностный сток.

3. Поздневесенняя фаза -- массовое начало вегетации (в тем-нохвойном лесу эта фаза в силу позднего схода снежного покрова практически сливается с последующей).

4. Предлетняя фаза (1 VI). Средний суточный минимум температуры воздуха переходит от отрицательного к положительному; оттаивает и прогревается корнеобитаемый слой, почва промачивается и заряжается влагой; максимальная мобильность минерального субстрата -- оседание, сползание по склонам, размывание днищ и берегов водотоков; интенсивное испарение; первые цветущие растения, восстановление надземных частей у летнезеленых видов, набухание и распускание почек у зимнезеленых.

5. Раннелетняя фаза (15 VI). Начало интенсивного увеличения общего количества живой растительной массы -- заметный прирост деревьев по высоте и в толщину)" наиболее интенсивная солнечная радиация, но почва продолжает охлаждаться (на глубине 3 м температура достигает годового минимума); влагозапасы в почве убывают из-за интенсивного испарения и транспирации; максимум цветущих растений.

6. Позднелетняя фаза (20 VII). Прекращение существенного увеличения количества живой растительной массы; в почве наступает кульминация прогревания, запасы доступной влаги в корнеобитаемом слое в значительной степени истощены; активность биоты затухает, у большинства растений -- плодоношение и опадение генеративных частей.

7. Предосенняя фаза (20 VIII). Начало массового отмирания зеленых частей растений.

8. Осенняя фаза (5 IX). Переход суточного минимума температуры воздуха от положительных значений к отрицательным; ускоренный опад отмерших частей растений и пополнение запасов напочвенной органики.

9. Предзимняя фаза (5 X). Переход средних суточных температур воздуха от положительных к отрицательным; продолжается опадение листьев и хвои; частично замерзает подстилка, появляется снег, но на глубине 3 м еще только наступает температурный максимум.

10. Раннезимняя фаза (10 XI). Суточные максимумы температуры становятся отрицательными; устанавливается постоянный снежный покров; в корнеобитаемом слое отрицательная температура.

11. Глубокозимняя фаза (5 XII). Существенное замедление общего падения температуры воздуха и наступление самых низких ее значений; сильные межгодовые колебания температуры и мощности снежного покрова.

12. Позднезимняя фаза (20 II). Интенсивное повышение дневной температуры воздуха; максимум высоты снежного покрова и влагозапасов; в начале фазы -- наиболее низкая температура корне обитаемого слоя, к концу ее -- наибольшая глубина сезонного промерзания.

Стационарные наблюдения пока еще единичны и охватывают короткие временные ряды, не всегда достаточные для выявления средних многолетних показателей. Притом эти наблюдения относятся лишь к фациям, и вопрос их экстраполяции, т. е. перехода от отрывочных локальных материалов к характеристике сезонной динамики собственно ландшафта, остается нерешенным. Поэтому в настоящее время для сравнительной характеристики различных ландшафтов сохраняют силу традиционные массовые фенологические наблюдения, требующие, конечно, определенной ландшафтоведческой интерпретации и увязки с другими отраслевыми режимными наблюдениями.

Путем обобщения материалов многолетних климатических, гидрологических, финологических и других наблюдений составлена приведенная ниже характеристика фаз годового цикла для окрестностей Ленинграда. Даты наступления и окончания фаз определены с учетом периодизации, детально разработанной фенологами.

Фазы годового цикла и сезонные спектры некоторых явлений для Ленинграда. Зимние фазы: 3? -- первая. 32-- вторая, Зз -- третья; весенние фазы: В?-- первая, В2 -- вторая, Вз -- третья (первая подфаза), B?-- третья (вторая подфаза), Вј -- четвертая (первая подфаза), ВІ? -- четвертая (вторая подфаза); летние фазы: Л ? -- первая, Л2 -- вторая, Лз -- третья; осенние фазы: 0? -- первая, 02 -- вторая, Оз -- третья, 0? -- четвертая. Периоды со средними суточными температурами в пределах: t? -- выше 0° С, t?-- выше 5° С, t?? -- выше 10° С, t??-- выше 15° С,t- ? - ниже -- 5° С. Прочие показатели: БМв -- безморозный период в воздухе, БМп -- безморозный период на поверхности почвы. С -- период между появлением первого снежного покрова и его окончательным сходом, СУ -- период с устойчивым снежным покровом, Л -- ледостав, П -- половодье, Пм -- мерзлое состояние почвы, Тр -- вегетация трав, Б -- активная вегетация березы, Ш -- активная вегетация широколиственных деревьев, Б„ -- осенние фазы вегетации березы (расцвечивание и листопад); 'Ш0 -- осенние фазы вегетации широколиственных деревьев, Гр -- период между началом прилета и окончанием отлета грачей. /--XII -- месяцы

Зима в умеренном поясе, точнее в условиях континентального бореального и суббореального климата, может быть определена как сезон с устойчивым снежным покровом. Радиационный баланс в это время отрицательный, средняя температура воздуха ниже --5° С. Влагооборот сильно замедлен; осадки, испарение, сток характеризуются самыми низкими значениями в году. Реки покрыты льдом. » 1 См.: Шульц Г. Э. Общая фенология. Л., 1981. С. 188.

Вегетация исключена. Резко снижается активность животных; у холоднокровных -- зимняя диапауза, большинство птиц еще осенью улетает на юг. Однако у многих представителей активная жизнедеяельность не прекращается и зимой (волк, лисица, заяц, белка, мышевидные грызуны, глухарь, тетерев, рябчик, некоторые дятлы и синицы, сорока и др.).

Первая фаза зимы, или раннезимняя фаза, первозимье (6 XII -- 15 I). Вслед за образованием устойчивого снежного покрова средняя суточная температура переходит через --5° С (9 XII), около этого же времени максимальная дневная температура переходит через О С (что соответствует началу устойчивых морозов). Баланс влаги положителен, начинается накопление снегозапасов, однако высота снежного покрова еще невелика, поэтому происходит сильное охлаждение и промерзание почвы, продолжающееся всю зиму. В животном мире завершается подготовка к длительной перезимовке; у пушных :терей и копытных летний мех меняется на зимний.

Вторая фаза зимы, или среднезимье, глубокая зима (15 1 -- / П1).\3а начало можно принять устойчивый переход минимальных суточных температур через --10° С. Самое холодное время года, фаза зимней стабилизации геосистем. Количество осадков продолжает сокращаться, но высота снежного покрова нарастает. Для животных это наиболее тяжелое время (нехватка кормов), однако у лисиц, зайцев,белок начинается гон.

Третья фаза зимы -- позднезимняя, или предвесенняя (1-- 20 III). Радиационный баланс становится положительным, заметно повышается температура воздуха. Средняя суточная температура переходит через --5° С к концу фазы (14 III). Количество осадков в марте минимальное, высота снежного покрова и запасы воды в нем достигают максимума, снег оседает и уплотняется; сток в марте несколько возрастает. Почва продолжает промерзать. У некоторых птиц начинается предвесеннее оживление.

Началом весны можно считать переход дневной температуры (в 13 часов) через 0° С, наступление радиационных оттепелей и начало разрушения снежного покрова.

Первая фаза весны -- начало снеготаяния (20 III -- 4 IV). Радиационный баланс растет, значительная его часть расходуется на таяние снега и льда. Появляются проталины на ровных местах, но почва продолжает промерзать, максимальная глубина промерзания (52 см) наблюдается в начале апреля. Водоемы еще находятся подо льдом, но сток возрастает, и в конце фазы начинается половодье. Биофенологический индикатор наступления весны -- первая волна прилета птиц -- грачей (22 III); к концу фазы наблюдается вторая волна (скворцы, зяблики). Появляются первые весенние мухи (28 III).

Вторая фаза весны -- завершение снеготаяния -- от перехода средней температуры воздуха через 0° С (5 IV) до схода снежного покрова (15 IV). Начинается слабое оттаивание верхних горизонтов почвы, но в основном почва еще мерзлая, и влага частью застаивается на поверхности, насыщая подстилку, частью стекает поверхностным и внутрипочвенным стоком. 10--14 IV вскрываются реки, 12-- 17 IV половодье достигает максимума; на апрель приходится до 40% годового стока. Появляются первые признаки жизнедеятельности растений: начинается сокодвижение у березы (11 IV), у некоторых деревьев и кустарников набухают почки. Цветущих растений в это время еще нет. Появляются ранневесенние насекомые -- муравьи, бабочки крапивница и лимонница. Продолжается вторая волна прилета птиц; у глухаря, тетерева, рябчика -- массовое токование. Пробуждаются от спячки медведь и барсук; у зайца, белки, лисицы рождаются детеныши.

Третья фаза весны -- «оживление весны» (15 IV -- 10 V) наступает после полного схода снежного покрова при средней суточной температуре около 3° С и заканчивается, согласно фенологической традиции, перед началом зеленения березы. В течение первого этапа (подфазы) -- до перехода средней температуры через 5° С (25 IV) -- почва полностью оттаивает. Запасы продуктивной влаги в почве к началу этапа максимальны (более 200 мм в верхнем метровом слое) и постепенно начинают уменьшаться, растет испаряемость. Интенсивный сток сопровождается максимальным механическим и геохимическим выносом твердого вещества. Зацветают растения, у которых цветение начинается до появления листьев -- мать-и-мачеха, ольха серая и черная, лещина. В лесной подстилке -- оживление беспозвоночных; появляются выбросы дождевых червей. Начинается роение комаров-толкунов, пробуждаются земноводные; продолжается прилет птиц.

С переходом средней температуры воздуха через 5° С (вторая подфаза) исчезают последние пятна снега в лесу, заканчивается разрушение ледового покрова на водоемах. Почва на открытых местах к концу этапа прогревается на глубине 20 см до 7--8° С и просыхает до мягко-пластичного состояния. Продолжает расти испаряемость, и атмосферное увлажнение становится недостаточным. Запасы продуктивной влаги в почве сокращаются примерно на 20 мм. Возобновляется вегетация однолетних и многолетних трав, появляются первые листья у некоторых кустарников, увеличивается число цветущих видов, у березы начинают распускаться почки (2 V). С зацветанием насекомоопыляемых растений (главным образом ив) связано пробуждение пчел, шмелей, ос. Вслед за окончательным освобождением от льда водоемов наблюдается массовый прилет водоплавающих птиц, а также многих насекомоядных (4-я волна).

Четвертая фаза весны -- «разгар весны» (10 V-- 10 VI). Происходит постепенный переход к летнему состоянию ландшафта и формируется зеленый аспект (вне хвойного леса). 16 V отмечается последний заморозок в воздухе, а 20 V--на поверхности почвы, и одновременно средняя температура воздуха переходит через 10° С. Количество осадков растет, но относительная влажность воздуха

Самая низкая в году, и коэффициент увлажнения становится минимальным (0,62). Запасы почвенной влаги на открытых участках интенсивно расходуются. Половодье идет на убыль, но на май приходится еще до 15% годового стока.

В этой фазе можно различать два этапа (подфазы) -- до и после становления средней температуры воздуха 10° С и окончания заморозков на поверхности почвы. На первом этапе почва прогревается до 10° С на глубину 20 см и переходит в твердо-пластичное состояние. Это время интенсивного цветения трав, а также некоторых деревьев и кустарников. В основном заканчивается прилет птиц (пятая волна), появляются выводки у глухаря, тетерева, рябчика, новорожденные телята у копытных. Наступает пора сева ранних яровых.

В течение второго этапа заметно активизируется жизнедеятельность растительного мира. С переходом средней температуры воздуха через 10° С трогается в рост ель европейская (20 V), позднее -- сосна; 22 V начинается облиствение широколиственных деревьев. К концу этапа завершается формирование полога листвы. В это же время зацветают хвойные, многие лиственные деревья и кустарники (черемуха 23 V, дуб черешчатый 2 VI, рябина 5 VI и др.), травы и кустарнички (черника 20 V, седмичник 28 V, брусника 7 VI).

Начало лета определяется по-разному -- датами окончания заморозков в воздухе или на почве, перехода средней суточной температуры воздуха через 15° С и др. Если принять в качестве феноинди-катора зацветание шиповника, то начало лета в Ленинграде придется на 10 VI.

Первая фаза лета (10 VI -- 4 VII) -- время наибольшей продолжительности светлой части суток («белых ночей») и максимального притока солнечной радиации. Температура воздуха 21 VI переходит через 15° С. Верхний горизонт почвы на открытых местах теплее воздуха, но под темнохвойным пологом прогревание почвы сильно запаздывает. Количество осадков и испаряемость возрастают, коэффициент увлажнения -- 0,70. Запасы продуктивной почвенной влаги продолжают сокращаться (примерно до 120 мм под зерновыми посевами). Сток также сокращается, составляя всего около 5% от годового. Интенсивно растет вегетативная масса. Листва на деревьях и кустарниках достигает полного развития; быстро растут побеги. Цветут многие кустарники, лесное крупнотравье, основные злаки суходольных лугов, большинство водных растений. В животном мире -- пора усиленного размножения насекомых, земноводных, пресмыкающихся и птиц.

Вторая фаза лета (4 VII -- 3 VIII) не отделяется четко от первой. Условный феноиндикатор -- созревание черники. Это самая теплая часть года со средней температурой около 17° С. Испаряемость достигает максимума, и коэффициент атмосферного увлажнения составляет всего 0,69. Почвенные запасы влаги на безлесных участках к концу этой фазы оказываются минимальными (около 100 мм в метровом слое почвы). Сток также подходит к своему минимум! (2--3% от годового). В отдельные годы дефицит осадков влечет за собой пересыхание торфяников, высыхание лесных ягод, усиление пожарной опасности в лесах. У большинства ягодников (черники земляники, морошки, голубики, малины) созревают плоды. Цветение наблюдается у позднецветущих видов, в том числе у таволги, лишь мелколистной и вереска. В животном мире значительно снижаете! интенсивность размножения; птицы в основном заканчивают выкармливание птенцов; очень активны кровососущие насекомые.

Третья фаза лета -- позднелетняя, или спад лета (4 VIII -- 23 VIII) характеризуется плавным снижением температуры при сохранении общего летнего аспекта -- до появления первых четки? признаков пожелтения листвы у листопадных деревьев, намечающегося вскоре после обратного перехода суточной температуры воздухе через 15° С (17 VIII). Осадки в это время максимальны, испаряемость заметно падает и атмосферное увлажнение становится избы' точным. Запасы влаги в почве начинают пополняться, намечается также увеличение стока. Созревают плоды брусники (5 VIII), рябины (18 VIII), майника, ландыша и др. Прирост у деревьев прекращается; у трав намечается отмирание побегов (пожелтение вегетативных частей у кислички, седмичника), к концу периода появляются первые желтые листья у вяза и липы мелколистной. Птицы собираются в стаи, первыми отлетают на юг черные стрижи. Насекомые еще активны.

Фенологическим признаком наступления осени считается начал! пожелтения листьев березы, знаменующее завершение вегетации Первая фаза осени (23 VIII -- 21 IX) продолжается до начала заморозков на поверхности почвы. В начале этапа средняя температура воздуха около 14° С, в конце -- около 8° С. Количество осадков снижается, но еще более резко падает испаряемость, увлажнение явно избыточное; продуктивные запасы влаги в метровом слое почвы увеличиваются к концу данной фазы примерно до 150 мм; постепенно возрастает сток (на сентябрь приходится 5--6% годовой нормы). Вслед за березой начинается пожелтение листьев у осины, рябины, черемухи, дуба, некоторых кустарников. В ходе расцвечивания листвы начинается листопад (у березы 14 IX). Желтеет и опадает хвоя! сосны. Созревают семена у сосны и ели, плоды лещины, дуба, и на болотах клюквы. Заканчивается отмирание генеративных побегов! у луговых злаков и разнотравья. В связи с заметным уменьшением! количества насекомых начинается отлет ласточек и других насекомоеядных птиц. Заканчивается уборка зерновых, увядает ботва картофеля; в конце августа начинается сев озимой ржи.

Вторая фаза осени (золотая осень) (21 IX -- 13 X) -- от первым заморозков на почве до завершения листопада. Средняя температура воздуха в это время снижается с 8 до 5° С. Осадки продолжаются уменьшаться, но испаряемость сокращается быстрее, коэффициенте увлажнения приближается к 2,0; запасы влаги в почве увеличиваются

I сток продолжает медленно расти. Фотосинтез практически прекращается. Главные биотические процессы -- интенсивное расцвечивание и листопад летнезеленных деревьев и кустарников. Полное пожелтение липы мелколистной отмечается 29 IX, березы и осины -- 5 X, дуба -- 8 X; листопад заканчивается у липы 7 X, березы -- в X. Происходит массовое созревание семян хвойных и плодов ряда шетвенных. В середине этой фазы наблюдается массовый отлет модоплавающих и болотных птиц, а также первых зерноядных пибликов и дроздов. К концу фазы исчезают насекомые.

Третья фаза осени (глубокая осень) (13 X--/ XI) -- между окончанием листопада (совпадающим с переходом средней темпера-|\ры через 5° С) и появлением первого снежного покрова. В конце нмпа средняя температура воздуха снижается до 2° С. Запасы влаги в почве продолжают пополняться; слой стока возрастает. Заморозки В это время ежедневны. Вне хвойных лесов господствует безлистный аспект. Начинается массовый прилет зимующих птиц, у оседлых нищ еще наблюдается оживление.

Четвертая (предзимняя) фаза осени (1 XI -- 6 XII) -- между появлением первого снежного покрова и образованием устойчивого покрова. Приход солнечной радиации резко сокращается, радиационный баланс становится отрицательным; средняя суточная температура воздуха переходит 9 XI через 0° С и к концу фазы приближается к --5° С. Часто чередуются морозные дни и оттепели, снежный и бесснежный аспекты. Интенсивность влагооборота все снижается. Наблюдается вторичный максимум стока (в ноябре около 10% годовой нормы), возможны дождевые паводки. В начале ноября начинается промерзание почвы на открытых местах. Мелкие водоемы замерзают после перехода температуры через 0° С, ледостав на реках наступает в конце фазы. Деревья и кустарники находятся I состоянии покоя; многие травы, некоторые кустарнички, а также исходы озимых уходят под снег зелеными. Подавляющее большинство холоднокровных животных забирается в зимние убежища и впадает в диапаузу, хотя в конце этапа еще можно встретить комаров- толкунов. У белок и зайцев летний мех меняется на зимний.

Описанная структура годового цикла более или менее типична для умеренно-континентальных таежных ландшафтов. Другие типы ландшафтов требуют иной периодизации и иных критериев для установления фаз годового цикла. Различные соотношения режимов тепла и влаги обусловливают большое многообразие сезонных структур ландшафтов. В размещении типов годичного цикла функционирования хорошо прослеживается зональная закономерность. Рисунок представляет собой пространственно-временную графическую модель в виде профиля (трансекта), пересекающего территорию Западной Сибири, Казахстана и Средней Азии-- от арктической тундры до южных пустынь. На нем отображена смена основных (укрупненных) фаз годового цикла одновременно в пространстве -- по широте (по оси абсцисс) и во времени -- в годичном цикле (по оси ординат).

Сезонная структура равнинных ландшафтов Западной Сибири, Казахстана и Средней Азии (пространственно-временной трансект по линии Дровяной (п-ов Ямал) -- Тургай -- Чарджоу).

Ландшафтные зоны и подзоны: а -- тундра арктическая, б -- тундра типичная, в -- тундра южная, г -- лесотундра, д -- тайга северная, е -- тайга средняя, ж -- тайга южная, з подтайга, и -- лесостепь, к -- степь северная, л степь типичная, м -- степь южная, к-полупустыня, о-- пустыня северная, п пустыня южная. Фазы годового цикла: 1 -- зимняя и предвесенняя (устойчивый снежный покров), 2 -- ранневесенние и предзимние (неустойчивый снежный покров), 3 -- ранневесенняя бесснежная (предвегетационная), 4 -- фазы активной вегетации в тундре, 5 -- начальные фазы вегетации в лесных, лесостепных и степных ландшафтах, 6 -- весенние и раннелетние фазы максимальной активности вегетации в пустыне и полупустыне, 7 -- поздневесенние и раннелетние фазы активной вегетации древесной растительности в тайге, подтайте и лесостепи, 8 -- основные фазы вегетации в степи, 9 -- фазы летнего угасания вегетации в пустыне и полупустыне, 10--сухая летняя фаза (выгорание растительности) в пустыне, фаза осеннего угасания вегетации в тундре, 12--то же. в тайге, подтайте и лесостепи, 13 -- позднеосенние послевегетационные фазы, 14 -- хроно-изоплеты средних суточных температур воздуха, /--XII -- месяцы года

В тех ландшафтах, где влаги в течение всего года достаточно п она не служит лимитирующим фактором, внутригодовой ритм подчинен термическому режиму, что особенно ярко проявляется в условиях значительной термической контрастности сезонов. Некоторые биологические процессы проявляют более прямую связь с режимом освещенности. Сокращение светового дня осенью влияет на отмирание листьев деревьев, кустарников и летнезеленых трав. Длительный световой день отчасти компенсирует недостаток летнего тепла, так что растения одних и тех же видов вступают в соответствующие фазы вегетации в высоких широтах при более низких температурах, чем в умеренных. В тропических и субэкваториальных широтах, отличающихся круглогодичной высокой теплообеспеченностью, сезонный ритм функционирования геосистем определяется н первую очередь режимом атмосферного увлажнения. В экваториальной зоне с ее ровным температурным режимом (колебания средних суточных температур не превышают 2--3° С) и постоянной влажностью сезонная динамика практически не выражена и на передний план выступает суточный ритм функционирования.

Таким образом, гидротермические показатели имеют универсальное значение, и для построения общей классификации фаз годового цикла следует прежде всего разработать единые шкалы теплообеспеченности и увлажнения ландшафтов. Для разграничения термических фаз можно принять температурную шкалу с пятиградусными интервалами средних суточных температур начиная с --5° С. Период со средними суточными температурами ниже --5° С -- это зима в наиболее точном смысле слова, т.е. морозная и снежная фаза. В умеренном поясе с переходом средних температур через --5° С (при спаде) приблизительно совпадают переход максимальных дневных температур через 0° С, начало устойчивых морозов и постоянного (устойчивого) снежного покрова, ледостава на реках. С переходом средней температуры через --5° С при ее подъеме обычно начинается разрушение устойчивого снежного покрова. С повышением средней температуры до 0° С устойчивый покров разрушается и резко ускоряется окончательный сход снега. Переход температуры через 5° С знаменует начало вегетации ранневегетирующих растений; после наступления температуры 10° С начинается основной вегетационный период, в фенологии и агроклиматологии этому рубежу придается важное значение, он близок к температурному порогу многих культур (кукурузы, подсолнечника, хлопчатника, южных плодовых и др.). При спаде температуры до 10° С начинаются осенние процессы; с осенним переходом через 5° С обычно заканчивается листопад, растения и животные готовятся к зимнему покою; переход температуры через 0° С практически совпадает с первым снежным покровом.

Более сложный вопрос -- определение временных рубежей в годовом режиме увлажнения. По-видимому, наилучший показатель -- запасы влаги в почве, но данные по ним отрывочны и далеко нет всегда надежны. В качестве универсального показателя, допускающего полную сравнимость, можно принять коэффициент увлажнении Высоцкого -- Иванова, хотя между почвенным и атмосферным увлажнением нет прямой связи. Периодизация фаз по коэффициенту] увлажнения требует поправок с учетом процесса накопления и расходования влаги в ландшафте. Наиболее заметное несовпадение режимов атмосферного и почвенного увлажнения характерно для' многоснежных ландшафтов.

В предлагаемой шкале приняты следующие градации для термической составляющей сезонного гидротермического режима (в скобках -- интервалы средних суточных температур): 0 -- морозная (ниже --5° С), 1 -- умеренно холодная (от --5 до 0° С), 2 -- прохладная (от 0 до 5° С), 3 -- умеренно теплая (от 5 до 10° С), 4 -- теплая (от 10 до 15° С), 5 -- очень теплая (от 15 до 20° С), 6 -- жаркая (от 20 до 30° С), 7 -- очень жаркая (выше 30° С).

В режиме увлажнения различаются следующие фазы по коэффициенту увлажнения (К): А -- влажная (К > 1,0), Б -- полувлажная (К = 0,6 -Ь 1,0), В полузасушливая (К = 0,3 0,6), Г -- засушливая (К = 0,2 -г- 0,3), Д -- сухая (К = 0,1 ±0,2), Е -- очень сухая (К = 0,02 ± 0,10), Ж -- крайне сухая (К < 0,02).

Комплексные гидротермические характеристики сезонных фаз! складываются из обеих составляющих (например, 5Б -- очень теплая полувлажная фаза, 6Д -- жаркая сухая фаза и т.д.).

Глава 2. Анализ и синтез изменения характеристик ПТК во времени (первый подход к выделению состояний ПТК)

Анализ временных изменений характеристик ПТК. Временным изменениям природных процессов и явлений посвящено большое количество работ. В последнее время этим вопросом начали интересоваться и географы-ландшафтоведы. (Калесник, 1970: Нееф, 1974; Симонов, 1975, 1977; Сочава, 1976; Крауклис, 1979, и др.).

Удобным показателем ритмических географических явлений может служить их «режим», понимаемый как регулярная сезонная последовательность колебаний (Нееф,1974).Понятием «природный режим» довольно часто пользуются ландшафтоведы институтов географии Сибирского отделения и Дальневосточного научного центра АН СССР (Сочава, 1978; Крауклис, 1979, и др.) при изучении сезонной ритмики, как отдельных процессов, так и всего ПТК в целом.

А.Д. Арманд и В.О. Таргульян (1974) ввели в географию понятие «характерное время», которое отождествлялось с: «а) длиной периодов для циклических процессов; б) средней длиной периода для квазипериодических и в) временем, необходимым для восстановления состояния квазиравновесия, нарушенного внешними воздействиями, для трендовых процессов» (Почва как компонент..., 1976, с. 300). Они также дали краткий обзор характерного времени наиболее важных процессов и явлений.

Результаты многочисленных исследований ритмичности и цикличности в природе (Возови, 1970) должны были ориентировать ландшафтоведов на сопряженный анализ изменения отдельных процессов и явлений, наблюдающихся в ПТК. Тем не менее даже в конце 70-х годов учет временного фактора в ландшафтоведении продолжал ассоциироваться главным образом с применением генетического принципа (Крауклис, 1979).

Для того чтобы восполнить этот пробел, проанализируем некоторые материалы, полученные на Марткопском физико-географическом стационаре, где наблюдения ведутся по единой методике в 7 доминантных и субдоминантных фациях предгорностепных ландшафтов, из которых наиболее детально изучена фация пологих склонов с лугостепной растительностью.

Поскольку существует мнение о том, что географическим системам присуще не одно-, а многомерное время(Симонов, 1977; Лямин, 1978; Круть, 1978, и др.), целесообразно проанализировать изменения процессов и явлений с учетом их характерного времени, т. е. каждый раз брать свой масштаб времени, а за единицу его принимать характерное время изучаемого процесса или явления. Однако на современном уровне ландшафтоведения из-за недостаточно развитой технической базы стационарных исследований, несовершенства методики обработки получаемого материала, а также незнания характерного времени всех процессов и явлений это практически невозможно. Поэтому мы взяли общепринятые интервалы времени: час, сутки, месяц, год, 10 лет.

Все графики, приведенные на рис.1-5, отражают динамику наиболее важных процессов, изучаемых в фациях пологих склонов с лугостепной растительностью. Построены они по единой методике: взяты средние величины исследуемых параметров за час, сутки, месяц, год, 10 лет и подсчитан процент отклонения от их средней величины в более дробный интервал времени (для часа -- минута, для суток -- час и т. д.), что позволяет использовать один и тот же масштаб для всех графиков.

Анализ рис. 1--5 и других аналогичных материалов позволяет сделать ряд выводов. Некоторые из этих выводов хорошо известны в отраслевых дисциплинах, но в ландшафтоведении специально еще не рассматривались. Наиболее важны из них следующие:

Рис. 2. Динамика параметров, характеризующих функционирование фаций ПСЛ в течение суток с ясной погодой в апреле 1973 г. (См. условные обозначения к рис. 1.)

Рис. 3. Динамика параметров, характеризующих структуру и функционирование фаций ПСЛ в апреле 1973 г. (См. условные обозначения к рис. 1.)

Каждый процесс или явление обладает своей временной структурой, которая, в частности, выражается в различной амплитуде отклонений от своей средней величины в разные интервалы времени. Эта структура далеко не одинакова даже у близких параметров. Например, радиационный баланс характеризуется непрерывным изменением в течение суток, а суммарная радиация -- в течение лишь их светлого времени. Другой пример: если фитомасса ветоши и подстилки в фациях склонов средней крутизны со степной растительностью в течение года изменяется континуально, то динамика зеленой фракции имеет дискретный характер, ибо зимой она равна нулю.

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 7,7є).

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.