Вертикальна структура геосистем

При аналізі вертикальної (топічної) структури геосистеми вважаємо, що вона є однорідною в територіальному відношенні, але у вертикальному розрізі, тобто знизу догори, розділяється на різнорідні частини (рослинність, ґрунт, гірські породи або різні яруси рослинності), які пов'язані між собою певними відносинами.

Насправді те, що ми допускаємо однорідність в горизонтальному відношенні справедливо тільки для геосистем елементарного рівня, таких як геотопи. Для більш великих геосистем це дуже спрощений підхід. Оскільки в будь-якому ландшафті обов'язково зустрічається різнорідні територіальні складові (наприклад: у лісовому ландшафті – це височини, низовини, болота, річки, ділянки з листяними та хвойними деревами, луки після пожеж тощо). Але для деяких прикладних задач це можна і не враховувати, якщо необхідно зосередити увагу на взаємодії деяких частин вертикальної структури.

Такий підхід використовується при аналізі водного балансу геосистем басейнів річок, теплового балансу тощо.

Зв'язки між вертикальними компонентами в геосистемі є дуже різноманітними. Вони зумовлені потоками різних речовин і форм енергії, іншими фізико-хімічними та біохімічними взаємодіями, відносинами між популяціями організмів та окремими особинами, генетико-еволюційними зв'язками. Тобто в одній геосистемі можна виділити кілька вертикальних структур різних типів. Геосистема є поліструктурною у вертикальному відношенні.

Усі внутрішні геосистемні зв'язки можна розділити на кілька типів:

• Генетико-еволюційні;

• Обумовлені потоком і трансформацією енергії;

• Обумовлені міграцією хімічних елементів та сполук;

• Кореляційні та інформаційні зв'язки між різними параметрами та характеристиками геосистеми;

Кожен з цих типів визначає відповідний підхід до структуризації геосистеми. Основних є три:

I. Геокомпонентний;

II. Речовинно-фазовий;

III. Просторово-об'ємний.

Аналіз кореляційних та інформаційних зв'язків у геосистемі проводиться методами математичної статистики та теорії інформації. Такім чином для кожної з 3 наведених типів структур можна математично оцінити ступінь кореляційного та інформаційного зв'язку між характеристиками їх елементів і побудувати статичну модель структури.

Геокомпонетна вертикальна структура

Для ландшафтної екології є традиційною і заснована на виділенні у структурі ландшафту окремих компонентів природи, кожен із яких є представником окремих геосфер, що складають географічну оболонку.

Наприклад: виділяються гірські породи (літосфера), поверхневі і підземні води (гідросфера), повітряні маси (атмосфера), ґрунту (педосфера), рослини, тварини, мікроорганізми (біосфера). Деякі вчені в якості компонентів природи виділяють також рельєф і клімат, які не є матеріальними тілами. Взагалі у ландшафтознавстві поки немає чіткої визначеності, що слід вважати компонентом природи. Як більш поширене можна надати таке визначення:

Компонентами природи або геокомпонентами слід вважати матеріальні тіла природного походження, що розрізняються між собою переважним агрегатним станом речовини, наявністю (відсутністю) і формою органічного життя, основними механізмами утворення, положенням щодо земної поверхні і функціями в геосистемі.

Згідно з цим рельєф і клімат не є геокомпонентами, бо це не матеріальні тіла. Поверхневі і підземні води відносяться до різних геокомпонентів, оскільки у них різні функції і положення щодо земної поверхні. Рослини, тварини і мікроорганізми також слід розглядати як окремі геокомпоненти (різні функції).

Геокомпоненти мають неоднорідну будову. Кожен з них складається з основної субстанції і компонентів в ній знаходяться.

Наприклад:

• Приземний шар атмосфери: основна речовина – повітря, як суміш газів, в ньому знаходяться частинки вологи, пил, мікроорганізми;

• поверхневі води: основна речовина – вода, точніше водний розчин, який містить пухирці газів, організми, тверді частинки.

Існує думка, що геокомпоненти в системі організації земної речовини займають проміжне положення між простими тілами (мінерали, гази, окремі організми) і геосистемами.

Геокомпоненти вертикальної структури геосистеми далі поділяються на більш однорідні частини – елементи.

Наприклад: елементами рослинності і тваринного світу є окремі популяції одного виду, а елементами гірських порід є окремі пласти мінералів.

Речовинно-фазова або геомасова вертикальна структура

При речовинно-фазовому підході структурні частини геосистеми виділяються як тіла, однорідні за фазовим стану та фізико-хімічними властивостями. Цей спосіб широко використовується при аналізі потоків окремих елементів і сполук, продукції біомаси тощо.

В екології речовинно-фазовий підхід дуже популярний при імітаційному моделюванні екосистем. Особливо в методі системної динаміки. В цьому випадку в якості елементів екосистеми беруться окремі речовини, локалізовані в певного типу фізичних тілах.

Наприклад: елемент - «вода в скелетних органах рослин» або «вода в кореневому шарі ґрунту»;

«Азот в ґрунті» і «азот в рослинах»;

«Кисень в поверхневому шарі озера» та «кисень в організмах».

Геомаси – якісно своєрідні тіла геосистеми, що відрізняються певною масою, специфічністю функцій, швидкістю змін з часом і переміщень у просторі.

Виділяють аеромаси, гідромаси, педомаси, літомаси, фітомаси, зоомаси і мортмаси (мертва органічна речовина). Від геокомпонентів геомаси відрізняються значно більшою хімічною однорідністю.

Наприклад:

• під аеромасою розуміють взагалі сухе повітря, тобто суміш газів без водних парів та твердих часток. Аеромаси пронизують усі геокомпоненти, а не тільки атмосферу;

• гідромаси – вода, зосереджена в усіх геокомпонентах, хоча в основному в гідросфері;

• педомаса – це не ґрунт в цілому, а суто суміш органічних часток і неорганічної речовини без газів, води, коріння рослин, мікроорганізмів;

• мортмаса: являє собою сукупність накопичених відмерлих залишків рослин і тварин, також їх екскрементів і мікроорганізмів.

Геомаси можуть розділятися на складові частини або елементи меншого порядку в залежності від агрегатного стану, хімічного складу, щільності, параметричних характеристик, положення у вертикальному профілі геосистеми.

Наприклад: сукупна гідромаса складається з мас меншого рангу, що розрізняються залежно від того, в якому середовищі вони перебувають (атмосфера, ґрунт, рослини тощо); фітомаса складається з таких частин, як зелена маса рослин, коренева система, транспортно-скелетні органи, мікрофлора тощо.

Класифікація геомас:

Геомаси розділяються на типи, роди і види.

Типи геомас виділяються на основі відмінності у функціональній ролі, швидкості переміщення в просторі і часових змін, щільності.

Наприклад: фітомаси розділяються на такі типи: листопадне або однорічне листя, багаторічне листя вічнозелених листяних рослин, хвойне листя, коріння, скелетні органи;

Педомаси розділяються на типи за відмінностями в механічному складі: глинисті, піщані, суглинкові;

Аеромаси розділяються на основі температури, кріотермальні, нанотермальні, мезотермальні тощо;

Гідромаси – на підставі агрегатного стану води і розташування в інших геомасах: атмосферні, снігові, льодовикові, льодові, ґрунтові тощо;

Літомаси – за хімічним складом: карбонатні, силікатні тощо;

Мортмаси – за походженням і ступенем розкладу: сухостій, підстилка, торф тощо.

Роди геомас в межах типу виділяються в основному по інтенсивності процесів функціонування.

Наприклад: листяні типи фітомаси розділяються на роди в залежності від вмісту вологи в листі: гідрофітні, мезофітні, ксерофітні тощо.

Педомаси розділяються за вмістом гумусу: високогумусні, середньогумусні, малогумусні.

Види геомас виділяються залежно від метричних характеристик їх елементів (форми, розміру, орієнтації тощо).

 Просторово-об'ємна або геогоризонтна вертикальна структура

Вертикальний профіль геосистеми поділяють на однорідні яруси. За основу береться саме ярусна будова.

Використання ярусного методу є дуже зручним при дослідженні вертикальних потоків енергії і речовини, сезонних динамічних змін в геосистемі тощо.

Вперше поняття «ярусів» або «шарів» було розроблено в рамках концепції екосистеми і на основі біотичних критеріїв. Такі «яруси» були названі «хорогоризонтами» або «біогеогоризонтами».

Геогоризонт розглядається як комплексне утворення, в яке входять усі геомаси, що знаходяться в даному ярусі геосистеми.

Основним критерієм виділення геогоризонту є специфічний набір геомас в його межах. В разі зміни цього набору (мається на увазі поява нової геомаси або зміни пропорцій між геомасами) слід говорити про появу нового геогоризонту.

А геосистеми при просторово-об’ємному підході характеризується характерним набором геогоризонтів. Основними характеристиками геосистеми в даній структурі вважаються такі параметри як: складність (кількість геогоризонтів в системі), напруженість (кількість геогоризонтів в 1 м. вертикального профілю), потужність (відстань від нижньої до верхньої границі елементарної геосистеми).

При виділенні і характеристики геогоризонтів основними ознаками є ландшафтно-геофізичні параметри (об'єм, щільність, колір тощо). Геогоризонт має бути однорідним за геохімічними, біохімічними і біофізичними показниками.

Геогоризонти також класифікується за класами, типами, родами тощо.

Наприклад: класс: аерофітогоризонт; тип: нанотермальний, транспортно-скелетний.

Геогоризонти змінюються протягом року, причому не лише їх якісні характеристики, але навіть їх кількість.

Наприклад: взимку з'являється такий горизонт як сніговий покрив і зникають відповідні літні горизонти.

Тобто просторово-об’ємна вертикальна структура геосистеми змінюється протягом року.

Особливе положення в геосистемі займають ґрунтові геогоризонти. Основним критерієм для їх виділення є фізичні показники (механічний склад, щільність), вміст гумусу і насиченість корінням рослин. Але їх стан і функціонування залежить також від так званих ландшафтних геохімічних бар’єрів – поверхонь, які розділяють вертикальний профіль ґрунту на шари, що сильно відрізняються умовами міграції різних хімічних елементів і сполук.