Тема «Методика общих ландшафтно-экологических исследований».

План.

1.Основные направления и цели экологических исследований окружающей среды.

2. Геотопологический метод экологических исследований.

3. Принципы геотопологического метода экологических исследований.

4. Понятие о местоположении.

5. Местоположение как критерий элементарного ландшафта.

6. Виды экспозиций и потоков вещества и энергии.

7. Геотопологические параметры.

 

1. За пространственный аспект экологических отношений несут ответственность ландшафтно – экологические исследования.

Когда выделены, определены и оконтурены субъекты экологических отношений, а также ландшафты и их геокомпоненты, установлены их экологические свойства или содержание этих взаимоотношений (взаимодействия субъектов и объектов), можно отслеживать антропогенную и естественную изменчивость обстановки: дополнение (удаление) субъектов и объектов той или другой стороны, перемещение их границ, изменение их свойств, уровня и характера воздействия на противоположную сторону и реакции на воздействие противоположной стороны.

Изучение начинается с литомониторинга – слежения за естественными, антропогенными и естественно-антропогенными литодинамическими процессами (склоновыми, абразионными, эрозионными, селевыми) и всеми геодинамическими проявлениями (сейсмичностью, вулканизмом, техногенными смещениями земной поверхности), вызванными подземной добычей полезных ископаемых, а также нарушением изостатического состояния земной коры (повышение сейсмичности в створе плотин, в пределах крупных промышленных центров).

Главное проведение литомониторинга конкретной территории заключается в предваряющем его выделении и характеристике объектов слежения.

По параметру одного фактора на конкретной территории может осуществляться простой экологический мониторинг. Он осуществляется без предварительного полного изучения пространственного аспекта в отношениях человека с ОС.

На территории же ландшафта проводят комплексный (геосистемный) мониторинг. При помощи, которого выявляют, определяют и отражают на карте статистическую инвариантную основу и в первую очередь контуры и положение ОАВ – дифференцированно развивающихся составных частей ландшафтного пространства относительно друг друга и потоков вещества и энергии.

При помощи его можно исследовать динамику экологической ситуации в целом или даже отдельной ее характеристики. Например, радиоактивного заражения при неоднократных выбросах с одного источника заражения и последующей дезактивации территорий, испытавших различные по уровню поражения и разную по эффективности дезактивацию.

Таким образом, два главных направления ландшафтно-экологических изысканий связаны с изучением временного и пространственного аспектов отношений человека с ОС.

Ландшафтно-экологические исследования включают:

* общее аналитическое геоэкологическое картографирование, осуществляемое с выделением и характеристикой всех элементарных САВ и ОАВ, а также связывающих их вещественные и энергетические потоков;

* основанный на структурно-геотопологиском анализе синтез – выделение и изучение функционирования состоящих из элементарных сложных субъектов и объектов экологических отношений – геосистемы и геотехносистемы – с последующим оконтуриванием и характеристикой объединяющих их целостных образований – ландшафт.

Картографирование позволяет точно и объективно отразить экологическую ситуацию и создает фундамент для всех последующих экологических работ.

До сих пор изучение различных по размерам территорий осуществляет ся разными специалистами – без единой методологии, а нередко вообще без какой-либо концепции и ясного осознания конечных целей. Ними для изучения отдельных составных частей ландшафта используются современные физические и химические методики и методы обработки полученных результатов, но при этом отсутствуют принципы и приемы анализа исследований с интерпретацией в пространстве и привязкой к конкретным ОАВ и с учетом их геотопологических, вытекающих из них физико-географических и обусловленных последствиями экологических свойств. Отсутствие у предлагаемых разными специалистами экологических оценок и прогнозов такой привязки лишает их четкого адреса, необходимой точности и обоснованности, экологического разнообразия.

В результате этих исследований – познания отношений человека с ОС в пространстве, с выявлением и фиксацией на карте всей совокупности САВ и ОАВ, их геотопологических и вытекающих из них экологических свойств в определенный момент времени – на дату составления общей геоэкологической карты – дается оценка экологической обстановки в данном ландшафте.

2. Геотопологический метод исследования или геотопологический детерминизм физико-географических и экологических свойств ОАВ имеет уже довольно большую историю. Впервые был использован при создании фитокарт в 1904г. Высоцким. Этот подход проявился в работах Вильямса в 1922г. при классификации пойменных лугов с учетом влияния рельефа на ход почвообразовательного процесса.

Затем его стали использовать в физической географии при определении и классификации фаций.

Геотопологический подход используется сейчас и в ландшафтной экологии. Он используется для определения местоположения САВ и ОАВ как основных факторов, определяющих их экологические свойства и экологическую обстановку каждой исследуемой территории в целом.

Используя этот метод исследования, в начале анализируется морфология, а именно взаимное положение в пространстве (строение или структура) и форма субъектов и объектов взаимных отношений человека с ОС, а затем на основе этого анализа определяется и прогнозируется контролируемые морфологией географические и экологические свойства и процессы.

Для выявления законов развития изучаемого явления или объекта делят его на составные ингредиенты и затем исследуют их форму и взаимные отношения. Дискредитация является первой процедурой познания морфологии или статистического уровня исследования любых образований.

Адаптация принципа дискретизации к ландшафтно- экологическому пространству сводится к поиску, формулировке и реализации критерия его естественной делимости и неделимости, а также к разработке и использованию методов выделения, анализа и фиксации на карте элементарных и сложных составных частей.

Существует три вида делимости и, соответственно, дискретизации объектов естествознания.

Первый тип дискретизации проявляется в пространственной локальности составляющих объектов принципиально не различающихся ингредиентов, но между которыми имеются объективно установленные границы (содержание химических элементов в живой ткани);

При втором типе дифференциация осуществляется по вторичным качественно отличающимся характеристикам, возникшим ранее на данной территории (Украинский кристаллический щит);

Третий тип дискретизации наиболее сложный и характерен для ландшафтной оболочки. Он проявляется в изначально принципиально разных, но смежных друг с другом ингредиентов, не только характеризующихся различными значениями тех или иных параметров, но и играющих различные структурные, функциональные и динамические роли в строении, функционировании и развитии делимого образования.

Дискретизация ландшафтно – геоэкологического пространства требует выявления на фоне непрерывно меняющейся физико-географической обстановки относительно однородных составных частей.

А это возможно только при соблюдении определенных принципов дискретизации.

Принцип целостности реализуется при определении и использовании общей для всех геокомпонентов характеристики местоположения, как самого ландшафта, так и соответствующих ему гидроклиматической, почвенной, литологической и биогеографической единиц, которые наиболее тесно коррелируются со всеми геолого-географическими и экологическими свойствами. В данном случае дается характеристика всей их совокупности, что позволяет всесторонне оценить условия жизни, производственной деятельности человека и прогнозировать возможные ее последствия – реакцию каждого из компонентов и геокомплекса в целом.

Системный принцип упрощения используется при переходе от объекта изучения к его модели. Этот принцип приводит к значительному выигрышу тогда, когда удается найти самый главный аспект явления, связанный с многочисленными другими его свойствами и сторонами и находящийся как бы в их центре, через который проходят соединяющие их нити.

Принцип формализации предусматривает строгое определение, систематику, а также основанную на всем этом точную (с количественной оценкой точности) фиксацию на карте ландшафтов.

Однако формализация ландшафтов не может быть достигнута без создания определенного базиса, заключающегося в реализации морфологического принципа, который призван сменить генетические и историко-генетические критерии выделения и систематики ландшафтов. Морфологический принцип положен в основу геотопологической систематики элементарных единиц почвенной, биогеографической, гидроклиматической и ландшафтной дифференциации.

4. Характеристика местоположения должна быть дана любым по размерам единицам ландшафтной дифференциации, выделяемым на обзорных и мелкомасштабных картах. Значение их геотопологической характеристики определяется тем, что они отличаются друг от друга по геолого-морфологическим и геоэкологическим свойствам не только и даже не столько в зависимости от своего положения в той или иной физико-географической зоне (зонах), сколько от местоположения в рельефе по отношению к потокам вещества по земной поверхности, воздушных и водных масс по эквигравитационным условиям уровням и прямой солнечной радиации. В дефиниции местоположения любой по размеру единицы дифференциации необходимо ответить на следующие вопросы: а) о чьем месте (о месте чего) идет речь в данном понятии? б) относительно чего определяется положение этого места? в) какие признаки, кроме его положения, являются важными для теории и практики, входят в его атрибутику и нуждаются в связи с этим в специальной характеристике?

5. В основе принципа классификаций ландшафтов наряду с их местоположением выступает рельеф.

Данная ситуация объяснима, так как рельеф земной поверхности, составляющие его элементы и их пространственные соотношения более устойчивы сами по себе чем, гидроклиматический режим и условия или биологическая жизнь в элементарном ландшафте. Наряду с этим рельеф определяет относительную устойчивость в распределении и перераспределении всего самого важного для ландшафта – тепла, влаги и других, необходимых показателей для жизни биоты и человека, а также вредных компонентов находящихся в пределах ландшафта.

Рельеф выступает в качестве главного распределителя вещественных и энергетических потоков.

Некоторые исследователи считают наиболее устойчивым компонентом литогенную основу. Но, разрушенная природная геосистема и появившаяся на ее месте геотехносистема, имея одинаковую литогенную основу, фундаментально отличаются друг от друга по самому важному признаку – по структуре, обусловленной строением земной поверхности, а следовательно, и по распределению в них тепла, влаги и разнообразных компонентов.

Однако и геотопологическая основа ландшафта не вечна. Под действием различных рельефообразующих факторов происходят количественные и качественные изменения геотопологических характеристик элементарных ландшафтов. Первые заключаются в изменениях значений их уклона вертикальной и горизонтальной кривизны и других параметров, не приводящих к принципиальному преобразованию местоположения, а следовательно и физико-географических и экологических свойств. При качественном изменении хотя бы одной характеристики элементарного ландшафта происходит его превращение в ландшафт другой геотопологической категории, которое может не сопровождаться преобразованиями его литогенной основы, но вместе с тем определяет его новые свойства.

Местоположение как наиболее устойчивое свойство сохраняется у элементарного ландшафта и позволяет выделить его даже при значительном изменении человека его природы, вплоть до полного уничтожения отдельных геокомпонентов. Например, растительного и почвенного покрова.

Именно оно позволяет с одинаковой уверенностью и однозначностью осуществлять ландшафтное и общее геоэкологическое картографирование, как на территории с естественными ландшафтами и ненарушенным почвенно-растительным покровом, так и на обширных сильно трансформированных человеком пространствах, где среди всего многообразия ярко выраженных и обусловленных его хозяйственной деятельностью границ могут быть достаточно строго установлены структурные линии – естественные рубежи элементарных ландшафтов, устойчиво развивающихся в качестве обособленных единиц дифференциации даже на фоне резкой смены естественных условий антропогенными.

И эта особенность каждого элементарного ландшафта определяется заложенной в основном в почвенном покрове «памятью» о прежних его естественных, геолого-географических свойствах и вновь приобретенными, навязанные человеком, но также преломленными через его геотопологию свойствами. Вторичные, в том числе культурные, растительные сообщества в пределах ландшафта контролируются теми же геотопологическими условиями, которые имели место до его существенных антропогенных преобразований.

Если антропогенные воздействия привели к необратимым последствиям и от естественных физико-географических и геологических свойств данного участка земной поверхности, казалось бы, ничего не осталось, то при прекращении действия антропогенного фактора элементарные ландшафты стараются хотя бы частично приблизиться к первоначальному состоянию. И эта возможность будет осуществлена благодаря местоположению, обеспечивающему данный комплекс строго определенным количеством тепла, влаги, минеральных веществ и отдельных элементов. Причем чем резче смежные элементарные ландшафты отличаются друг от друга в геотопологическом отношении, тем устойчивее вытекающие из него их физико-географические и экологические свойства и различия.

Таким образом, местоположение – это наиболее устойчивое свойство элементарного ландшафта, способствующее не только его сохранению, но и регенерации в качестве индивидуальной единицы ландшафтно-экологической дифференциации.

6. В сложном ансамбле взаимосвязанных вещественных и энергетических потоков в ландшафтной оболочке выделяется несколько различных по направленности и природе, а также по отношению к силе тяжести составляющих. Местоположение каждого элементарного ландшафта или элементарной единицы геотопологической дифференциации определяется в соответствии с его позицией по отношению ко всем этим составляющим.

Гравитация действует в самых разнообразных условиях рельефа, даже на равнине с очень незначительными уклонами. Она определяет положение каждого элементарного ландшафта относительно потоков вещества и энергии, осуществляемых по земной поверхности.

К таким потокам относятся нисходящие перемещения поверхностных и почвенно-грунтовых вод на суше, водных масс в морях и океанах с их компонентами, нисходящие литодинамические процессы (грязекаменные, солифлюкционные, плоскостной смыв делювия, суспензионные или мутьевые потоки на континентальных склонах); стекающие по земной поверхности охлажденные воздушные (на суше) и водные (в морях, океанах и внутренних водоемах) массы.

Для проведения ландшафтно-экологических исследований важно, что смежные элементарные ландшафты, характеризующиеся различной гравитационной экспозицией, образуют «гравитационную структуру или ряды, представление о которых созвучно с понятием «геохимической сопряженности», используемым в геохимии ландшафта для отражения структуры сложных геокомплексов.

На картографических моделях нисходящие потоки отражаются в виде линий тока (векторных линий) по земной поверхности. Под линией тока понимается кривая, в каждой точке которой вектор касается ее. Через каждую точку земной поверхности проходит лишь одна линия тока. Совокупность векторных линий отражают токовое направление, перпендикулярное эквипотенциальному направлению горизонталей.

Совокупность векторных линий наиболее ярко показывает такие атрибуты земной поверхности и ландшафтно-экологического пространства как непрерывность и пластичность, от которых мы сознательно абстрагируемся при его изучении. Кроме того, она отражает определенную физическую реальность – трассы (траектории) потенциальных или действительно осуществляющихся под действием силы тяжести нисходящих литодинамических, гидродинамических потоков с вредными химическими, радиоактивными и другими компонентами Дополнительными составляющими содержания карты линий тока являются характерные точки, которые в теории поля рассматриваются в качестве точек стока и источников.

Под циркуляционной экспозицией понимается положение элементарных ландшафтов и других единиц геотопологической дифференциации по отношению к преобладающим по воздействию на них и независимым от силы тяжести перемещениям по эквигравитационным уровням воздушных и водных масс. Эти массы несут дезинтегрированное литосферное вещество, тепло или холод, влагу или сухость и различные вредные и полезные для человека и биоты компоненты. К ним относятся сублатеральные потоки с незначительной вертикальной восходящей составляющей, например поставка седиментационного материала с глубины к урезу воды в береговой зоне, долинные ветры в горно-долинной циркуляции, восходящие потоки в вертикальной циркуляции океанических и морских вод.

Нисходящие потоки являются устойчивыми и повторяющимися. Они отражаются на картах в виде или разных по форме и ширине векторных линий субгоризонтальных потоков, или роз-диаграмм.

Для решения задач ландшафтно-экологических исследований важна оценка кинематических параметров потоков этой категории в наиболее экологически значимые отрезки времени, чаще всего сезоны года. Например, когда в осеннее время почва в аридных зонах, лишенная растительности, подвергается дефляционным воздействиям ветра. Следует определять также изменчивость и сезонную направленность воздушных и водных потоков при прогнозе пожароопасности, распределения токсичных веществ льдами в шельфовой зоне, на озерах и водохранилищах.

В гравитационной и циркуляционной экспозициях выделяется особая, антропогенная, составляющая, отражающая положение каждого исследуемого элементарного ландшафта относительно как неблагоприятного воздействующего на него субъекта, так и потоков, поставляющих от субъекта в данный ландшафт вредных компонентов.

Резкое ухудшение экологической ситуации конкретных ландшафтов, или наоборот оказывает время года. В теплые сезоны вредные выбросы распространяются непосредственно в почве и растительности прилегающих к источникам ландшафтах, а зимой – в снежном покрове, таяние которого весной приводит к существенным перераспределениям токсичных веществ и других загрязнителей.

Инсоляционная экспозиция элементарного ландшафта, характеризует его положение по отношению к наиболее биологически, а следовательно, и экологически значимому энергетическому потоку – прямой солнечной радиации, подходящей под различными углами к земной поверхности не только на разных широтах, но и на склонах, отличающихся друг от друга по направлению падения и по крутизне. В комплексе вещественных и энергетических потоков важную роль играют тектонические движения и вулканические процессы. На аналитическом уровне ландшафтно-экологических исследований их ландшафтообразующий эффект и экологические последствия принимаются за исходные условия протекания контролируемых рельефом физико-географических процессов, в значительной мере определяющие дифференциацию ландшафтной оболочки.

На синтетическом уровне эти процессы должны учитываться в связи с тем, что они в первую очередь формируют структуру геосистем и тем самым определяют их функционирование, мощность ландшафтной оболочки и энергию нисходящих потоков по земной поверхности.

7. Определение местоположения может считаться строгим и конкретным только тогда, когда указаны те переменные или геотопологческие параметры, совокупность которых необходима и достаточна для выявления естественной делимости земной поверхности и ландшафтной оболочки на составляющие их площадные элементы (рельеф) и приуроченные к ним элементарные ландшафты, а также для точной и исчерпывающей характеристики формы и позиции их по отношению к трем категориям вещественных и энергетических потоков.

К основным взаимосвязанным геоморфологическим параметрам земной поверхности относятся:

1. Абсолютная высота (глубина) земной поверхности рассматриваемая в виде непрерывной функции плановых координат Н (х,у). Оценка и анализ значений этого параметра являются важнейшими процедурами при определении относительного положения по вертикали составляющих рельеф элементов (площадок, террас и др.) и форм земной поверхности (каров, морен). В ландшафтоведении эти же процедуры осуществляются при отнесении фаций к той или иной геотопологической категории (фации междуречий, склонов, днищ котловин, поймы рек).

2. Первая производная от этой функции Н (х,у), модуль которой /Н´ (х,у)/ в качестве градиентов(уклонов) земной поверхности оценивается при изучении склонов, инженерно-геологических, геохимических, ландшафтных исследованиях, бонитировки земель и других работах.

3. Вторая производная от высоты или глубины Н´´(х,у), роль анализа которой в геоморфологии и ландшафтоведении определяется тем, что практически все границы «граней» или фаций на аналитических геоморфологических и ландшафтных картах проводятся по точкам с максимальными значениями ее модулей/ Н´´(х,у)/, фиксирующим выпуклые и вогнутые прогибы земной поверхности. В морфометрии и картометрии этот показатель фигурирует под названием «нормальная или вертикальная кривизна земной поверхности».

4. Горизонтальная кривизна земной поверхности К1 - кривизна горизонталей и структурных линий, выделяемых при выявлении естественной дифференциации земной поверхности по вертикали. Данный параметр вычисляется в соответствии с формулой кривизны любой линии на карте, где одна плановая координата рассматривается в качестве функции, а другая – в качестве аргумента: К1 = у´´ (1 + у´ ²) ³⁄². Величины кривизны и радиуса кривизны (R) взаимно обратны К1 = 1/R. Средняя горизонтальная кривизна элементарной поверхности К1определяется как отношение расстояния между точками перегиба структурной линии или горизонтали (с К1 =0) по прямой к расстоянию между этими точками по горизонтали.

Основные геоморфологические параметры земной поверхности задаются на площади или профиле в дискретной и непрерывной форме. Графическим выражением функции Н (х,у) являются карты топографической поверхности или гипсографические карты. На карте векторов / Н´´(х,у)/, отражается хотя и дискретно, но полностью с помощью лучей, исходящих из равномерно расположенных по площади точек – направленных отрезков, длина которых в соответствии с предварительно выбранным линейным масштабом отвечает скалярной величине данного параметра. Совмещение векторных линий с горизонталями дает непрерывную и полную характеристику Н´(х,у),, значение модулей которой обратно пропорционально длинам отрезков линий тока, заключенных между точками их пересечения со смежными горизонталями.

Для полной характеристики местоположения элементарного ландшафта к геоморфологическим параметрам земной поверхности необходимо добавить его собственно геотопологические показатели:

1. Азимут падения элементарной поверхности – репрезентативной линии L1 или L2или медианной (в пределах элементарного ландшафта) линии тока по земной поверхности А˚. Без этого параметра не могут быть определены и оценены инсоляционная и циркуляционная экспозиция.

2. Угол встречи данной линии с векторной линией экологически значимого субгоризонтального воздушного или водного потока.

3. Относительное превышение элементарной поверхности h, связанное с главным геоморфологическим параметром земной поверхности Н (х,у) и численно равное разности абсолютных высот или глубин верхней и нижней границ элементарного ландшафта.

Все геотопологические параметры (за исключением не имеющего самостоятельного значения h) используются в качестве критериев параметрической корреляционной систематики элементарных ландшафтов по их местоположениям и могут быть отнесены к любой точке земной поверхности.