Методы изучения функционирования геосистем
4. Изучение функционирования природных и природно-антропогенных геосистем
4.1. Ландшафтно-геохимические методы исследований
Одним из важнейших методов изучения функционирования геосистем является метод сопряженного геохимического анализа (СГА).
Сопряженный анализ - это специфический метод исследования в геохимии ландшафта, заключающийся в одновременном изучении химического состава всех компонентов ландшафта (горных пород, коры выветривания, поверхностных и подземных вод, почв, растительности) и геохимической связи между ландшафтами.
Метод СГА представляет собой способ познания объекта через нахождение эмпирических зависимостей дифференциации химических элементов в ландшафте и является основой теоретических положений геохимии ландшафтов.
В целом развитие метода связано с изучением дифференциации химических элементов, раскрытием механизма этой дифференциации на уровне геохимических процессов и эколого-геохимической оценкой качества окружающей среды.
Основные понятия. Основным в геохимии ландшафтов выступает понятие элементарного ландшафта (ЭЛ) или элементарной геохимической системы (ЭЛГС). Сменяющие друг друга ЭЛГС от местного водораздела к местной депрессии представляют собой геохимически сопряженный ряд – геохимическую катену или каскадную ландшафтно-геохимическую систему (КЛГС). Термин местный геохимический ландшафт употребляется для обозначения территории, на которой наблюдается повторение определенных ландшафтных катен.
Сопряженный анализ выявляет характерные для элементарных ландшафтов химические элементы и позволяет проследить их миграцию внутри комплекса (радиальная миграция), и от одного комплекса к другому (латеральная миграция).
Важнейшим фактором дифференциации веществ в ландшафтах являются геохимические барьеры, представления о которых являются одним из основополагающих принципов изучения миграции и концентрации химических элементов в ландшафтах.
Геохимические барьеры – это такие участки ландшафта, где на малом расстоянии происходит резкое уменьшение интенсивности миграции химических элементов и, как следствие, их концентрация.
Рекомендуемые материалы
Геохимические барьеры широко распространены в ландшафтах, на них нередко образуются аномально высокие концентрации элементов. А. И. Перельман выделяет два основных типа барьеров - природные и техногенные. Каждый тип подразделяется на три класса ландшафтно-геохимических барьеров: 1) биогеохимические; 2) механические; 3) физико-химические. Последние возникают в местах изменения температуры, давления, окислительно-восстановительных, щелочно-кислотных и других условий. Морфологически геохимические барьеры делятся на радиальные и латеральные.
Радиальная геохимическая структура. Радиальная геохимическая структура отражает миграцию элементов внутри элементарного геохимического ландшафта, и характеризуется рядом ландшафтно-геохимических коэффициентов.
Коэффициент радиальной дифференциации показывает отношение содержания химического элемента в генетическом горизонте почвы к его содержанию в почвообразующей породе.
Коэффициент биологического поглощения показывает, во сколько раз содержания элемента в золе растения больше, чем в литосфере или горной породе, почве.
Коэффициент водной миграции отражает отношение содержания элемента в минеральном остатке воды к его содержанию в водовмещающих породах.
Графической моделью выражения рассмотренных зависимостей являются геохимические диаграммы. Критерием контрастности радиальной дифференциации могут служить значения вариьирования распределения элемента в почвенных горизонтах относительно почвообразующей породы.
Латеральная геохимическая структура. Латеральная геохимическая структура характеризует отношения между компонентами элементарных ландшафтов в ландшафтной катене.
По условиям миграции Б. Б. Полынов выделял автономные и под-чиненные элементарные ландшафты. К автономным, называемым элювиальными, относятся поверхности водораздельных пространств с глубоким залеганием уровня грунтовых вод. Вещество и энергия поступают в такие ландшафты из атмосферы. В понижениях рельефа образуются подчиненные (гетерономные) ландшафты, которые подразделяются на супераквальные (надводные) и субаквальные (подводные). М. А. Глазовской выделен ряд промежуточных групп элементарных ландшафтов: в верхних частях склонов - трансэлювиальные, в нижних частях склонов и сухих ложбинах – элювиально-аккумулятивные (трансаккумулятивные), в пределах местных депрессий с глубоким уровнем грунтовых вод – аккумулятивно-элювиальные элементарные ландшафты.
Коэффициент местной миграции показывает отношение содержания элемента в почвах подчиненных ландшафтов к автономным.
Типизация катен проводится на основе полученных аналитических данных по содержанию элементов в почвах и почвообразующих породах. Литологически монолитные катены являются наиболее удобными в методическом отношении объектами для изучения латеральной миграции элементов.
Техногенная миграция элементов в ландшафтах. Главным следствием антропогенного воздействия на природную среду является образование аномальных концентраций химических элементов и их соединений в результате загрязнения различных компонентов ландшафта. Выявление техногенных аномалий в различных средах является одной из важнейших задач эколого-геохимических оценок состояния среды. Для оценки загрязнения природной среды используется опробование снежного покрова, почв, поверхностных и подземных вод, донных отложений, растительности.
Одним из критериев аномальности эколого-геохимического состояния служит коэффициент техногенной концентрации (Кс), представляющий собой отношение содержания элемента в рассматриваемом техногенно загрязненном объекте к его фоновому содержанию в компонентах природной среды.
Техногенные аномалии имеют полиэлементный состав и оказывают комплексное интегральное воздействие на живые организмы. Поэтому в практике эколого-геохимических работ часто используются так называемые суммарные показатели загрязнения, характеризующие степень загрязнения целой ассоциации элементов относительно фона.
Качество природных сред может быть определено с помощью системы эколого-геохимических показателей: индекса загрязнения атмосферы (ИЗА), индекса загрязнения воды (ИЗВ), суммарного показателя загрязнения почв (Zc), коэффициента техногенной концентрации (Kc) и др. Каждый из индексов имеет собственную методику расчета. Общий методический подход состоит в том, что при расчете учитываются классы опасности загрязняющих веществ, стандарты качества (ПДК) и средние уровни фонового загрязнения.
Схема эколого-геохимического исследования включает три этапа: 1) ландшафтно-геохимический анализ территории; 2) эколого-геохимическую оценку состояния природной или природно-антропогенной среды; 3) ландшафтно-геохимический прогноз.
Эколого-геохимическое исследование состоит из периода подготовки к полевым работам, собственно полевого периода, важнейшую часть которого составляет сбор образцов на точках наблюдения, и камерального, включающего аналитическую, графико-математическую и картографическую обработку полевых материалов, их объяснение и написание отчета.
Этап ландшафтно-геохимического анализа территории. На стадии подготовки к полевым работам составляется программа, выбираются методы исследований и оптимальный режим выполнения, анализируются общегеографические и отраслевые аналитические и картографические материалы.
Методика проведения полевых ландшафтно-геохимических исследований зависит от целей, задач и масштабов работы. Однако независимо от этих вопросов в основе геохимического изучения ландшафтов лежит выделение и типология элементарных ландшафтов. Итогом исследований является представление о радиальной геохимической структуре вертикального профиля элементарного ландшафта и анализ катенарной геохимической дифференциации каскадных систем.
Этап эколого-геохимической оценки современного геохимического состояния территории включает геохимическую индикацию состояния окружающей среды. Здесь существуют два подхода. Один из них связан с выявлением и инвентаризацией антропогенных источников загрязнения: структуры, состава и количества загрязнителей. Эти данные получают путем анализа выбросов, стоков, твердых отходов (эмиссии). Другой подход заключается в оценке степени и характера реального распределения (имиссии) загрязняющих веществ в природных средах.
Анализ геохимической трансформированности природных ландшафтов под влиянием техногенеза, заключается в изучении перестройки радиальной и латеральной структур ландшафта, направленности и скорости геохимических процессов и связанных с ними геохимических барьеров. Результатом этих исследований обычно является оценка совместимости или несовместимости природных и техногенных геохимических потоков, степени изменчивости и устойчивости природных систем к техногенезу.
Этап ландшафтно-геохимического прогноза. Задача этого этапа заключается в предсказании развития изменения природной среды на основе изучения прошлых и современных природных и природно-антропогенных состояний. Подобные исследования базируются на представлениях об устойчивости природных систем к техногенным нагрузкам и анализе их ответных реакций на эти воздействия. Такой подход отражен в представлениях М. А. Глазовской о технобиогеомах – территориальных системах со сходной ответной реакцией на однотипные антропогенные воздействия.
4.2. Ландшафтно-геофизические методы исследований
Особое место в геоэкологии занимает метод балансов, представляющий собой совокупность приемов, позволяющих исследовать и прогнозировать развитие геосистем путем сопоставления прихода и расхода вещества и энергии. Основой метода служит баланс (балансовая матрица, модель), в котором содержится количественная оценка движения вещества и энергии в пределах системы или при ее взаимодействии с окружающей средой. Метод балансов позволяет прослеживать динамику суточных и годовых циклов, анализировать распределение потоков вещества и энергии по разным каналам.
Основанные на методе балансов научные исследования включают следующие этапы: 1) составление предварительного списка приходных и расходных статей; 2) количественное измерение параметров по статьям прихода и расхода; 3) составление карт и профилей распределения параметров; 4) учет соотношения приходных и расходных частей и выявление тенденций изменения системы.
Метод балансов в исследованиях природных геосистем. В физико-географических исследованиях широко используются уравнения радиационного, теплового, водного балансов, баланса биомассы и др.
Радиационный баланс представляет собой сумму прихода и расхода потоков радиации поглощаемой и излучаемой атмосферой и земной поверхностью.
Тепловой баланс рассматривается как сумма потоков тепла, приходящих на земную поверхность и уходящих от нее.
Водный баланс определяет разность между привносом и выносом влаги в геосистеме, с учетом переноса влаги по воздуху в виде паров и облаков, с поверхностным стоком, с грунтовым стоком, в зимнее время – со снегопереносом.
Баланс биомассы определяет динамику биомассы и ее долю в структуре геомасс ПТК. Например, балансовое уравнение древесной части леса имеет две статьи прихода: долговременный прирост - древесина и сезонный – листья; и три статьи расхода: опад и поедание, потери на дыхание и опад листьев. Биомасса определяется в сыром весе, в весе абсолютно сухого вещества или зольности. Для определения энергии биомассу пересчитывают на калории, выделяющиеся при сжигании каждого отдельного организма.
Количественные соотношения между продуктивностью растительности и ресурсами тепла и влаги определяются с использованием показателей радиационного баланса за год, атмосферных осадков за год и радиационного индекса сухости.
Энергетический баланс в изучении геосистем является одним из немногих подходов, дающих возможность проводить анализ состояния и функционирования природных и природно-антропогенных систем в единых единицах измерения. Теоретической основой энергетического баланса является концепция открытых термодинамических неуравновешенных систем. Энергия поступает в природную геосистему главным образом от солнечного излучения, а в природно-антропогенную систему из двух источников - солнечного излучения, которое превращается в химическую энергию тканей растений; и от искусственной энергии в виде топлива, товаров и услуг, определяемой накопленной энергоемкостью. В пределах рассматриваемой системы только незначительная часть энергии (менее 1 %) используется для удовлетворения потребностей людей, остальная часть подвергается разнообразным преобразованиям, которые сопровождаются потерей тепла. Конечный этап этих преобразований - определенное количество энергии, накопленное в первичной продукции растений и в определенных товарах. Универсальность энергетических характеристик обеспечивает их применение к сложным природным и природно-антропогенным геосистемам, что превращает использование метода энергетического баланса в эффективное средство исследования проблем окружающей среды.
Ландшафтно-геофизические исследования направлены на выделение вертикальной структуры и функционирования геокомплекса. В качестве основного объекта рассматривают стексы – суточные состояния структуры и функционирования ПТК.
В лекции "Счетчик команд в микропроцессорах" также много полезной информации.
Изучение геокомплексов проводится главным образом при стационарных наблюдениях, где изучают трансформацию солнечной энергии, влагоооборот, биогеоцикл, вертикальную структуру ПТК. Многолетняя апробация методики позволила проводить ландшафтно-геофизические исследования не только стационарным, но и экспедиционным маршрутным методом, с опорой на базу стационарных наблюдений в регионе исследований.
Первоначально в ПТК выделяют геомассы, по их соотношению - геогоризонты. Геомассы и геогоризонты являются системообразующими элементами вертикальной структуры геокомплекса, а ведущим процессом рассматривается изменение вертикальной структуры.
Геомассы выделяют по однородности агрегатного состояния, близким значениям удельной массы и специфическому функциональному назначению. Например, в почве имеются педомасса различного мехсостава, литомасса (включения), гидромасса (почвенная влага), фитомасса корней, мортмасса (подстилка, торф), зоомасса (почвенная мезофауна).
Геогоризонты – сравнительно однородные слои в вертикальном профиле геокомплексов. Каждый геогоризонт характеризуется специфичным набором и соотношением геомасс. Геогоризонты легко выделяются визуально, их набор изменяется в течение года в отличие от ярусной структуры растительности или генетических горизонтов почв.
Индексация геогоризонтов построена на следующих правилах: в индексе горизонта классы геомасс указываются в порядке их убывания (по массе); после класса геомасс через запятую указывают все виды; после индекса указывается его граница относительно поверхности почвы (в метрах). Прирост или убыль геомасс показывается стрелками вверх или вниз, а индексы фотосинтезирующих фитомасс, находящихся в пассивном состоянии зимой, даются в скобках.
Стационарные наблюдения позволили обосновать индикацию стексов по вертикальной структуре геокомплексов. Суточное состояние выделяется по сочетанию следующих трех групп признаков: термического режима, увлажнения и изменения вертикальной структуры.
