Образование окислительных (кислородных) барьеров связано с изменениями окислительно-восстановительных условий в ландшафте. Этот барьер возникает в ландшафтах при резкой смене восстановительной среды на окислительную. Например, грунтовые воды, обогащенные железом и марганцем, в виде бикарбонатов или органических комплексов вблизи поверхности почв, на окраинах болотных ландшафтов, в озерах образуют железо-марганцевые конкреции, болотные и озерные руды, залежи самородной серы.

Сероводородные (сульфидные) барьеры формируются в тех ландшафтах, где создаются условия для образования сероводорода. (Кислые или глеевые воды контактируют с сероводородной средой: рН>7, Еh<0). Сероводород, вступая в химическую реакцию с металлами, образует сульфиды металлов (железа, свинца, меди, цинка), выпадающие в осадок.

Глеевые барьеры образуются при смене окислительной среды на восстановительную (в тех условиях, где кислые воды встречаются с восстановительной средой). Эти барьеры накапливают выпадающие в осадок трудно растворимые соединения ванадия, селена, меди, урана, кобальта.

Щелочные барьеры образуются в почвенных горизонтах (на границе), где наблюдается резкое повышение рН и смена кислой и (или) слабо кислой среды на щелочную. Например, на контакте силикатных и карбонатных пород образуются горизонты, обогащенные кальцием, магнием, марганцем, барием, стронцием, ванадием, цинком, медью, кобальтом, свинцом, кадмием.

Кислые барьеры формируются в зонах ландшафта при резком понижении рН (щелочной или нейтральной) в более кислую сторону. На кислых барьерах задерживается миграция и осаждается мышьяк, молибден, селен, кремний, соединения, которых в кислой среде слаборастворимы.

Нейтральный (или кальциевый) барьер образуется при наличии карбонатных пород или жестких вод, насыщенных ионами СО₃^2-. На барьере приостанавливается миграция кальция, железа, бария, стронция.

Сульфатные барьеры характерны для вод, обогащенных сульфатными ионами. Здесь концентрируются барий, стронций, кальций.

Испарительные барьеры проявляются в аридных ландшафтах. Вода с растворенными в ней элементами передвигается вверх, и по мере перехода в парообразное состояние происходит выпадение элементов из раствора с образованием хлоридных, сульфатных и карбонатных солей. Этот барьер прекращает миграцию всех растворимых в воде веществ. Есть две разновидности испарительных барьеров: а) верхние – на поверхности почвы; и б) нижние – на уровне грунтовых вод. Здесь наблюдается образование засоленных почв и накопление кальция, магния, калия, натрия, фтора, серы, стронция, хлора, свинца, цинка, ванадия, никеля, молибдена.

Сорбционные барьеры характерны для тех ландшафтов, в которых много коллоидных частиц (гумуса, глины). В основе сорбционного поглощения лежит поглотительная способность почвы. Этот барьер может осаждать практически все элементы, встречающиеся в растворе в ионной форме.

В зависимости от направления потоков миграции химических элементов в ландшафте, на пути которых возникают геохимические барьеры, последние делятся на две группы – радиальные (вертикальные) и латеральные. Радиальные барьеры формируются при вертикальной (снизу вверх или сверху вниз) миграции растворов. Во многом благодаря существованию этих барьеров наблюдается дифференциация химических элементов в почвенном профиле. Латеральные барьеры возникают при движении вод в субгоризонтальном направлении. Например, на границах фаций, в краевых зонах болот и т.д.

В ландшафтах происходит совмещение и комплексирование различных геохимических процессов в связи, с чем выделяют комплексные барьеры, образующиеся в результате наложения двух или нескольких взаимосвязанных химических процессов. Выделяются также двусторонние барьеры, которые формируются при движении различных элементов к барьеру с разных сторон. На двустороннем барьере происходит осаждение разнородной ассоциации химических элементов.

По форме геохимические барьеры разделяются на линейные и площадные. Линейные барьеры характерны для границ раздела различных ландшафтов. Примером линейного барьера является, например, граница болотного ландшафта и незаболоченной территории, на которой в почвах, водах и рыхлых отражениях резко изменяются окислительно-восстановительные условия, в пограничной полосе идет накопление болотных железо-марганцевых руд и ряда элементов группы железа. Площадные барьеры могут субгоризонтально простираться на большие расстояния.

Техногенные барьеры также разделяются на три класса – механические, физико-химические и биогеохимические. Более сложные процессы образования геохимических барьеров обычно включают в себя менее сложные. Например, в образовании техногенных барьеров могут участвовать механические, физико-химические и биогенные процессы, но сущность данных барьеров не может быть понята без учета особенностей социальной формы движения, техногенной миграции. Главное внимание исследователей до сих пор привлекали физико-химические барьеры (природные и техногенные).

Для характеристики ландшафтно-геохимических барьеров применяют ряд показателей: градиент и контрастность барьера. Градиент барьера характеризует изменение геохимических показателей в направлении миграции химических элементов.

G=d_m/d_l или G=m₁-m₂/l

где m₁ – значение геохимического показателя до барьера, m₂ - его значение после барьера, l – ширина барьера.

Контрастность барьера (S) характеризуется отношением величины геохимических показателей в направлении миграции до и после барьера.

S=Cx₁/Cx₂=m₁/m₂

Интенсивность накопления элемента, например, при рудообразовании, увеличивается с ростом контрастности и градиента барьера.

Природа и положение в пространстве ландшафтно-геохимических барьеров обусловлены исходной неоднородностью условий миграции, связанной с литологическим и гранулометрическим составом пород, а также с различиями биоклиматических условий. По мере накопления на геохимических барьерах определенных веществ природа барьера изменяется, разрушаются некоторые исходные барьеры, возникают новые комплексные. Особенно сильно трансформируется, а часто и полностью разрушаются геохимические барьеры под воздействием миграционных потоков техногенных веществ.

На геохимических барьерах образуются рудные тела большинства месторождений полезных ископаемых, и само понятие геохимических барьеров оказалось очень полезным для разработки методики поисков полезных ископаемых. Изучение барьеров важно и в борьбе с загрязнением окружающей среды.

4. ДИНАМИКА ЛАНДШАФТОВ

4.1.Динамика и эволюция ландшафтов

Ландшафты – это динамические системы. Под ландшафтной динамикой понимаются изменения ландшафта, не сопровождающиеся трансформацией его структуры, то есть происходящие в рамках единого инварианта. В то время как эволюция (развитие) ландшафта сопровождается необратимыми поступательными изменениями, которые приводят к смене структуры ландшафта, к замене одного инварианта другим. Различают несколько видов естественной ландшафтной динамики – динамика функционирования, развития, катастроф (или революций) и восстановительных сукцессий. Каждый из видов динамики и ландшафтная эволюция характеризуется преобладанием той или иной формы развертывания событий (смен состояний) во времени. Кроме того, сейчас все большую роль в «жизни» ландшафтов играет антропогенная динамика.

Динамика функционирования характеризуется и проявляется в форме ритмов и циклов, то есть динамика функционирования – это в основном периодически повторяющиеся в определенной последовательности серии состояний ландшафта (суточных, сезонных, погодных и др.), отличающихся спецификой структуры и функционирования. Важно различать ритмы (состояния) разных порядков по их продолжительности. Н.Л. Беручашвили выделяет ритмы кратковременные (продолжительностью до 1 сут), средневременные (от 1 сут до 1 года) и длительновременные (более 1 года). Кратковременные состояния могут сменяться через несколько часов и даже минут, но они не затрагивают глубоко ландшафт. Длительновременные состояния мало изучались. На практике чаще всего приходится иметь дело со средневременными состояниями ландшафта. Они связаны прежде всего с сезонной динамикой (фазы годового цикла), кроме того, с различными погодными ситуациями преимущественно циркуляционного происхождения. Н.Л. Беручашвили ввел понятие о стексах как средне суточных состояниях геосистем, обусловленных главным образом положением данных суток в годовом цикле функционирования и колебаниями циркуляционных процессов в атмосфере. В отличие от сезонных фаз, сменяющихся в строго обязательной последовательности, стексы не образуют последовательного временного ряда. Стексы классифицируются по тем же признакам, что и фазы годового цикла, то есть по термическим условиям и увлажнению.

Кроме перечисленных выше известны также 2-3, 4-6, 11, 33-35 («брикнеровские»), 40-50, 80, 111 («вековой»), 1850-1900 («шнитниковский») и другие циклы, обусловленные солнечной активностью, гравитационными воздействиями, изменениями орбитальных характеристик Земли и т.д.

Различные ритмы проявляются в ландшафте совместно и одновременно, интерферируя, т.е. накладываются один на другой. Это обстоятельство затушевывает четкость ритмов и затрудняет их расчленение. Не все ритмы в равной степени актуальны для экологии ландшафтов. Геологические и сверхвековые циклы, проявляющиеся в планетарных масштабах, перекрывают время существования отдельных ландшафтов и имеют отношение к динамике всей географической оболочки.

Динамика развития ландшафтов проявляется в форме ландшафтных трендов и «жизненных» циклов, характеризующихся направленными необратимыми изменениями структуры и состояний ландшафтов от их зарождения до отмирания. Примерами динамики развития являются: а) зарождение оврага с промоины и развитие до балки с выработанным профилем и пологими заросшими склонами конкретной овражно-балочной системы; б) формирование озерной геосистемы с последующим заполнением озерной котловины рыхлыми наносами и органическими остатками растений, саморазвитием водной поверхности и отмирании озерной геосистемы, как таковой. Для динамики развития характерны следующие специфические этапы и соответствующие им состояния: зарождения, молодости, зрелости, старения и полного отмирания. По сути, она определяется полным жизненным циклом ландшафта конкретного вида и типа. Динамика развития подчиняется определенным закономерностям, которые можно выявить с использованием методов ландшафтных аналогий и актуализма на местности, поэтому она относительно легко прогнозируется. Знание времени полного жизненного цикла ландшафта (характерного времени), их отдельных элементов и этапов развития позволяет определить возраст геосистемы и прогнозировать опасные процессы, сопровождающие те или иные стадии развития. Природные тренды, определяющие динамику развития, могут быть обусловлены как постепенными направленными процессами внутреннего саморазвития геосистем, связанного с незамкнутостью внутренних круговоротов в относительно устойчивых условиях внешней среды, так и медленными направленными изменениями факторов внешней среды.

Необратимость и направленность развития ландшафтов относительна и касается только конкретных индивидов определенного уровня организации или ранга. Например, отмирает один овраг, но в данной местности имеются предпосылки или может уже существовать и развиваться другой; в пойме заносится и зарастает одна старица, но появляется и развивается аналогичным образом другая. Взаимосвязь разных стадий развития и разных поколений позволяет говорить о жизненных циклах развития геосистем и их относительной обратимости.

Революционная динамика ландшафтов или динамика катастроф. Динамика катастроф и революций проявляется в форме резких скачкообразных изменений структуры, а, следовательно, и изменения состояний ландшафтов. Она обычно бывает обусловлена относительно случайными, быстрыми, порой катастрофическими процессами внешней среды, ведущими к сильным разрушениям ландшафтных структур регионов.

К ним относятся такие разрушительные процессы, как обвалы, лавины, сели в горах, ураганы, катастрофические ливни и наводнения, вулканические извержения, пожары, неумеренная хозяйственная деятельность и т.д. В отличие от медленно и длительно проявляющейся эволюции динамика природных катастроф происходит в сравнительно сжатые отрезки времени и влечет за собой разрушение или полное уничтожение биоты и почвенного покрова, а порой и изменение литогенной основы. Ландшафту после таких катастроф требуется несколько десятков, а то и сотни лет на восстановление вертикальной и горизонтальной структуры, либо на становление обновленных ландшафтов на новой литогенной основе. Причем существенные изменения литогенной основы ландшафтов могут коренным образом изменить направление их развития и эволюции.

Ландшафтная динамика восстановительных сукцессий – это последовательная смена состояний ландшафта, направленная на его стабилизацию в окружающей среде. Представление о сукцессиях было перенесено в экологию ландшафтов К. Троллем.

Представления о сукцессиях как последовательных сменах состояний в рамках инварианта положены в основу динамической модели ландшафта: серийные ряды фаций, последовательно связанные с коренной фацией представляют собой одну из форм отражения сукцессии ландшафта. Под сукцессией ландшафта понимается и процесс смены переменных состояний ландшафта в направлении к коренному или близкому к нему динамическому состоянию.

Существующие классификации сукцессий довольно сложны и разнообразны. Прежде всего, можно выделить первичные и вторичные сукцессии. Первичные сукцессии начинаются с оголенного субстрата, то есть по сути дела «с чистого листа», а вторичные связаны с нарушенным ландшафтом, в котором сохранился хотя бы один, а чаще несколько блоков. Кроме того, различают так называемые дигрессионные и демутационные сукцессии. Дигрессия (деградация) – процесс, обычно противоположный нормальной сукцессии развития, связанный с упрощением структуры геосистем и часто приводящий к их конвергенции; демутация – это восстановительная сукцессия, обычно (но не всегда) эквифинальная с нормальной сукцессией развития. Для разных типов восстановительной сукцессии используют термины – постэксарационная – для залежной сукцессии и постпирогенная – для сукцессии, начинающейся на пожарищах. В каждой сукцессии можно выделить инициальные (начальные) и терминальные (конечные) стадии – это обычно климакс или антропогенный субклимакс. Пионерным видам, заселяющим ландшафты на начальных стадиях сукцессий, обычно свойственно минимальное характерное время, в течение которого вид осваивает новую территорию.

Характерные времена сукцессий имеют широкий диапазон – от десятков до тысяч лет (Тишков, 1986). В них вовлекаются все без исключения компоненты ландшафта. Каждый из компонентов имеет свой «сукцессионный статус», т.е. занимает определенное положение в цепочке временных изменений геосистем. Достаточно вспомнить этапы зарастания водоема или залесение залежи, где на смену одним сообществам растений и животных приходят другие, преобразуя среду для других организмов (одна модель сукцессии) или исчерпывания свои возможности существования в данных условиях (другая модель сукцессии).