Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему
Формирование молодых геосистем
ВАК РФ 11.00.01, Физическая география, геофизика и геохимия ландшафтов

Автореферат диссертации по теме "Формирование молодых геосистем"

ЛКЛИЕППЯ НАУК СССР ИНСТИТУТ ГЕОГРАФИИ

На правах рукописи удк : 911.52(574.А)

МИХАЛЕНКО Елена Алексеевна

ФОРМИРОВАНИЕ ИОЛО.ЩХ ГЕОСИСТЕМ (НА ПРИМЕРЕ ОТРАЛОР КМА)

Специальность 11.00.01 - физическая география,геофизика и

геохимия ландшафтов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Москва -

1990

Работа випонена в лаборатории эксперименатльних исследований геосистем Института географии АН СССР

Научные руководители:

доктор географических наук А.1-1.Грин

Доктор географических наук Л.И.Чухина

Официальные оппоненты:

доктор географических наук Пузаченко ¡О.Г.

кандидат географических наук А.А.Тииков

Ведущее учреждение:

Географический факультет Московского государственного университета им. И.В.Ломоносова

Защита диссертации состоится "■У ". . 1990 года

в " М) " часов на заседании Специализированного Совета Д.003.19.01 при Институте географии Ali СССР, 109017, .¡осква, Старомонетньй пер., д.29.

С диссертацией можно ознакомиться в оиЭлиотеке Института географии Ali СССР.

Автореферат разослан " е "... .. 1990г.

Ученый секретарь Совета, кандидат географических наук v ' Т.П.Куприянова

Общая характеристика работы. В последние годы в связи с обострением конфликта

между человеком и природой задачей географических исследований все чаше становится не только описание структуры и поведения географических систем (геосистем), но и использование этих знаний для прогнозирования и управления их развитием. Строение геосистем изучено к настоящему времени довольно полно (Солнцев,1968; Арманп Л.,1975;Доманд А., 1975). Поведение геосистем при различных внешних воздействиях также является предметом изучения большого отряла специалистов (Коломиц,1989; 1 Крауклис, 1976; 1979; Geography applied... , 1973). В фокусе те нашего внимания находится динамика геосистем, вызванная внутренними причинами, процессами саморазвития и самоорганизации. Молодые, формирующиеся геосистемы очень удобные обь-екты для изучения динамических изменений, поскольку з них, как правило, все про-црссн ускопгны и относительно легко регистрируются.

1'леальным обьектом в этом смысле, на наш взгляд, можно считать отвалы горных разработок, т.к. они относительно невелики по площади, их возраст может быть точно установлен, они встречаются во всех природных зонах.

Настоящая работа посвящена пооцессам фоомирования геосистем на отвалах, начиная с первых месяцев после отсыпки породы и заканчивая лесной или лугово-степной стадией на сложившихся почвах. I: диссертации осуществлен геосистемный подход, при котором процессы почвообразования и сложения растительного покрова рассматриваются как составная часть более сложного процесса становления геосистемы.

Актуальность выбранной темы подтверждается тем, что обширные нарушенные территории изымаются из оборота, часть из них при этом безвозвратно. Только на одном месторождении Курской магнитной аномалии отвалы занимают более АО тыс.га (Ананьева, 19Й2; Титовский и др., 1980). Гз них рекультивировано около половины. Рекультивация, проведенная традиционными методами часто не оправдывает надежды на возвращение плодородных земель в сельскохозяйственное использование из-за того, что она проводится без учета географических закономерностей, а иногда и вопреки им. Очевидно, изучение особенностей формирования геосистем на пустой городе может дать клич к решению этой проблемы, поставленной в наши дни развитием горнолобывапцей гоомышленности.

г -

Цель работы заключается в выявлении ведущих механизмов и факторов (биотических и абиотических) первичной сукцессии посредством анализа динамики юмпонетов и элементарных территориальных единиц геосистемы.

Для этого было необходимо решить ряд задач:

- проанализировать строение компонентов молодых геосистем на ранних стадиях их формирования;

- выявить динамические изменения отдельных параметров геосистемы в холе её развития с "нуля";

- определить роль отдельных видов и групп растений, их индикаторную роль в процессе первичной сукцессии на отвалах;

- рассмотреть динамику элементарных звеньев геосистемы с точки зрения их участия в общем процессе становления геосистемы;

- раскрыть сущность основных механизмов развития геосистемы при первичных сукцессиях.

Отвалы горных пород неоднократно становились объектами исследования различных специалистов - геоботаников, флористов, агрономов, зоологов, почвоведов, лимнологов. Работ комплексных, ландшафтных по этому вопросу фактически не встречается. В диссертационной работе предложен ландшафтной подход. 2десь подробно описан и проиллюстрирован ход первичной сукцессии геосистемы, выявлена стохастическа составляющая процесса развития, прослежено постепенное формирование внутренних связей между компонентами геосистемы, их усложнение с возрастом.

Возникновение и формирование геосистемы прослежено на разных уровнях организации - от наименьшего структурного звена типа единичное растение - элементарная почвенная разность - до парцеллярных структур.

Комплексный подход к изучению первичной сукцессии позволил описать процессы разных рангов - от ведущих, таких как гумусонлкопление и формирование структуры фитомассы до элементарных, таких как взаимодействие отдельных первичных звеньев геосистемы и сделать заключение о механизмах, движущих развитие еС в ходе сукцессии.

Практическая значимость состоит в возможности использования найденных закономерностей для проведения работ по восстановлению ландшафтов с минимальными затратами и оптимальной организацией пространства.

Основные выводы диссертационной работы доложены на Всесоюзном совещании по проблемам стационаоных исследований в Иркутске (апрель, 1988), на Всесоюзной школе-семинаре молодых ученых в ЖАССР, п. Азау (апрель, 1989), на семинарах лаборатории экспериментальных исследований геосистем Института географии АН СССР.

Исследования проводились в 1987-89 гг. в составе ландшафтно-геохимического отряда лаборатории экспериментальных исследований геосистем ИГАМ СССР.

Обьектом исследования служили отвалы Нихайловского ГОКа в Я!елезногорском районе Курской области, расположенные на границе лесной и лесостепной зон. Среднегодовое количество осадков в районе г.Железногорска составляет 570 т, 70У. из них выпадает в теплый период, испаряется в среднем 410 мм, средняя температура июля - +18,7°.

В ходе полевых работ было сделано 300 геоботанических описаний, отобрано и проанализировано 250 образцов почв с разновозрастных участков отвалов. Химические анализы проводились на Курской биосферной станции ИГАМ. В почвах различного возраста, в разных горизонтах било проанализировано содержание гумуса, Са^ а и Р. Зралисъ также укоси для определения фитомассы в период ее максимального развития, проводился учет фитомассы подземных органов.

Диссертация изложена на 430 стр. машинописного текста, включает 2/8 рис., 8 таблиц, которые представлены в пяти главах работы.

Главные положения работы отражены в 3 опубликованных статьях (две в соавторстве), сдан в печать раздел в коллективную монографию обьемом 1 п.л. Структура и основное содержание работы.

В главе 1 проанализирована изученность данной проблемы, методика проведения полевых работ, а такие оби'ая характеристика обьекта исследований.

Существующая литература по проблеме первичных сукцессии геосистем, несмотря на свою многочисленность, ппелоставляет противоречивые сведения как о ходе сукЦёс-

-it-

em, так и о ее механизмах.

Многие авторы в понятие сукцессия вкладывают представление о динамических изменениях растительности, отводя другим компонентам ландшафта второстепенную роль.(Исаков идр., 1986). В то же время ряд ландшафтоведов и ботаников рассматривают сукцессионный процесс шире, как преобразование геосистемы в целом (Иир-кин, Розенберг, 1983; Сочава, 1984). Мы также в дальнейшем изложении будем пои-держиваться такого, более широкого понимания сукцессии. Геосистемный подхол учитывает, что в сукцессионном процессе преобразуются и преобразуют друг друга все компоненты геосистемы.

При изучении сукцессий неизбежно встает вопрос о выделении стадий, о том, к какой стадии относить переходные периоды, в какой момент развития геосистемы проводить временную границу. Эти вопросы рассматриваются в работе, но для нас наиболее существенным представляется выяснить, что служит механизмом сукцессии, каковы внутренние причины перехода из одной стадии в другую.

Довольно широко распространена точка зрения на сукцессионную смену, которую мы вслед за Шугартом (shugart , 1984) назовем "флористической сменой" или "версией соревнования". Р.Уиттекер (1970) так описал этот процесс:"...один доминирующий вид изменяет почву и микроклимат таким образом, что делает возможным поселение (вторжение) второго вида, который становится доминантом и изменяет среду, подавляя первый и делая возможным появление третьего доминанта, который в свою очередь изменяет эту среду.

В последнее время появился ряд работ, отражающих принципиально отличный подход к выявлению механизмов сукцессии. Современные экологи часто обращаются к идее об условной цели геосистемы (экосистемы), о ее стремлении к гармонизации структуры и в связи с реализацией этой цели говорят о fyHKi^x и задачах системы (Hoi-ling ,1986; Мак-Магон, 1981; Розенберг, 1984).

Вопросам первичного почвообразования посвящено большое количество работ русских и зарубежных ученых ( Проблемы рекультивации..,1975; Почвообразование..., 1979; ьурыкин, Засорина, 19о9, Olson , 1988 и мн. др.). По этой казалось бы, уз-

кой проблеме существует много разногласий. Так, одни исследователи не находят признаков почвообразования на ?0-летнем отвале кроме незначительного накопления гумуса (Ильичев, Иарголина, 198G), в то время как другие описывают морфологические почвенные горизонты на отвале 5-летнего возраста (Трофимов, 1977).

Исследования микропоррологической структуры примитивных почвенных горизонтов, проведенные ¡¡.П.">орщевскт, работавшимв составе группы на отвалах КИА, также подтверждают вывод о том, что почвообразование в первые десятки лет захватывает толпу породи до глубины SO-100 см. Зти результаты согласуются с аналогичными исследованиями других авторов (П.ягкова, Николаева, 1983; Soil development... , 1977 и др.). Однако, скорость почвообразования может сильно меняться в зависимости от температурных условий. Так, за 10 лет после отсыпки отвалов на Кольском полуострове (средняя температура июля + 13°) практически не проявились никакие гриз-наки почвообразования (Переверзев, Подлесная, 1986), хотя по надземной и подземной биомассе, количеству осадков за вегетационный период эта территория близка к Курской области.

Четвертичные суглинки, которые мы выбрали в качестве базового объекта изу-г;-чения первичной сукцессии на отвалах, поскольку на них легче всего оказалось выделить "чистую линию" развития, относятся к потенциально плодородным (Чеклина, Са-зич, 1967). линии развития на других породах - келловейских глинах и сеноман-гльбеких песках - привлекались в основном для сравнения.

Специфика формирования геосистем отвалов заключается также в искусственном соединении в ппостранстве сразу нескольких стадий сукцессии, без промежуточных переходов. Самые старце участки, успевшие "обзавестись" растительным покровом и примитивными почвами, оказываются внизу, у подошвы холма. Террасы, лежащие выше, имеют меньший возоаст, а самый перх часто занимает свежеотсыпанная порода. Видимо, нужна известная осторожность при перенесении пространственных закономерностей раз-пития геосистем, наблюдающихся на тероасах разного возраста , на временную ось.

Глава l содержит анализ Флористического состава растительности. Каждый отдельный вил в сообществе является носителем совеошенно определенных качеств, позволяющих ему занимать то или инор место в межвидовых иерархиях. Мчь примерно к 15 го-

дам, времени первичного становления адаптивной и эдитикационной структур сообщества, виды занимают в них именно то место, которое наиболее соответствует их жизненной стратегии и индивидуальным свойствам.

Для растительности, описанной на лессовидных суглинках, была составлена сводная таблица описаний. Всего на отвалах из лессовидного суглинка било встречено 115 видов высших цветковых ргстений, трав и кустарничков. Видовое богатство на отвалах келловейских глин значительно меньше - в наших описаниях указано 69 видов цветковых растений.

Все описания в сводной таблице расположены в порядке "взросления" от 2-х до 27-ми лет. Из ооцего количества встреченных видов подавляющее большинство - многолетники. Двулетних и однолетних видов насчитывается лишь 15% и 19'/ соответственно.

Виды имеют различные требования к условиям среды. Для одних подобные местообитания являются крайними условиями (заносные виды), для других (аборигенные виды) близки к оптимуму. Нами было встречено несколько типичных представителей широколиственных лесов (Equisetun sylvaticum Lv Stellaria media Cyr. и др.), а также растения, характерные для зоны сухих степей и полупустынь f^rtenisia scoparia l.)_

Растения отвалов играют, естественно, неодинаковую роль в сложении сообществ. Среди них можно выделить явных "лидеров", доминирующих в разных возрастных состояниях и виды, играющие совсем скромную роль в организации группировок, большинство видов (около 5070 выступает эксплерентами.

На рис. 1 показано изменение во времени обилия некоторых видов, встреченных на разновозрастных отвалах. Видно, как неодинаково ведут себя в сукцессии представители разных групп растений.

Для нас представляется важным оценить особенности распространения вида в пространстве и времени, вариации его обилия и в зависимости от этого определить его роль в первичной сукцессии, которая вместе с эдитикационной способностью составляет "сукцессионный статус" вида (Тишков, 1936, 1989). Для этого в сводной таблице описаний была подсчитана константность вида (Нешатаев, 1987). Наибольшее число видов оказалось с низкой « 10"'.) или очень низкой {<¿1) константностью. Всего

2 _Melilotus albun 4 ........Lepidium ruderale

5 —--- Glechcma hirsuta

Рис. 1 Изменение обилия некоторых видов растений с возрастом отвалов.

выделилось 5 основных групп константности. Кроне названных это - средняя (1Ü-20!0, нормальная (30-70%) и высокая (>70?.).

В каждом классе константности по обилию было выделено три подгруппы видов -очень маленькое покрытие 1%), маленькое (1-2 7.) и среднее О 2%). Этими двумя операциями ми получили двумерное распределение пространственных характеристик от-I, дельных видов. Для анализа временной структуры видового состава весь массив опи-1 саний был также разбит по возрасту формирующихся сообществ : 2 - 6 лет, 7-12 лет 13 - 16 лет, 17 - 27 лет. Примерно 75 % видов при этом попали не в одну возрасту« группу, а в несколько. Поэтому дальше было проведено разделение видов по принадлеи i ности к возрастным группам : к одной (какой именно), к двум (например, с 2 до 12 5; лет и т.д.) или к трем (например, с 2 до 16 лет). Ё результате такого отбора оста* ' лись лишь виды, встреченные во всех возрастах. После проделанных ординаций виды

заняли определенное место в пространстве признаков - константность и обилие,время ; встречаемости (продолжительность существования) и этап сукцессии, на котором вид встречен. Первые два признака характеризуют пространственное, а последние - хронологическое распределение видов, j; Для стадии сукцессии от 2 до 6 лет насчитывается 10 специфичных видов расте-

ний. Их сукцессионный статус повышен, а особенно это можно сказать о виде со сред-Г ', ним обилием - Glechcma hirsuta L . Растения, специфичные для периода от 7 до 12 лет в основном также имеют низкое обилие, их можно отнести в соответственный фитоценотип, характеризующийся невысокой константностью и небольшим обилием, но обладающий повышенной индикаторностью по сравнению с постоянно встречающимися видами. Особенно это относится к многолетним растениям.

Среди видов, приуроченных к двум возрастным группам, максимальное количество оказалось в подгруппе старше 16 лет. Это можно связать с общим "взрослением" сообществ, с более жестким отбором видов после того, как группировка "начерно" сфор мировалаь. Наиболее высокий сукцессионный статус в этой хронологической группе имеют несколько видов, не привязанных строго к определенному экотопу (Leucanthe-•! пда vulgaris Lam.,Agrostis alba L. , Festuca pratensis Muds. ). В целом сук-цессионнй статус видов, встречающихся на двух временных интервалах выше, чем у

приуроченных только к одному периоду, несмотря на кажущуюся узкую специфичность ; вторых.

Часть растений, зафиксированных на отвалах, встречаются в трех временных интервалах. Их статус относительно невысок, особенно если они имеют постоянно низкое обилие. Как правило, это виды рудеральные, заполняющие собой малейшее разрежение в растительном покрове. К этому фитоценотипу относятся также виды с прерывистой встречаемостью. Для некоторых из них, главным образом представителей семейства бобовых, перерыв в развитии может быть объяснен индивидуальными циклами развития.

Если сравнивать индикаторную способность представителей третьего фитоценоти-па с предыдущими, то она несколько ниже за счет более широкого интервала времени встречаемости, но выше, чем у видов, характерных для одного периода, которые не обладают достаточной эдифицирующей силой.

В четвертый фитоценотип попали виды -"космополиты", встречающиеся на отвалах всех возрастов. Среди них много "заполнителей", то есть слабых в конкурентном отношении видов, но если постоянная встречаемость сочетается с высоким обилием, то ; как правло, это - доминанты различных группировок. Среди них преобладают гредста-вители семейства бобовых и злаки, а также даа вида полыней и самый "активный" вид, с максимальным обилием и константностью -ТизэПадо £аг£ага Ь- Но несмотря на значительную роль, которую эти виды играют в сообществах, их сукцессионный статус невелик именно из-за "неразборчивости" к возрасту.

Таким образом, используя четыре признака вида, мы можем определить его относительную значимость для всего процесса сукцессии. Необходимо отметить, что чет-' .} ких, абсолютных индикаторов возраста сукцессии, по-видимому, в нашем случае не существует. И можно говорить лишь об относите/ъной индикаторной роли тех или иных видов. Что же касается выделенных фитоценотипов, то их роль в сукцессии также очевидно неодинакова.

Глава 3 посвящена описанию хода сукцессии на отвалах, изменению отдельных компонентов и характеристик геосистемы по мере развития.

Формирование геосистем начинается сразу после отсылки отвалов. К моменту, когда появляются первые высшие цветковые растения, заметны уже различия в раз:*' витии отдельных участков отвалов. Дифференциация углубляется по мере формирования геосстем, в конечном итоге приводя к образованию двух отличных типов - лу-гово-степных и лесных геосистем. Путь к каждому из этих двух устойчивых состояний иошет различаться, т.е. промежуточные стадии между отсыпанной породой и,например, ¡¡т.*.''!мелколиственным лесом могут не только не совпадать по времени, но и не иметь ни одного общего доминанта в растительном покрове.

Участки отвала из лессовидного суглинка, выбранного нами для анализа, сильно не различаются по экотопическим условиям, расхождения не превышают 1,5 ступени по богатству и засолению почвы , по увлажнению (Раменский, 1956) и 1 ступени по

■!

_ гелиоморфности «ашкарова, 1986).

Очевидно, сукцессия будет продолжаться несколько десятков (а,может, и сотен) ■ лет. Но за первые 30 лет после отсыпки отвалов сформировался почвенный профиль с 41 ¡относительно хорошо выраженными морфологическими горизонтами. По нашим данным тол.;',' щина прокрашенного гумусом верхнего горизонта достигает 5-7 см на отвале 25-летнег 3'; - возраста. Хотя структура горизонтов, лежащих под гумусовым слоем, визуально неясная, ее все-таки можно объективно выделить и описать. Содержание гумуса в верх-

V;*

нем горизонте достигает уже 2-3 X, т.е. по сравнению с породой увеличивается в .!■ 10 и более раз.

V:' ' На отвалах из лессовидного суглинка нами было описано 11 вариантов примитив-^ них почвенных профилей на участке 17-летнего возраста (Михаленко и др., 1988), на. чиная с очень плохо выраженных, содержащих лишь верхний прокрашенный гумусом горизонт и кончая довольно сложным, состоящим из 4-5 зачаточных горизонтов. ¿¡Г . Пэи микроморфологическом исследовании разрезов на отвале 17 лет было установлено, что верхний дерновый горизонт с развитием почвы становится более агрегирова, г', ным. Горизонт, лежащий под дерновым, который обозначается (А2), имеет неясную

.у- ■

слоисто-плитчатую структуру, заметную и при полевом описании. Под горизонтом (А2) ¿¡; может залегать горизонт (В), имеющий в большинстве случаев неясную призматическую

£

или крупно-ореховатую структуру. Эта структура близка к описанной американскими исследователями структуре ( Soil development..., 1977). Горизонт (С) представляет собой однородную массу с редкими порами. О некоторых случаях он обладает слоистостью, присущей исходной породе.

С развитием почвн в первую очередь связано увеличение продукционного потенциала геосистемы, т.е. еще паз подтверждается известное положение о том, что более развитый профиль лучше отвечает жизненным потребностям растительной компоненты.

Кроме общего увеличения с возрастом подземной и надземной фитомассы меняется и ее вертикальное распределение. К 17 годам своего существования геосис-

тема формирует два типа вертикальной структуры надземной фитомассы. Один больше соответствует степному типу функционирования, другой - лесному (рис. <?).

Ito мере Формирования геосистем отвалов увеличивается видовое разнообразие. Резко возрастает значение информационного индекса Шеннона-Уивера, отражающего количественное разнообразие видов (с учетом их участия в сложении сообщества). Если в пионерных группировках на лессовидном суглинке он равен 0,5, то через 4-5 лет он достигает значений 1,5 - 2 (Денисенко и др., 1988).

Адаптивную структуру сообщества мы оценивали с помощью рядов ценотической значимости по методике, предложенной В.Д.Утехиным (1977). Семилетние наблюдения, проведение на отвалах группой О.Д.Утехина и нашей группой, показали, что с возрастом прослеживается изменение соотношения видов-доминантов и второстепенных видов п сторону сглаживания различий в обилии.

Видовое разнообразие неизбежно влечет за собой увеличение разнообразия растительных группировок. Пионерные группировки, сложенные часто случайными видами, довольно бистро, в течение первых 3-4 лет сменяются следующим состоянием. Формируется первичная структура фитоценозов. Для этой стадии характерно большое разнообразие группировок и разнообразие переходов одних в другие во времени. Таким образом, для каждого возраста развития геосистемы характерна не одна группи-'юпка растительности, г цепи:' набор ex. Это позволяет геосистеме "выбирать" для себя путь г^льнейиего развития. В переходные моменты, так называемые точки би-

- 12 -

Рис. 2. Вертикальное распределение запаса фитоиасси на:

1 - листья ?. - стеоЛИ

3 - общая зеленая пасса (сух. нес)

4 - общая зеленая пасса (сух.вес,

заповедная степь

30 40 50 6П

Й'и '/0 1ГТО 11'0 170 130 г /м2

Л. "лугово-степном участке отвала 17 лет (дгнние автора) и в развитом

110 100 90 Н

степном сообществе (Центр.-Черноземный з~к, по:Утгхин, 1^/7) СИ

1 - листья ? - стебли

3 - общая зеленая масса (сух. вес)

4 - стебли (уг>. Кубосшина)

5 - общая зеленая масса (ур.Яубпашина,

сух. вес).

О' Ю го ЪО НО 50 СО 10 80 г/м2-

&. "лесном" участке отвала 17 лет (данные автора) и в развитом лесном сообществе (ур.Нубрашина Ментоально-Чеоноземнпго з-ка, по:Утехин,1г,7'г)

фуркации, достаточно одного случайного фактора, чтобы повлиять на выбор пути. 11 нашем случае точками йифупкзции можно считать переход от одной стадии существования к дпугой.

Взаимовлияние в системе почва - оастительность осуществляется по принципу обратной связи (Экосистемы в критических состояниях, 1989). Из этого следует, что оазнообоазие в растительном покрове должно приводить к соответственному разнообразию почвенного покрова. 1^йствительно, если для 2-х и 5-летнего участков бы-о выделено по одному ваоианту почвенного гюофиля, то для 11-летнего - уже 3 варианта, для 15-летнего - 5 папиантов, а лля участка в возрасте 17 лет - 11 вариантов почвенных профилей.

IЮ мере совместного оазвития почвы и оастительности некоторым закономерным образом меняется соотношение основных биогенных элементов в этих двух основных компонентах геосистемы. Так, за 1? лет произошло увеличение содержания доступного Ca в почве при практически постоянном его содержании в растениях. ?аметно уменьшилось потребленное растениями количество К nNa, и увеличилось содержание Р в растениях при практически неизменном количестве доступного Р (по Кирсанову) в почве.

£ля отвалов всех возрастов характерна пестрая мозаичность растительного покрова. Лля того, чтобы учесть долю участия каждого элемента мозаики в сложении растительности, нами были составлены крупномасштабные планы мозаичной растительности террас разного возраста. После этого )ыли подсчитаны относительные площади (в 7.) группировок, слагавших покров той или иной террасы.

Нее группировки, формирующиеся на отвалах, делятся на два класса: одни встречается на террасах всех (или почти всех) возрастов, а другие строго п ривязаны к илрсделеннопу возрасту. С годами заметно меняется долевое участие каждого слемента «заики в сложении растительного покрова. Некоторые, например, группировки с доми-<ированием Tussilago farfara или Medicago falcata L. устойчиво СОхраняют-:я на террасах всех возрастов, но болычого участия в сложении растительного покро-ia не принимают. Лругие (Trifolium pratense L. ) со временем увеличивают долю :воего участия. На изученных отвалах из лессовидного суглинка не прослеживается

какой-либо закономерности в расположении элементов мозаики по формам оельефа.

Япугая картина наблюдается на отвалах, сложенных келловейскими глинами. После крайне разреженного растительного покрова в первые 8-10 лет на глинах формируется отчетливо выраженная комплексность. Пикропонижения и ровные участки заняты, как поавило, злаковыми или бобовыми группировками, а иикроповышения - разнотравьем в разных сочетаниях, ¡-".ожно предположить, что образование комплексности в растительном покрове связано с водно-физическими свойствами глин и их химическим составом. Очевидно, токсичные для растений сернистые соединения с неодинаковой ско ростыо вымываются из разных элементов микрорельефа. Комплексная структура сохраняется вплоть до зарастания отвалов в возрасте 25-30 лет лесом из мелколиственных пород.

Разнообразие растительных группировок на лессовидных суглинках оказалось выше, чем на глинах, то же можно сказать и о видовом богатстве. Сукцессионные стадт наоборот, четче выражены на глинистых местообитаниях. Видимо, условия на лессовидных суглинках благоприятны для большого количества видов и группировок, сходных гк экологическим параметрам и дающих высокое обилие. Перевес одного вида или другого группировки может обеспечиваться в такой ситуации случайными факторами (условиями заноса семян и др. П'асилевич, 1983)).

[Ьведение во времени некоторых элементарных звеньев изучаемой геосистемы рассматривается в 1У главе диссертации.

(!ля описания динамики связей между отдел^ныуи параметрами и факторами геосистемы был применен информационный анализ, использующий меру неопределенности № нона. Этот подход не является новым в географических исследованиях. После того, как он был детально разпаботан Пузаченко Ю.Г. и Панкиным A.B. (1969) для медико-ггографических исследований, метод успешно поименялся и для чисто ландшафтных задач (Ллмзнл, 1975; Иванов, 1988).

Информационна показатели плотности связи могут быть подсчитаны для любой пг ¡ризнаков (элементов) геосистемы. Очевидно, что количество сравниваемых поизнакс в каждой геосистеме может быть как угодно большим. Однако, интерпретация получен-

них коэффициентов резко затоудняется с возрастанием числа показателей, не пои-воля к суиественному увеличению информации о геосистемных процессах. Поэтому зйлача исследователя заключаете? в том, чтобы, исходя из цели и логики исследования, выбрать наиболее существенные параметры, Выбор такие должен основываться на технических возможностях сбора и ооргЗотки первичных данных.

Гплученные эмпирические показатели плотности связи между факторами и явлениями, а также между отдельными элементами геосистемы позволяют построить индуктивную модель для каждого возраста геосистемы. Сравнение подобных моделей для геосистем, имеющих возраст 3-6 лет, 15 и 18 лет дает возможность судить о динамике онутригеосистемных связей.

Методика для расчета информационных показателей эазработана Ю.Г.Пузаченко и А.и.Мошкиным (1969). Все факторы и явления, а также элементы геосистемы (параметры), чили разделены на две группы: независимые и зависимые ( Olson , 1Vbi>; Арманд, 1975). Ь результате отбора было оставлено 14 пар .четров, указанных в таблице.

Таблица 1.

Параметры, геосистемы, включенные в информационный анализ динамики геосистемы.

Независимые 1. Экспозиция склона '«мерения

параметры 2_ Крутизна склома гргвус

Зависимые параметры

А. Элементы почвенного покрова

3. Содержание гумуса в верхнем го- '/. ризонте

4-Р. Содержание катионов К, N а и мг/ЮОг

Са в среднем по профили почни

ь. Элементы растительного покрова

7. Общее проективное покрытие

о. Высота траьостоя см

9.1-идойое разнообразие кол. видов

If

продолжение таблицы 1.

7

11). Запас фитоиассн кг/м

Ь. Элементы флоры

11. Количество деревьев шт/ЮП и®

1l. I биективное покрытие злаков

13. Проективное покрытие бобовых У.

Vi. Проективное покрытие мать-и-мачехи

Г анализ были вкличены данные, собранные на точках одного возраста и ма одном подстилаи.сй поооде, в количестве íi'J-l'6 точек на возраст. Такие пассивы данных, несмотря на ограниченный исходный материал, поншо считать репрезентативным, поскольку они были Сформированы не случайно, а петолом рассеянной выборки, позволяющей охарактеризовать все разнообразие состояний элементов системы. Ограниченное количество измерений должно приводить к некоторому искусственному завышению получаемых информационных показателей. Однако, это не мсиает сравнивать их мешду собой при условии, что псе они вычислены по одной схеме, а псе параметры разбиты примерно на равное число классов (Арманд, 1775).

Ко проведения опыта казалось естественным предположить, что оби,ее усложнение структуры с возоастоп приведет к увеличению связности и должно отразиться в возрастании парных коэффициентов. Однако, при первом знакомстве с пассивом коэффициентов (всего 90 коэффициентов) создастся впечатление, что их изменение с возрастом не имеет сколько-нибудь упорядоченного характера. '/шь Ш информационных показателей между парами признаков увеличивается последовательно между возрастами геосистемы 3-6 и 1." лет. R других случаях выявляется более сложное поведение.

Связи показателей флоры и растительности с параметрами абиотических компонентов геосистемы часто выглядят довольно закономерно: от сильной связи (3-6 лет) некоторое ослабление (15 лет) - снова заметное усиление (18 лет). Такой тренд наблюдается в каждом четвертом случае (?3 показателя из 90). li 10 случаях наблюдается обратная картина: в 15 лет коэффициент наибольший. Такое поведение компонентов

можно обьяснить возрастными особенностям геосистемы.

[озраст УС лет - свободное расселение растений по поверхности отвала поп отсутствии почвы. !!десь неизбежна особенно сильная зависимость от абиотических компонентов, сильное влияние экспозиции и крутизны склонов. Фитоценоза как такового eue не существует, следовательно, крайне слабы силм взаимодействия как внутри группировок, тек и между ними. Полное подчинение абиотическим компонентам подтверждается высокими коэффициентами связи между парами экспозиция - гумус, экспозиций - проективное покрытие, экспозиция - высота травостоя, сильной связью экспозиции и крутизны склона ,с содержанием в почве всех исследованных катионов.

L' возрасте 15 лет мы наблюдаем геосистему, формирующую основные структурные связи. Несколькими годами раньше (10-12 лет) происходит смыкание растительного покрова. Примерно в это время и заканчивается период хаотического захвате территории [¡идами растений. 0 15 лет первичные структуры уже опять подвержены существенной перестройке в связи с возрастанием эдифицируюи.ей роли деревьев. Распределение группировок в пространстве еще отражает последствия первичного, пионерного расселения по площади, ынутриценотические св5зи усиливается, но пека не успели развиться в полной .чере. включаются процессы саморегулирования, сьязи с абиотической средой закономерно ослабляются. 15 лет - важный рубеж для процессов становления, именно в этом возоасте мы наблюдаем переходный этап от пионепной "прелгеосистемы" к полночленной структуре со всем многообразием внутри- и межгеосчстемных взаимодействий.

UitiiyioLий возраст - 18 лет - казалось бы должен очень незначительно отличаться от поедылуиего, поскольку три roiui п полном цикле развития - очень небольшой период. Однако, за эти три года произопли существенные изменения и структуре, йслодст unt- усиления конкурентных сиязей m-Hiy группировки;!!', и utiyi:». них смоы, >ъеличии<".ится влияние среды. Заметно усиливается от,ж.цй тельная (конкурентная) Сойзи .îen.j.y группами злаков, бобоьых и г-кль-п.-пачехой в растительном покрове. Связь с почвенными показателями (содержание катионов и гупуса) там.е закономерно увеличивается.

/

При сравнении сильных О 0,8 5ит) информационных показателей для всех трех возрастов, выяснилось, что меняется не только количество связей, но и элементы, между которыми устанавливается значимые зависимости. Пля периода 3-6 лет таких зависимостей насчитывается 16. Из независимых переменных только экспозиция оказывает большое влияние на другие блоки переменных. Из зависимых элементов флооы и растительности и почвы многие связаны между собой сильными зависимостями. Злоки почвенных и оастительных показателей обьединены между собой шестью сильными связям1

1акие флористические элементы как группа злакоз, бобовых и мать-и-мачехи сильных связей в этом возрасте не образуют, что связано с примитивностью растительного покоова вдобие.

Возраст 15 лет отличается крайне небольшим количеством сильных связей между элементами. Их оказалось всего 6. Из независимых переменных экспозиция сильно влияет лишь на содержание К. Элементы флоры и растительности между собой устанавливают значительную связь только в двух случаях. Правда, в этом возоасте злаки оказываются теснее связаны с другими элементами, чем поедставители бобових и мать-и-мачеха.

Общее значительное сокращение числа значимых зависимостей подтверждает снова наше предположение о том, что в возрасте 15 лет (или около него) в геосистеме происходит существенная ломка всех ранее сформированных структур, их переориентация на новое условно устойчивое состояние.

И 18 лет уже часть связей, установившихся в'ранвем возрасте, а затем разрушен них, восстанавливается вновь. Общее количество сильных связей за этот небольшой промежуток времени также значительно возоосло (от 6 до 26). Из независимых переменных в этом возрасте начинает "работать" крутизна, заметно влияющая на проективное покрытие. Все элементы флоры образуют значимые связи и друг с другом и с пе? мгнннми из других блоков.

Глава 5 содержит анализ механизмов смены стадий пои первичной сукцессии. Как уже было отмечено, в результате пооцессов формирования геосистема отвала трансформируется в одно из двух устойчивых состояний - лугово-степнуи) или

лесную геосистему. Эти геосистемы в свою очередь плевставлени целим набором парцелл. Растительным группировкам старшего возраста, так же,как и на промежуточных стадиях, присущи погодичные флюктуации. Г,о тем не менее, их развитие идет по двум разным путям: по пути формирования и совершенствования лугово-степных геосистем и лесных геосистем. Развитие почв также соответственно разделяется на две ветви - формирование (предположительное) черноземовидных почв под луговыми степями и серых лесных почв под лесом.

Иежду нулевой стадией (повода) и условно устойчивой стадией (лес или луговая степь) геосистема проходит ряд неустойчивых состояний (стадий). Их характеризует, в частности, большая или меньшая степень разнообразия парцеллярных единиц. Переходы олних парцелл (микрогруппировок) в другие во времени являются процессами стохастическими, т.е. одна и та же группировка может трансформироваться на следующей ступени не в одну, а в ряд возможных (принцип цепи Маркова, Эшби, 1959). Системы, развивающиеся как марковская цепь, должны ппийти в некоторое состояние равновесия, хотя и траектория движения с точностью не может быть предсказана.

Два возможных конечных устойчивых состояния геосистемы - лесная или лугово-степня стадии - известны в марковской модели под названием "поглощающих" состояний. То есть, можно сказать, что однажды "выбрав" путь к формированию леса или степи, условно говоря, "выбрав цель", геосистема уже не может без участия внешних сил "передумать" и начать двигаться к другой цели. Этот запрет связан с тем, что разделение путей идет не только на физиономическом уровне, но в каждом типе геосистемы формируются различные адаптивная и здификационная структуры, содержащие в себе механизмы устойчивости.

Еще одной особенностью модели марковских цепей является неединственность траектории, по которой система может двигаться к состоянию равновесия (Эшби, 1959).

В нашем случае это проявляется в разнообразии парцелл, относящихся к каждому возрасту. Однако, все они в конечном счете долмни п/жйти к одной из двух клипак-совых структур.

В тех случаях, когда развитие геосистемы происходит при щестких внешних ограничениях, например, при недрстатке влаги или под давлением повышенной засолеи-

ности токсичными соединениями, наблюдается сужение разнообразия ва риантов развити. С некоторых случаях количество путей перехода сокращается до одного, более всего к этой модели поведения приближается формирование геосистемы на отвалах келловейских глин. Па отвалах с песчаным грунтом развитие геосистем идет средним путем (по количеству участвующих паоцелл) между лессом и глиной. Видимо, песчаная пооодг своей бедностью и плохой оструктуренностью сужает разнообразие, но это ограничение не так сильно действует на растения, как токсичность келловейских глин.

Выбоо вариантов развития геосистемы на каждом этапе может оппелеляться погодными условиями, особенностями размножения видов или фазами индивидуальных цик-лоф популяций.

Высокая чувствительность молодых геосистем к таким более или менее случайным факторам можно рассматривать как проявление гибкости, или эластичности (по С.Холдингу). По ходу сукцессии усиливается конкуренция между видами и группировками, часть парцелл вместе с их доминантами выбивает из взаимодействия. Одновременно происходит развитие почвенных горизонтов, усложняется ярусная структура сообществ. И вследствие этого усиливаются положительные и отрицательные обратные связи в системе. Задача самосохранения геосистем против приоодных и антропогенных воздействий, очевидно, должна все больше переходить от механизма эластичности к механизмам самооегулиэования по гаинципу обоатной связи. Основной движущей силой сукцессионного развития геосистемы можно считать, несколько упрощая действительность, положительную обратную связь между формиоуюшимися растительными группировками и усложняющейся почвой (биологическая кибернетика, 1972).

Основные выводы.

1. В результате первичной сукцессии на отвалах формируется два типа геосистем: лугово-степные и лесные. Г,о разделения двух путей развития на изначально однородной поверхности формируется парцеллярная структура геосистемы. Эта неустоявшаяся структуоа по дзепшена практически ежегодным изменениям в результате высокой дина-

мичности растительной компоненты, которая на первых этапах развития не связана ыестко с соответствующими почвенными разностями. Ежегодный выбор обеспечивается в большой степени случайным сочетанием абиотических (погода) и биотических (онтогенез особей и популяций) факторов.

2. Ь наибольшей степени такое разнообразие возможных путей, отвечающих модели марковской цепи, наблюдается на начальных стадиях сукцессии в оптимальных для растений условиях, на богатых минеральным веществом лессовых отвалах, элиие всего к картине однозначной последовательности смены стадий - развитие растительных группировок в экстремальных условиях отравленных сульфатами отвалах келловейских глин. >елные, но не токсичные песчаные породы дают среднее разнообразие траекторий развития.

В 10-1? лет геосистема на лессах проходит важную критическую точку развития: происходит смыкание растительного покрова, образование сообществ на месте прежних группировок.

3. 1а первые десятилетия своего существования и развития геосистема успевает сформировать примитивный почвенный профиль с довольно полным набором зачаточных морфологических горизонтов. За это же время формируется структура растительного покрова. После 15 лет (вторая критическая точка в развитии геосистемы) прослеживается разделение на два типа эдификационной и адаптивной структур сообществ: лесной и лугово-степной типы.

4. Анализ динамики видов в ходе сукцессии обнаружил резко различную их роль в развитии геосистемы. Ограниченный набор видов строго локализован во времени, однозначно связан с какой-либо из стадий (25%) видов). 5олее 35% видов присутствовали во всех стадиях, некоторые из них даые мало изменяли свое обилие. Индикаторная роль видов оценивалась посредством специально разработанного показателя - сукцессионного статуса, в котором учтены, кроме константности и временной локализованности, также обилие видов и приуроченность к окнкретной стадии. По этим признакам виды объединены в 4 фитоценотипа.

5. Сравнение информационных показателей силы связи между отдельными эле-

Г

ментами на трех этапах первичной сукцессии выявило среди них индикаторов процесса, т.е. такие пари элементарных звеньев, связи внутри которых монотонно возрастают или убывают с возрастом. Примерами таких пар могут служить пары "высота травостоя - содержание Са в почвенном профиле" или "крутизна - содержание К". Изменение некоторых связей зависимых переменных с абиотическими независимыми параметрами типа сильная зависимость - ослабление - снова усиление, подтверждает предположение о том, что возраст 15 лет - переломный для геосистемы, когда происходит пепестройка ранее сформировавшихся первичных элементарных структур и формируется две группы траекторий, ведущих к лесному или лугово-степному климаксу.

Таким образом основным механизмом сукцессионной динамики геосистем на богатом субстрате можно считать случайный "поиск" марковского типа, который со временем сменяется механизмом саморазвития под влиянием обратных связей. Для бедных субстратов второй механизм - основной.

По теме диссертации опубликованы следующие статьи: 1. Корреляции между проективным покрытием и биомассой растительных сообществ (в соавторстве с В.Д.Утехиным, И.Ф.Петровой). В кн. Исследования состояний геосистем дистанционными методами. П., ИГАМ, 1987, с. 71-76.

2. Стадии первичной сукцессии природно-антропогенных геосистем ( в соавторстве

с Д.П.эорщевским, Н.В.Преображенской). Б кн. Временная организованность геосистем. П., ИГАМ, 1988, с. 271-285.

3. Сукцессионная динамика молодых геосистем ( на примере отвалов ПГОКа). В кн. Временная организованность'геосистем. И., НГЛП, 1988. с. 226-234.

4. Первичные сукцессии на отвалах лесо-степной зоны. Раздел в монографии "Временная организованность геосистем" ( в печати).

Г