Объектные модели межкомпонентных связей (на примере фаций горных ландшафтов)

ННУКП о ЗЕМЛЕ

ОБЪЕКТНЫЕ МОДЕЛИ МЕЖКОМПОНЕНТНЫХ СВЯЗЕЙ (НА ПРИМЕРЕ ФАЦИЙ ГОРНЫХ

ЛАНДШАФТОВ)

Т. В. Дегтярева, Ю. В. Сивоконь

THE OBJECT MODELS INTERCONNECT LINKS

Degtyarova T. V., Sivokon U. V.

The article discusses the features of different types of models of relationships in the geospatial, biochemical approach used in the analysis object model interconnect links in facies belts geobotanical tall mountain landscapes of the West Caucasus.

Key words: models of geospatial relations interconnect redistribution of elements, correlations.

Рассматриваются особенности различных видов моделей отношений в геопространстве; используется биогеохимический подход при анализе модели объектных межкомпонентных связей в фациях высотных геоботанических поясов горных ландшафтов Западного Кавказа.

Ключевые слова: модели геопространственных отношений, межкомпонентное перераспределение элементов, корреляционны/е зависимости.

УДК 911.52

В современных географических исследованиях геопространственный подход позволяет рассматривать систему отношений в различных объектах, роль процессов в этих отношениях, используя для их изучения объектные, объект-объектные, субъект-объектные и субъект-субъектные модели. Согласно системным представлениям, любое геопространственное образование представляет собой систему, состоящую из элементов (в качестве которых выступают компоненты), организованных в структуру и обладающих специфическими функциями. Каждый компонент геосистемы находится в определенных отношениях с остальными компонентами, обнаруживая при этом их свойства.

Категория «отношения» в отечественной философии является одной из основных и ее исходное значение предполагает «отношение между...»: между двумя (или несколькими) вещами, между субъектом и объектом. Несмотря на некоторые разноречия в представлениях об отношении, в целом категория «отношение» служит для обозначения реально относящихся, т.е. взаимодействующих друг с другом, вещей. Вне представления о взаимодействии, связи, отношении вещей и их свойств невозможны представления об объективной действительности.

Для природных ландшафтов характерна объектная модель отношений с «объективной взаимосвязью и взаимозависимостью» между природными компонентами и явле-

ниями. В объектной модели оба взаимодействующих компонента находятся в одинаковом и объективном по своей природе отношении друг к другу. Природные и антропогенные компоненты ландшафтов могут вступать в различные виды связей, но все они относятся к классу объект-объектных отношений.

Объектные и объект-объектные модели отражают структурирование субстрата геопространства в разные типы геосистем, при этом взаимодействие и взаимосвязь компонентов можно исследовать через анализ вертикальных связей. Взаимосвязи обусловлены круговоротом субстрата, энергии и информации, в основе которых лежат физико-химические и биохимические процессы. Их особенности и коллективное взаимодействие рождают условия (природные, социальные, техногенные и т.д.) необходимые для возникновения, существования или изменения чего-либо или кого-либо. Условия являются важной составляющей среды, отражая ее качественную сущность.

Субъект-объектные и субъект-субъектные отношения складываются в рамках био-ценотической модели различных биоэкосистем ландшафта (4). Субъект модели или ее «хозяин» (биота, ее отдельные компоненты) находится в экоцентрических связях с остальными компонентами окружающей среды. При этом формируется качество среды и осуществляется два вида взаимодействий: воздействие компонентов окружающей среды на субъект и обратное влияние субъекта на остальные компоненты биоэкосистемы.

Для описания различных классов и видов моделей отношений в ландшафтах незаменимыми являются биогеохимические методы и подходы. С их помощью взаимосвязь между различными компонентами может быть рассмотрена как массообмен и перераспределение химических элементов, приводящие к геохимической неоднородности субстрата компонентов. Межкомпонентные отношения количественно выражаются через показатели перераспределения химических элементов, корреляционные причинные зависимости между различными компонентами. Наличие высоких корреляционных

зависимостей биогеохимических параметров косвенно свидетельствует о тесноте взаимоотношений компонентов.

Биогеохимическое изучение модели объектных отношений проводилось на территории ландшафтов долины реки Джалпак-Кол в пределах Гондарайского среднегорно-го долинного ландшафта хвойных лесов и Гондарай-Узункольского высокогорного водораздельного ландшафта луговых ассоциаций долин Гондарая и Узункола в пределах Бокового хребта, сложенного гранитами и гранитоидами палеозоя и четвертичными отложениями (3). Экспериментальные площадки заложены в пределах фаций 2-х геоботанических поясов: экотона верхней границы леса и субальпийского, в диапазоне высот 2170 - 2600 м над у. м.

Рассматривались геохимические взаимосвязи и зависимости между подсистемами объектной модели фации «порода - почва», «почва - растения», «растения - насекомые», «почва - насекомые». Определение содержания валовых форм микроэлементов проводилось методом вольтамперометриче-ского анализа. Изучались биогенные элементы с высокой миграционной способностью: цинк, медь, свинец и кадмий.

Растительность экотонного пояса верхней границы леса состоит из сосновых редколесий и березовых криволесий с полянами субальпийских лугов. Злаки травянистых фитоценозов экспериментальных площадок составляют 25% от всей растительности и 75% - разнотравье. Среди отловленных беспозвоночных наибольшая численность у семейства Ытйае, представители которого по типу питания фитофаги. Среди беспозво-ночных-хортобионтов были отловлены и представители зоофагов, в частности афи-дафаги, принадлежащие к семейству СосстеНёае.

Почвенный покров представлен горнокустарниковыми почвами. По уровню кислотности эти почвы кислые и слабокислые: в гумусовом горизонте пределы колебаний рН - 4,9-5,8. Содержание гумуса в горнокустарниковых почвах незначительно колеблется от 8,2 % до 9,4 %. Изучение концентраций микроэлементов в биокосном

(почве) и биотическом компонентах (травянистой растительности и насекомых травянистого яруса) фации экотона позволило выявить их средние фоновые значения (табл.1). Организмы насекомых характери-

зуются самыми низкими показателями концентрации элементов. Это объясняется падением концентрации микроэлементов по мере продвижения по биогеохимической цепи.

Таблица 1

Среднее содержание микроэлементов в почвах и биотических компонентах экотона верхней границы леса, мг/кг

Химический элемент Почва Укос трав Насекомые

РЬ 27,2 4,8 1,8

са 0,4 0,5 0,4

Си 14,7 7,5 3,0

2п 78,0 9,0 4,4

Расчет кларков концентрации (КК) и кларков рассеяния (КР), коэффициентов биологического поглощения (Кб) дает возможность определить интенсивность перераспределения химических элементов между горными породами, почвами, растениями и насекомыми (рис. 1). При сопоставлении содержания микроэлементов в горно-кустарниковых почвах почвах с кларками гранитоидов (2) видно, что в почвах экотона интенсивнее рассеивается медь (КР=2,17) и более слабее свинец (КР=1,06), концентрируется цинк (кларк концентрации КК=1,5). В перераспределении элементов между почвой и травянистой растительно-

стью наиболее интенсивна роль кадмия (Кб=1,25). Принимая содержание элемента в почве за 100%, можно определить схему межкомпонентного соотношения масс микроэлементов в объектной модели фации. Соотношение масс элементов в почве, травянистых растениях и насекомых зоны экотона имеет различный размах вариаций и составляет для свинца 100 : 17 : 6,6; для меди 100 : 50 : 20; для цинка 100 : 12 : 5,6; для кадмия 100 : 125 : 100. Эти соотношения показывают, что из почвы в биотические компоненты идет интенсивный массоперенос кадмия и меди.

Рис. 1. Интенсивность межкомпонентного перераспределение элементов в зоне экотона верхней границы леса

Изучение корреляционных связей между подсистемами «почва - растения», «растения - насекомые», «почва - насекомые» позволило установить корреляционные зависимости (табл.2). В распределении масс элементов между почвами и травянистой растительностью наиболее достоверные связи обнаруживаются для свинца и меди (сильная корреляция соответственно по элементам г=0,96 и г=0,88). Между растительностью и насекомыми наибольшая зависимость проявляется для свинца и кадмия (заметная корреляция по элементам составляет г=0,61 и г=0,59). Такая связь объясняется тем, что доминирующее семейство беспо-

звоночных Ытйае по типу питания является гербифагами - прямыми потребителями травянистых растений. Несмотря на отсутствие прямых путей поступления элементов из почвы в организмы насекомых, тем не менее, между содержанием тяжелых металлов в окружающей среде и теле насекомых существует теснейшая взаимосвязь: в подсистеме «почва - насекомые» обнаруживаются зависимость между содержанием свинца и меди (заметная корреляция по элементам г=0,52 и г=0,66). Насекомые аккумулируют в своем теле химические элементы, участвуя тем самым в их перераспределении между компонентами ландшафта.

Таблица 2

Коэффициенты корреляции между содержанием элементов в различных подсистемах фаций экотона

Элемент Почва - растения Растения - насекомые Почва - насекомые

РЬ 0,96 0,61 0,69

са 0,09 0,59 0,33

Си -0,25 0,4 0,24

2п 0,88 0,38 0,64

В целом в пределах рассматриваемых подсистем объектной модели фаций зоны экотона верхней границы леса межкомпонентные связи являются умеренными и заметными при значениях коэффициента корреляции от 0,4 до 0,54. Наиболее явная зависимость (на уровне заметной корреляции) в межкомпонентном перераспределении концентраций элементов проявляется в подсистеме «почва - растительность» (рис. 2), т.е. химический состав растений в значительной степени отражает элементный состав почвенной среды. Согласно проведенному кластерному анализу, сходство по интенсивности проявления корреляционных связей между рассмотренными подсистемами характерно для свинца и меди (более высокая достоверность связей в перераспределении масс элементов) и для цинка и кадмия (слабая достоверность корреляционных связей).

микроэлементов в подсистеме «почва - растения - насекомые» зоны экотона

В геоботаническом поясе субальпийских лугов заложено 3 экспериментальных площадки на территории Гондарай-Узункольского ландшафта, в диапазоне высот 2300-2600 м над у.м. Избыточное увлажнение и дефицит тепла наряду с коротким периодом вегетации (2-3 месяца в году) определяет господство высокогорных

субальпийских лугов на бурых горнолуговых почвах. Растительность данного геоботанического пояса преимущественно разнотравно-злаковая. Доминантными видами растительности субальпийских фитоце-нозов являются тимофеевка луговая Phleum pratense, горечавка семираздельная Gentiana septemfida, полевица тонкая Agrostis tenuis. Доминантным семейством отловленных беспозвоночных является Acrididae.

Горно-луговые почвы формируются в экстремальных биоклиматических условиях,

отличающихся значительными годовыми и суточными перепадами температур, высокой солнечной радиацией. Особенностью горных почв является высокое содержание гумуса и его увеличение с увеличением абсолютной высоты (до 11,9%). Это является отличительной чертой гумуса горных почв, так как в его составе увеличивается количество не полностью гумифицированных остатков. Щелочно-кислотные условия характеризуются значением рН от 4,9 до 5,2. С увеличением высоты рН уменьшается.

Таблица 3

Фоновое содержание микроэлементов в почвах и биотических компонентах

субальпийского пояса, мг/кг

Химический элемент Почва Укос трав Насекомые

Pb 16 3,6 1,0

Cd 0,44 0,4 0,3

Cu 8,8 4,7 2,4

Zn 66,7 9,0 3,7

Изучение концентраций микроэлементов в биокосном (почве) и биотическом компонентах (травянистой растительности и насекомых травянистого яруса) объектной модели фации субальпийского пояса позволило выявить их средние фоновые значения (табл.3). Концентрации свинца, кадмия, меди и цинка в почве колеблются в пределах 15,3-16,8; 0,35-0,40; 6,7-10,3; 59,5-77,4 мг/кг соответственно для каждого элемента. В организмах беспозвоночных-хортобионтов, принадлежащих к семейству Acrididae, содержатся более низкие концентрации металлов.

Соотношение масс элементов в почве, травянистых растениях и насекомых в объектной модели фации субальпийской зоны составляет для свинца 100 : 22 : 6,2; для меди 100 : 54 : 27; для цинка 100 : 14 : 5,5; для кадмия 100 : 108 : 78. Эти соотношения показывают, что из почвы в биотические компоненты идет интенсивный массоперенос кадмия и меди, что находит подтверждение и в высоких значениях коэффициентов биологического поглощения для этих элементов.

Изучение корреляционных связей между подсистемами объектной модели фаций субальпийской зоны позволило установить существующие межкомпонентные зависимости в распределении концентраций элементов (табл. 4). В распределении масс элементов в подсистеме «почва - растения» сильные достоверные связи обнаруживаются для кадмия, меди и цинка (значения коэффициента корреляции соответственно по элементам г=0,99, г=0,99, г=0,84). Между растительностью и насекомыми наибольшая положительная зависимость проявляется для содержаний меди (сильная корреляция при значении г=0,98); сильная отрицательная зависимость в распределении кадмия (г=-0,86) и цинка (г= -0,79). В подсистеме «почва - насекомые» обнаруживаются достоверные положительные зависимости между содержанием свинца и меди (сильная корреляция по элементам г=0,99 и г=0,98) и отрицательная зависимость по концентрации кадмия (г=-0,86).

Таблица 4

Коэффициенты корреляции между содержанием элементов в различных подсистемах

фаций субальпийской зоны

Элемент Почва - растения Растения - насекомые Почва - насекомые

РЬ -0,11 -0,12 0,99

са 0,99 -0,86 -0,86

Си 0,99 0,98 0,98

2п 0,84 -0,79 -0,34

Для объектной модели фаций субальпийской зоны в пределах рассматриваемых подсистем межкомпонентные связи являются более высокими и относятся к категории заметных и сильных при значениях коэффициента корреляции от 0,69 до 0,79. Наиболее явная зависимость (на уровне заметной корреляции) в межкомпонентном перераспределении концентраций элементов проявляется в подсистеме «почва - насекомые» (рис. 3), т.е. химический состав растений в значительной степени отражает элементный состав почвенной среды. Согласно проведенному кластерному анализу, сходство по интенсивности проявления корреляционных связей между рассмотренными подсистемами характерно для цинка и кадмия (более высокая достоверность связей в перераспределении масс элементов) и для свинца и меди (достоверность корреляционных связей несколько ниже).

микроэлементов в подсистеме «почва -растения - насекомые» фации субальпийской зоны

Сопоставление особенностей межкомпонентного перераспределения химических элементов по ландшафтно-геохимическому сопряжению геоботанических поясов обнаруживает определенные особенности в накоплении каждого элемента. Для системы «порода - почва» от экотонного пояса верхней границы леса до субальпийского пояса увеличивается интенсивность выноса из почвы меди (кларк рассеяния Кр от 2,7 до 4,9) и свинца (Кр от 1,06 до 3,04), незначительно снижается накопление в почве цинка (кларк концентрации Кк от 1,5 до 1,12). В системе «почва - растение» в экотоном, субальпийском поясах постепенно увеличивается интенсивность биологического накопления растениями свинца (значения Кб соответственно по поясам: 1,18 - 0,2), меди (Кб: 0,51 - 0,53). В условиях более активного выноса свинца и меди из почв альпийского пояса растительные организмы адаптационно сохраняют устойчивое состояние за счет увеличения силы биологического захвата данных химических элементов. Для перераспределения кадмия это не характерно - его накопление травянистой растительностью к субальпийскому поясу снижается (значения Кб по поясам: 1,25 - 1,08).

На основании рассчитанных коэффициентов биологического поглощения можно построить ряды аккумулирования рассматриваемых химических элементов, которые свидетельствуют о региональных особенностях миграции химических элементов в межкомпонентных системах (табл.5). Так, в системе «почва - растение» всех рассматриваемых геоботанических поясов интенсивно мигрируют кадмий и медь, наименьшая ми-

грационная способность у цинка. В звене «растение - насекомое» также интенсивно аккумулируется кадмий. Полученные результаты частично находятся в согласии с установленной В. А. Алексеенко (1) связью между уменьшением относительного биоло-

гического накопления химических элементов при увеличении энергетических коэффициентов их ионов. Среди рассматриваемой группы элементов самый высокий энергетический коэффициент у иона цинка.

Таблица 5

Ряды химических элементов по возрастанию Кб в подсистемах «почва - растение»

и «растения - насекомые»

Геоботанический пояс Почва - растения Растения- насекомые

Экотонный Са

Субальпийский Са

Выводы. В результате проведенного исследования и анализа обширного массива данных выявились особенности проявлений межкомпонентных связей в объектных моделях на примере фаций горных ландшафтов:

- в объектной модели фаций зоны эко-тона верхней границы леса межкомпонентные связи в перераспределении элементов находятся на уровне умеренной и заметной корреляции, при этом более достоверными являются закономерности межкомпонентного распределения меди и свинца (медно-свинцовые связи);

- в объектной модели фаций субальпийской зоны межкомпонентные связи в перераспределении элементов находятся на за-

метном и сильном уровне корреляции, при этом более достоверными являются закономерности межкомпонентного распределения цинка и кадмия (цинково-кадмиевые связи);

Схема соотношения масс микроэлементов между подсистемами объектной модели фаций горных ландшафтов зависит от природы элемента, его биологической роли и в различных биогеохимических условиях геоботанических поясов размах варьирования находится примерно в одинаковых пределах. Для свинца соотношение его масс в подсистеме «почва - растения - насекомые» составляет 100 : 20 : 6; для меди 100 : 55 : 22; для цинка 100 : 12 : 5.

ЛИТЕРАТУРА

1. Алексеенко В. А. Экологическая геохимия. -М.: Логос, 2000.

2. Дьяченко В. В. Геохимия и оценка состояния ландшафтов Северного Кавказа: Автореф. дис. ... д-ра. геогр. наук. - Новороссийск, 2004.

3. Шальнев В. А. Ландшафты Северного Кавказа: эволюция и современность. - Ставрополь: Изд-во СГУ, 2004.

4. Шальнев В. А., Конева В. В., Лагун С. Г. К вопросу о морфологии горных ландшафтов Западного Кавказа // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В. И. Вернадского. № 1 (11)/2008. Том 1 (Серия гуманитарные науки). - Тамбов: Изд-во Тамбовского гос. тех. университета, 2008. -С. 74-79.

Об авторах

Дегтярева Татьяна Васильевна, кандидат географических наук, доцент кафедры физической географии Ставропольского государственного университета. Сфера интересов - ландшафтове-дение, почвоведение, геохимия ландшафтов, биогеохимия. &Ь.70 @ mail.ru

Сивоконь Юлия Вячеславовна, магистрант 2-го года обучения по направлению «Ландшафто-ведение», лаборант кафедры физической географии Ставропольского государственного университета. Сфера интересов - ландшафтоведение, биотика ландшафта, биогеохимия, экогеохимия. geografwoman @уаМех.ги