§ 3 2. Применимость

При балансировании мы имеем дело с числами. Но не всякие числа можно балансировать. Как известно, числа бы­вают отвлеченные и именованные, иначе называемые количест­вами. Именованные числа делятся на скалярные и векторные. Скалярные числа полностью характеризуются своим абсолют­ным значением, они не имеют ни знака, ни направления, они, как говорят, «существенно положительны». Векторные — ха­рактеризуются величиной и направлением.

Примерами скалярных величин могут служить длина, пло­щадь, абсолютная температура, мощность, масса, объем, энер­гия... Объекты балансирования — преимущественно три послед­ние величины, ибо они являются мерами количества материи (вещества или энергии), перемещающейся в пространстве и тем самым осуществляющей все географические процессы.

Может показаться противоречием, что мы с помощью не­направленных величин получаем направленное сальдо. Дело в том, что мы суммируем не сами величины, а их перемещения, т. е. величину уже векторную. Ппи этом мы придаем ей знакн: внутрь системы +, во вне —. Естественно, что суммируя их алгебраически, мы получаем значимое сальдо с тем или иным знаком. .

Как на примеры векторных величин можно указать на ско­рость, ускорение, силу, момент силы, градиент... Они могут быть направлены куда угодно н складываться геометрически, т. е. по закону параллелограмма. Это операция, логически сход­ная с балансированием, но отличающаяся тем, что в резуль­тате ее получается не величина со знаком + или —, а резуль­тирующий вектор. В физической географии геометрическое сло­жение чаще всего применяется как сложение сил с целью опре­деления направления результирующей силы, например, ветра пли морского течения под действием сил тяготения, Кариолиса (инерции) и градиента давлений. Другим применением того же

4 Зак. 2825

приема является определение среднего или господствующего направления ветра по розе ветров, направления движения ис­чезнувшего ледника по штрихам на скалах пли ориентации галек.

В связи со сложением противоположно направленных сил следует предостеречь от злоупотребления термином «противо­речия». По меньшей мере его следует ставить в кавычки. Ис­тинные противоречия возникают только в живой природе. Они появляются, например, когда организмы одного вида ставит себе цель вытеснить другой вид из пределов его жизненного пространства или просто конкурируют, добывая себе пищу или другие жизненные блага. Но инертная материя не имеет цели, следовательно, не имеет противоречий. Если орогенез подни­мает камень вверх, а эрозия скатывает его опять в долину, то между ними нет противоречия, а есть противоположно направ­ленные силы, которые механически складываются по правилу параллелограмма и двигают тело по равнодействующей или взаимно уничтожаются.

Частным случаем векторных величин являются величины ал­гебраические, уже упоминавшиеся в связи с перемещением ска­ляров. В тех случаях, когда возможные направления противо­положны, т. е. когда величины могут быть направлены по ли­нии в ту или другую сторону, мы получаем возможность тран­зитного балансирования. При объемном балансировании ве­щество или энергия поступают в систему в общем случае пе по линии, а по площади, и притом с разных сторон.

Итак, балансировать, т. е. складывать алгебраически, мож­но перемещения скалярных величин и алгебраические величины. Складывать геометрически можно векторные величины, имею­щие две степени свободы.

Как одна, так и другая операции возможны только с вели­чинами, выражающимися одной размерностью. Все виды ве­щества могут быть выражены в единицах массы (г, кг, т), энергии — в единицах тепла или работы (дж, кг-м, кал). Кро­ме того, вещество можно балансировать в единицах объема при условии, однако, его постоянной плотности. Например, воздуш­ные массы (газы, пары) не удовлетворяют этому условию, в значительных размерах изменяя объем под влиянием давле­ния.

Рассмотрим теперь конкретные балансы, с которыми прихо­дится наиболее часто иметь дело ландшафтоведу.

Баланс радиационной и тепловой энергии, позволяет взягь на учет первопричины всёх~физико-географичеоких процессов. Он касается самых чувствительных нервов в механизме ланд­шафта. Им в значительной мере определяется направление и скорость ветров и морских течений и концентрация парои в ат­мосфере. Небольшая струйка в его расходной части, регистри­руемая под рубрикой «фотосинтез», обусловливает феномен,

именуемый жизнью. Если баланс составляется для небольшой территории, то в системе земля—атмосфера он значительно упрощается. В статьях «адвекция» и «перенос тепла с водой» приход практически равен расходу. Если еще пренебречь внут- риземным теплом, то остаются только следующие статьи: сол­нечная радиация прямая и рассеянная, отряженная радиация (в процентах или долях — альбедо), эффективное излучение, рапное разности длинноволнового излучения земной поверхно­сти и обратного излучения атмосферы. Радиационный баланс — частный, его значимое сальдо составляет то количество радиа­ционной энергии, которое задерживается земной поверхностью, преимущественно растительностью и почвой, и преобразуется ими в другие виды энергии. Он записывается:

(QH-Q')(i —«) —^_9ф Я. (3.7)

где Q — прямая и Q' — рассеянная радиация, а —альбедо, Я_эф — эффективное излучение, R — сальдо, в данном случае — поглощенная энергия.

Чрезвычайно интересно проследить путь преобразования по­глощенной энергии. Это делается с помощью составления теп­лового баланса подстилающей поверхности. Его не следует смешивать с тепловым балансом системы земля — атмосфера (точнее — тропосфера), описанным выше. Он называется теп­ловым, потому что в нем рассматриваются потоки солнечной энергии, уже трансформированной на земной поверхности из лучистой (волновой) формы главным образом в тепловую и лишь в малой доле и временно — в химическую энергию орга­нического вещества.

То, что п радиационном балансе было балансовой разно­стью, в тепловом становится главной приходной статьей. Вто­ростепенной статьей прихода является внутриземное тепло. Статьями расхода служат турбулентный обмен теплом между подстилающей поверхностью и атмосферой и потери тепла па испарение с почвы и растительности. Впрочем, обе последние статьи в отдельные сезоны и время суток могут менять свой знак. В этом случае турбулентный поток тепла направляется из атмосферы на землю, а вместо испарения происходит кон­денсация, выпадение росы или инея.

Особой частью расхода приходящей радиации или, точнее, ее фотоактивной части является использование ее растениями для фотосинтеза. Эта статья в балансе играет незначительную роль — 1—2%, но принципиальное значение ее неизмеримо. Достаточно сказать, что за счет нее освободился из двуокиси углерода почти весь кислород атмосферы. Наконец, последней статьей баланса, также переменного знака, является обмен теп­лом между глубинными и поверхностными слоями почвы. Если нижняя граница баланса принимается па глубине, где кон­чаются годовые колебания температур, то он равен нулю при условии неизменного климата.

Частный тепловой баланс записывается следующим образом:

R + I±P±Le-E^B, (3.8)

где /— внутриземиое тепло, Р — расход энергии на турбулент­ный обмен, L — скрытая теплота испарения, г — испарившаяся или сконденсированная влага, Е_ф —энергия, израсходованная на фотосинтез, В — остаточный член, в данном случае обмен теплом с почвой.

Можно рассматривать как геосистему участок тропосферы без подстилающей поверхности и составить для него баланс радиационной энергии. Он будет равен разности балансов си­стемы земля — атмосфера и подстилающей поверхности. Его приходными статьями являются приходящая радиация, поступ­ление тепла от конденсации паров в атмосфере и от турбулент­ного обмена, а расходной — потери тепла на изтучениек Зем­ле и в мировое пространство.

Тепловой баланс поверхностных слоев моря составляется но тому же принципу, что и суши. Роль В там играет обмен меж­ду поверхностными и глубинными водными массами, роль Ёф —фотосинтез фитопланктона. При составлении баланса зна­чительных акваторий необходимо учитывать океаническую (йод­ную) адвекцию, значение которой очень велико.

Водный баланс ландшафта целиком слагается из адвекций, т.~е! из горизонтальных перемещений влаги: воздушной, по­верхностной и грунтовой:

М + И+МНД®*!- (³-⁹)

где а — разность между приносом и выносом воды из преде­лов ландшафта по воздуху (в виде паров н облаков), s ~ то же —■ поверхностным стоком, и — то же грунтовым стоком. В зимнее время прибавляется еще перенос снега ветром в пре­делы или за пределы ландшафта. Aw — изменение содержания влаги в ландшафте. Если оно за многолетний период не равно нулю, то это свидетельствует о прогрессивном увлажнении или иссушении ландшафта.

Наибольший интерес для ландшафтоведа представляет вод­ный баланс деятельного слоя земной поверхности — верхнего слой Литосферы плюс водоемы, плюс биосферы. В нем главную роль играют осадки и испарение, не участвовавшие в балансе ландшафта, так как для системы земля — атмосфера они явля­ются внутренним процессом. Водный баланс деятельного слоя:

r-/-e = r-(a-l-s)-(₁e^, + 0=0. (ЗЛО)

где г — осадки, f — суммарный сток, е' — физическое испаре­ние и t — транспирация. Левая часть уравнения представляет общий вид балансового уравнения, средняя часть — дифферен­цированный (Львович и др., 1961, стр. 37). При желании мож­но написать его еще подробнее, разделив осадки на жидкие н твердые, физическое испарение — на испарение с почвы и с по­верхности растений и т. д. Правая часть может равняться не пулю, а Лк/, что свидетельствует так же, как в предыдущем случае, о динамике ландшафта, преимущественно годовой или сезонной.

В положительной части водного баланса морей, озер и во­дохранилищ присутствует приток с суши — речной и грунто­вый и приток от прямых осадков, а в отрицательной — отток с течениями, в частности через проливы или вытекающие реки, потери на испарение и водозабор на технические нужды.

В тепловом и водном балансе присутствует общий член — испарение. В тепловой баланс он входит в виде затрат тепла на испарение Le. Это позволяет составить уравнение связи двух балансов. Полагая их нейтральными и пренебрегая малыми членами, имеем:

R — Р “Ь Le,

так как е = г — /,

Обозначая коэффициент теплового стока— = г[) и коэффициент

водяного стока — = ф, получаем:

(3-11)

Та часть поглощенной радиации, которая не идет на тур­булентный обмен, равна затратам тепла на испарение и транс­пирацию (Будыко, 1948, стр. 17). Этот, казалось бы, очевид­ный вывод имеет большое значение, так как в математической форме подтверждает зависимость продуктивности растительно­сти от энергетической базы и от обилия осадков (Будыко, 1949 6, стр. 43).

Балансирование твердого вещества обычно затруднено его малой^- подвижностью. Однако некоторые относящиеся сюда про­цессы все же протекают достаточно быстро, чтобы исследовать­ся простыми средствами. Я уже указывал на баланс снега. Укажу еще на баланс пыльных бурь — состоящий из приноса со стороны или выпадения сверху и выноса; баланс ледников — из фирнообразования, стекания в виде льда, возгонки и таяния и т. п. Представляют интерес некоторые экзогенные процессы, связанные с приходом или расходом почвы и грунта. Например, движение оползней, которые, с одной стороны, сползают, а с другой — размываются рекой или морем, или овражная эро­зия, где материал, с одной стороны, поступает с верховьев, с другой — уносится вниз. Последний процесс изучается с по­мощью транзитного баланса, причем значимое сальдо указы­вает на размыв или аккумуляцию на дниіцс и их скорость. Изу­чение абразии требует уже объемного баланса, причем и нем может участвовать третий осложняющий фактор — изменение уровня озера нлн эвстатпчсские колебания уровня моря.

Эндогенные и экзогенные процессы, которые действительно протекают медленно, это, с одной стороны, эпейрогеническнс п орогеиические движения, с другой — денудация н аккумуля­ция. Однако н эти процессы поддаются измерению посредством повторных нивелировок. Масса участка земной коры, например возвышенности, может быть ограничена какой-либо глубинной геометрической поверхностью, например уровнем моря, рас­стояние которого от центра Земли известно, и затем вычислена по формуле.

\[f(x,y)dh], (3.12)

где х, у — географические координаты, h — высота над услов­ным уровнем.

Двукратным вычислением этой величины с интервалом 10— 30 лет можно уловить разницу в объемах поднимающегося мас­сива. С другой стороны, быстрота денудации, обычно протека­ющей неравномерно в пространстве и времени, может быть из­мерена хотя бы одним из приемов, указанных в книге А. С. Дев- дариани (1964). Сравнение той и другой величин позволит i-у­дить о том, поднимается или опускается местность, или стаби­лизировалась, или денудация опережает продолжающееся под­нятие.

Можно составлять и энергетические балансы геоморфоло­гических процессов. Например, сравнить затраты виутрпземнон радиоактивной энергии, которая превращается в тепловую, за­тем кинетическую энергию тектогенеза и, наконец, в потенци­альную энергию поднятых масс литосферы, с затратами сол­нечной энергии, расходуемой на их денудацию. Методика со­ставления таких балансов пока не разработана, но принципи­альная возможность их подсчета имеется. Думается, что этим путем можно, например, теоретически обосновать предельную- высоту гор, сроки их пеиепленизации и т. п.

Можно поставить задачу составления энергетического ба­ланса дождя. Здесь роль приходной статьи будет играть по­тенциальная энергия тучи, переходящая в кинетическую энер­гию дождя, а роль расходных — трение капель о воздух, вы­зывающее нагрев атмосферы, и ударное действие их при па­дении на почву или воду, также превращающееся в тепло, стекающих или ипфильтрующихся вод.

Я далеко не перечислил все виды балансов, проливающих свет па направление и интенсивность природных процессов в неорганическом мире. Еще больше их значение для мира орга­нического. -

Органический мир представляет собой как бы множество со­судов, соединенных трубками. Роль трубок исполняют цепи пи­тания, по которым вещество переливается нз одних организмов в другие. Что еще более важно, это вещество является носите­лем энергии. Энергия, поглощенная с пищей, дает организму возможность выполнять свои жизненные функции — дышать, расти, передвигаться, размножаться. В теоретическом аспекте это проблема метаболизма, обмена веществ между организ­мами и организмов со средой. В хозяйственном, антропоцент­рическом аспекте это проблема продуктивности или производи­тельности растительного и животного мира, т. с. проблема пи­тания населения и удовлетворения различных его потребностей. На эти вопросы проливает свет метод балансов. Достаточно вспомнить, какую роль в жизни любой страны играет хлебный баланс или баланс белковых веществ.

Насколько важные хозяйственные выводы можно сделать с помощью метода балансов, показывает анализ пищевых це­пей и трофических уровней (Одум, 1968, стр. 52—55; Дювиньо и Танг, 1968, стр. 34—37).

Большой интерес представляет баланс древесной части ле­са. В листопадном лесу он имеет две статьи прихода (рис. 22): долговременный прирост (древесина) п и сезонный (листья)

1. — и три статьи расхода: отпад и поедание с, потери па ды­хание d и опад листвы р. К последнему могут быть присоеди­нены потери па поедание листьев листогрызущими животными. В виду сезонного характера облиствения балансовая разность может быть различной, если брать баланс за разные периоды года. Величины п, I, с, d п р в течение года меняются. В общем случае баланс биомассы древесной части леса:

п\1—с — d — p^±km, (3.13)

где Ат может быть как положительным (растущий лес), так и отрицательным (умирающий, перестойный). За целый гол, -от начала одной весны до следующей, когда накопление био­массы в листве ньтпадает, прирост Ат = т₂—т_и где //г, а т₂—массы древесины соответственно в начале и в конце года. Ат может быть названа нетто-продукцией леса.

Брутто-продукция равна п (па летние сроки п + 1). В пес входит как твердое живое вещество, так и органические отходы с-\-р, созданные лесом, по за год перешедшие в почву, а также газообразные продукты дыхания леса d, рассеянные в воздухе. Брутто-нродукцию логичнее брать из другого уравне­ния, где приходная часть представлена поглощенным углекис­лым газом и впитываемыми корнями водой и минеральными

юз

веществами. Здесь приход берется не «в тамбуре», а «за на­ружной дверью», подобно расходу, который в уравнении (3.13) рассматривается уже «в мусоропроводе». Брутто-баланс отра-

произведениые жизнедея­тельностью леса. В этом случае образование вет­вей и листьев принимает­ся за внутренний процесс, не подлежащий баланси­рованию.

Диаграмма построена по принципу хроноизоплет (масса — время). Заштрихованные расходные ста­дии баланса для удобства вычитания отложены в ту же сторону от оси абсцисс, что и приход­ные. Чертеж разорван, так как многолетний зя- пас древесины намного превышает годовой при­рост и его нецелесообразно изображать в масшта­ба. Обозначения в тексте

Баланс травянистой растительности сущест­венно отличается от лес­ного. Во-первых, запас в нем выражается для мно­голетних растений их под­земной частью. У отдель­ных растений она растет или отмирает, но в степ­ном или луговом ценозе она год от года остается постоянной, если ланд­шафт стабилен. Измене­ние ее может наступить под влиянием естествен­ных причин, а также при изменении степени сбоя или при мелио­рации и т. п. Во-вторых, в травостое большую роль играют гене­ративные части, которые желательно выделить в особую статью. В-третьих, травостой обычно значительнее, чем лес, подвергает­ся поеданию зверями и насекомыми, так что эту статью расхода правильнее отделить от отпада. Таким образом, годовой ба­ланс будет выражаться

;i-{-l-\-g — d — z — c=±tun, (3.14)

где п — прирост корней, I — стеблей и листьев, g— генератив­ных органов, z—поедаемая биомасса, с — отпад. При измене­нии условий в правой части уравнения появляется изменение запаса биомассы А т.

У однолетних растений, в частности у сельскохозяйственных, культур, корни также являются сезонными органами и с на­ступлением зимы или после уборки урожая поступают в от­пад. Таким образом, для однолетних растений составление го­дового баланса может иметь лишь инвентарное значение, на­пример для определения доли, поедаемой паразитами, так как сальдо заведомо будет равно нулю.

Сложнее баланс биомассы слагается у животных организ­мов. Цикл размножения у них протекает весьма разнообразно. Если у крупных животных он совпадает с годовым циклом, то-

у мелких позвоночных и у беспозвоночных часто наблюдается несколько циклов размножения в течение года. Осенью многие насекомые, черви, паукообразные умирают, но остаются их ли­чинки или куколки, особенно живущие в воде или в почве. Биомасса зимой резко уменьшается. Если составлять баланс зоомассы для отдельного вида, то необходимо учитывать его биологические особенности. Если же баланс составлять для зооценоза в целом, то он будет похож на баланс фитомассы .леса (см. рис. 22).

Подобно лесу, многолетний запас можно выразить через т, прирост за лето, как в виде увеличения в весе взрослых осо­бей, так и в виде размножения и роста молодого поколения, соответствует п, их трупы плюс экіскременты дают с, рожде­ние и рост однолетних организмов образует величину, анало­гичную I, их отмирание осенью подобно опаду листьев р, а й - расход на дыхание как многолетних, так и однолетних жи­вотных.

Так как биомасса беспозвоночных почти во всяком биоце­нозе намного превосходит массу позвоночных, общий баланс будет следовать в основном биологическому ритму этой группы животных. В отличие от фитомассы леса, в течение десятиле­тий монотонно возрастающей, а затем убывающей, кривая зоо­массы скорей напоминает синусоиду благодаря чередующимся периодам вспышек популяций и их падений. Впрочем, чем бо­гаче видами зооценоз, тем более сглаженными оказываются результаты вспышек. В наблюдении за их ходом наравне с наблюдениями за ходом трофических связей — основной смысл составления баланса зоомассы. В многолетней средней в неиз­менном ландшафте значение т постоянно, а Ат равно нулю.

Баланс биомассы, когда желательно определить ее участие в ландшафте или кормовую ценность, составляется в сыром весе. Однако поскольку содержание воды в организмах не по- етояшю, в других случаях биомассу измер-яют в сухом весе. Но иногда и этого бывает недостаточно, тогда для определения количества минеральных веществ, связанных в биосфере, ор­ганизмы сжигают и взвешивают зольные остатки. Наконец, для определения энергии, содержащейся в биомассе, эту опе­рацию производят в так называемых калориметрических бом­бах. В этом случае баланс составляется в калориях, выделя­ющихся при сжигании каждого отдельного организма. Послед­ний способ имеет преимущество, так как позволяет улавливать качественные различия между разными видами органического вещества.

В почвоведении кроме баланса воды интерес представляют балансы солей, гумуса, азота, пылеватых или глинистых ча­стиц. Все их перемещения в общем случае совершаются в вер­тикальном направлении.

I b I +1 ^ѵ |~Н £ I ~Н.^а 1 “Н Я I — I |> (3-15)

где каждый член может означать превышение прихода над рас­ходом или наоборот. Здесь Ь — прииос с водой из подстила­ющей породы или вымывание дождями, ѵ — принос или выду­вание с ветром, g—поступление или вынос по ходам ісмле- роев, а — десугиропапие или поступление из опада и отпада (растений ч животных), q — выветривание или связывание в минералах, находящихся в почве, Ат— как прежде, изменение запаса. В некоторых балансах отдельные статьи равны нулю. Например, в балансе гумуса *7 = 0, в балансе пылеватых пли глинистых частиц а = 0.

Наконец, последний вид балансов, который может заинтере­совать лапдшафтоведа, — это балансы отдельных элементов пли химических веществ, переходящих в ходе метаболизма из неорганической среды в органическую, вовлекаемых человеком в производство и вновь возвращаемых. Наиболее часто такие балансы составляются для кислорода, азота, углерода, серы, фосфора, железа, кальция и их производных. В мировом мас­штабе в них участвуют такие экзогенные процессы, как дожди, растворение, действие света и т. д., эндогенные извержение вулканов, биогенные — фотосинтез, дыхание, минерализация, антропогенные — добыча ископаемых, внесение удобрений, за­грязнение атмосферы и многие другие. Образцы диаграмм ба­лансов даны в следующем параграфе.

Пока скорее теоретический, чем практический интерес пред­ставляет вопрос о том, можно ли свести в едином балансе разные неорганические и органические вещества или разные виды энергии.

В принципе в этом нет ничего невозможного. Вопрос в том, для чего это может понадобиться. Что касается вещества, то может представлять интерес соотношение его в некотором ландшафте в твердом, жидком, газообразном и органическом состоянии. Для этого достаточно составить инвентарный список соответствующих веществ. Но еще интересней понять пх ди­намику, например, определить (или прогнозировать) увеличение биомассы на некоторой засушливой территории в случае уве­личения влажности. Или определить возрастание твердого ве­щества города и уменьшение в его пределах (при точной фик­сации верхней и нпжней границ) элементов остальных трех гео­сфер. В этих случаях уже потребуется составление баланса массы.