4611

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова»

БИОГЕОФИЗИКА ЛЕСА

Тексты лекций для студентов по направлениям подготовки: 35.04.01 – Лесное дело, 35.04.09 – Ландшафтная архитектура

ВОРОНЕЖ 2016

2

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова»

В.И. Лисицын

БИОГЕОФИЗИКА ЛЕСА

Тексты лекций для студентов по направлениям подготовки: 35.04.01 – Лесное дело, 35.04.09 – Ландшафтная архитектура

ВОРОНЕЖ 2016

3

УДК 574.24

Ф50

Лисицын В. И. Биогеофизика леса [Электронный ресурс] : тексты лекций для студентов по направлениям подготовки: 35.04.01 – Лесное дело, 35.04.09 – Ландшафтная архитектура / В.И. Лисицын; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Воронеж, 2016. – 35 с. – ЭБС ВГЛТУ.

Приводятся тексты лекций, охватывающие все разделы и темы дисциплины, контрольные вопросы для самопроверки, учебно-методические рекомендации по работе над конспектами лекций.

Тексты лекций предназначены для студентов по направлениям подготовки: 35.04.01 – Лесное дело, 35.04.09 – Ландшафтная архитектура. Они могут быть использованы при самоподготовке студентами всех направлений подготовки и форм обучения, а также при дистанционном обучении.

Ил. 6. Библиогр.: 9 наим.

Печатается по решению учебно-методического совета ФГБОУ ВО «ВГЛТУ».

Рецензент: заведующий кафедрой цифровых технологий факультета компьютерных наук ВГУ, доктор физико-математических наук, профессор Кургалин С.Д.

В.И. Лисицын, 2016

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова»,

2016

ВВЕДЕНИЕ

Дисциплина «Биогеофизика леса» изучает фундаментальные законы, лежащие в основе функционирования сложных экосистем, в частности закономерности роста древостоев в условиях действия различных антропогенных факторов. Поэтому освоение этой дисциплины необходимо широкому кругу профессионалов технического и лесного профиля.

Целью изучения дисциплины «Биогеофизика леса» является формирование у студентов знаний и умений по проведению анализа и синтеза различных природных систем, их взаимодействия между собой, в частности растительного покрова Земли с физическими факторами внешней среды, обмене и превращения разных видов энергии, массообмене между средой и экосистемами.

В основу курса положен принцип экспериментального и теоретического моделирования физических процессов в экологических системах.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

–изучение законов окружающего мира в их взаимосвязи;

–формирование у магистрантов представления о физических принципах взаимодействия растительного покрова Земли с окружающей средой;

–овладение фундаментальными принципами и методами решения научнотехнических задач;

–формирование навыков по применению положений биофизики и к грамотному научному анализу ситуаций, с которыми магистранту придется сталкиваться при создании или использовании новой техники и новых технологий;

–освоение основных биогеофизических теорий, позволяющих описать явления в природе, и пределов применимости этих теорий для решения современных и перспективных профессиональных задач;

–формирование у студентов основ естественнонаучной картины мира.

Врезультате освоения дисциплины магистрант должен:

знать:

–основные биофизические явления и основные законы физики; границы их применимости, применение законов в важнейших практических приложениях;

–физические механизмы и принципы их функционирования в биосфере, особенности описания их в экосистемах;

уметь:

–объяснить основные наблюдаемые природные и техногенные явления и эффекты с позиций фундаментальных физических взаимодействий;

–указать, какие законы описывают данное явление или эффект;

–оценивать экологические последствия нарушения энергетического баланса и массобмена в природе;

6

–использовать методы адекватного физического и математического моделирования, а также применять методы физико-математического анализа к решению конкретных естественнонаучных и технических проблем;

владеть следующими навыками:

–использования основных общефизических законов и принципов в важнейших практических приложениях;

–применения основных методов физико-математического анализа для решения естественнонаучных задач;

–обработки и интерпретирования результатов эксперимента.

Одной из форм обучения студента является самостоятельная работа над учебным материалом, которая включает проработку лекций, самостоятельную подготовку доклада на студенческую конференцию, подготовку к коллоквиумам и зачету. Основная цель данного учебног издания – помочь студентам организовать и проконтролировать самостоятельное углубленное изучение дисциплины «Биогеофизика леса».

Тексты лекций предназначены для студентов по направлениям подготовки: 35.04.01 – Лесное дело, 35.04.09 – Ландшафтная архитектура. Они могут быть использованы при самоподготовке студентами всех направлений подготовки и форм обучения, а также при дистанционном обучении.

СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛОВ ДИСЦИПЛИНЫ

Введение

Экосистемы: понятия и определения.

Раздел 1. Роль физических факторов среды в энерго-массообмене

Общие представления об энергетическом балансе экосистем.

Основные физические закономерности, используемые в биогеофизике леса. Потоки солнечной энергии у поверхности Земли. Утилизация солнечной энергии биосферой.

Раздел 2. Тепловой обмен организмов с окружающей средой

Модели фотосинтеза на уровне листа, дерева, лесной экосистемы. Потоки энергии на трофических уровнях. Биомасса, потребление и про-

дукция в биосфере. Доля биосферного потока, используемого человечеством. Роль леса в энергетики биосферы.

Кругооборот воды в биосфере. Транспирация. Роль лесных ценозов в кругообороте воды в биосфере. Связь энергетического и водного баланса суши.

Кругооборот углерода и кислорода в биосфере. Устойчивость биосферы, как условие сохранения окружающей человека среды.

Раздел 3. Энерго и массообмен в лесных экосистемах

7

Эколого физиологические модели динамики роста древостоев.

Газообмен между экосистемой и атмосферой. Поглощение света кроной деревьев. Листовой индекс. Движение воды в ксилеме и флоэме растений. Механизмы движения воды по ксилеме.

Общие биофизические и геофизические свойства растительного покрова. Энергетика отношений леса и внешней среды. Общая математическая модель энергетики растительного покрова. Математическая модель энергетики нестационарного растительного покрова. Нестационарные хвойные насаждения с максимальным поглощением световой энергии. Нестационарные лиственные насаждения с максимальным поглощением световой энергии. Отношение хвойных и лиственных пород в смешанном насаждении с энергетической точки зрения. Методика прогностического расчета биомассы одновозрастного насаждения. Биомасса лесных насаждений в условиях хозяйственной эксплуатации. Биофизическая теория самоизреживания леса. Биогеофизическая модель Корзухина для однопородного одновозрастного древостоя. Модели динамики роста многопородного древостоя.

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАБОТЕ НАД КОНСПЕКТОМ ЛЕКЦИЙ

В ходе лекционных занятий необходимо вести собственный рабочий конспект. При этом надо обращать внимание на категории, формулировки, раскрывающие содержание тех или иных явлений и процессов, научные выводы и практические рекомендации, выделять важные моменты, усваивать положительный опыт в ораторском искусстве.

Желательно оставить в рабочих конспектах поля, на которых следует делать пометки из рекомендованной литературы, дополняющие материал прослушанной лекции, подчеркивающие особую важность тех или иных теоретических положений, а также отмечать вопросы, вызвавшие затруднение, с целью дальнейшего их разрешения. В ходе лекции рекомендуется задавать преподавателю уточняющие вопросы с целью уяснения теоретических положений, разрешения спорных ситуаций.

Необходимо систематически прорабатывать лекционный материал в течение семестра, для этого надо изучать основную литературу, знакомиться с дополнительной литературой, при этом учитывать рекомендации преподавателя и требования учебной программы. Следует дорабатывать свой конспект лекций, делая в нем соответствующие записи из литературы, рекомендованной преподавателем и предусмотренной учебной программой.

8

Лекция № 1

БИОСФЕРА И ЗАДАЧИ ЭКОЛОГИИ БИОСФЕРЫ

ВОПРОСЫ

1.1.Введение.

1.2.Структура биосферы.

1.3.Особенности и основные задачи экологии биосферы.

1.1. Введение

Объектами исследования экологии являются экологические системы (экосистемы), включающие группу взаимосвязанных живых организмов и тех элементов внешней среды, которые оказывают на них наиболее сильное влияние и сами в той или иной степени зависят от деятельности этих организмов. Масштабы экологической системы могут быть различны в зависимости от целей исследований. Большинство исследований посвящено локальным проблемам экологии, т.е. изучению взаимодействия организмов и внешней среды в региональных экологических системах. Между тем все актуальнее становятся исследования экосистемы, охватывающей всю сферу обитания живых организмов, т.е. биосферу, которая включает в себя все эти организмы и охватывает тропосферу, гидросферу и верхнюю сравнительно небольшую часть литосферы. Биосфера представляет собой тонкую по сравнению с размерами земного шара оболочку; вертикальный размер ее порядка нескольких десятков километров. Она и является объектом глобальной экологии. Актуальность глобальных экологических проблем вызвана тем, что в последнее время результаты влияния хозяйственной деятельности человека перестали носить локальный характер, перестали быть лишь простой суммой ее местных изменений, а все в большей степени приобретают глобальный характер. Под влиянием деятельности человека начали изменяться физическое состояние и химический состав атмосферы и океана, что в условиях интенсивного горизонтального перемешивания атмосферы и верхних слоев океанических вод может распространиться на громадные расстояния от районов, где произошло загрязнение. Крупные изменения системы «атмосфера-океан» неизбежно приведут к изменению биосферы в целом. Эти изменения могут не только неблагоприятными, но и катастрофическими для человеческого общества. Отсюда основная задача экологии биосферы - разработка прогнозов возможных изменений биосферы под влиянием деятельности человека и вытекающих из них рекомендаций по корректировке этой деятельности. Для решения этой задачи разрабатывается ряд направлений исследований.

Основные из них:

9

*изучение компонентов биосферы;

*изучение динамики биосферы: кругообороты энергии, минерального и органического вещества в биосфере;

*построение численных моделей для компонентов биосферы и всей биосферы в целом;

*изучение состояния биосферы в прошлом и ретроспективное применение численных моделей с целью выяснения возможности их использования;

*применение численных моделей для прогнозов антропогенных изменений биосферы и оптимизация хозяйственной деятельности человека;

*изыскание методов воздействия на крупномасштабные процессы в биосфере в интересах человеческого общества.

1.2. Структура биосферы

Рассмотрим кратко структуру биосферы. Окружающая земной шар атмосфера состоит в основном из азота и кислорода. Малые по количеству, но существенные для жизни газовые компоненты, - углекислый газ и озон. Наиболее важная переменная составляющая атмосферы - водяной пар. Заметное влияние на процессы в атмосфере оказывает атмосферный аэрозоль - взвешенные в воздухе частицы, возникающие под влиянием «засорения» атмосферы различного происхождения. По вертикали различают нижнюю часть атмосферы - тропосферу и верхнюю - стратосферу. Высота тропосферы изменяется от 8 до 10 км в высоких широтах и от 16 до 18 км в экваториальной зоне. В тропосфере находится основная часть воздуха, преобладающая часть водяного пара. Выше и до 50-55 км - стратосфера - характеризующаяся возрастанием температуры с высотой от -400 до 00, повышенным в сравнении с ниже и вышележащими слоями содержанием озона. Физические процессы в тропосфере оказывают существенное влияние на погоду и климат различных районов планеты, нормальное распределение температуры в ней - понижение с высотой. Случаются инверсии температуры: нарушение нормального распределения. Интересно развитие атмосферы. Первоначально Земля не имела атмосферы. Значительная часть газов (азот, углекислый газ, водяной пар) возникла в ходе вулканической деятельности планеты. Однако, кислород появился позднее, по-видимому, за счет деятельности фотосинтезирующих растений. Эволюция атмосферы в свою очередь оказывала большое влияние на эволюцию литосферы (твердую верхнюю оболочку Земли) и гидросферы (прерывистую водную оболочку Земли) в процессах выветривания, формирования континентов, водного баланса гидросферы. Атмосферные факторы оказывали существенное влияние на эволюцию живых организмов. По мере накопления кислорода в атмосфере становилось возможным существование все более сложных организмов. Деятельность растений

10

связана с содержанием углекислого газа. Изменение этого содержания вызывало определенные изменения в структуре растительного покрова. Значительное влияние на процесс эволюции организмов оказывали изменение режима тепла и влаги в атмосфере. Сосредоточенный в основном в стратосфере озон обеспечивает поглощение солнечной ультрафиолетовой радиации. Это обусловило эволюцию организмов в условиях облучения с относительно низким содержанием высокоэнергетической ультрафиолетовой радиации.

Вода - один из главных факторов существования живых организмов. Отсюда ясна важная роль гидросферы, как составной части биосферы. Основная часть воды биосферы сосредоточена в Мировом океане (~1300млн. км3). Значительное количество воды содержится в ледниках (~24млн. км3). Примерно столько же воды приходится на подземные воды. Все остальные составляющие мирового запаса воды (озера, атмосфера, реки, живые организмы) гораздо меньше. Океанические воды содержат большое количество солей и растворенных газов. Наибольшее значение для живых организмов имеют растворенные в воде кислород, углекислый газ и фосфаты. Перенос водяного пара с водоемов на континенты компенсируется формированием речного стока, что является важнейшим гидрологическим процессом суши. Наиболее важное для организмов следствие выпадения осадков на суше - увлажнение верхних слоев почвы, без которого было бы невозможно существование автотрофного растительного покрова. В зависимости от степени увлажнения меняется и характер растительности: болотная растительность, леса, саванны, степи, пустыни.

Если в атмосфере и гидросфере организмы распространены в слоях значительной толщины (до нескольких километров), то в литосфере основная масса организмов сосредоточена в пределах слоя почв, глубина которого составляет несколько метров. Почвы образованы из смеси минеральных веществ, возникших в результате разрушения горных пород, с органическими веществами - продуктами жизнедеятельности и разрушения организмов. Важную роль в процессе разложения органического вещества играют различные микроорганизмы и почвенные животные. В результате в почве создаются запасы различных элементов (C, N, P, K, Mg и др.) в форме доступной для использования высшими растениями. Вместе с тем в результате разложения органики в почве выделяется углекислый газ, пополняющий массу углекислого газа в атмосфере и гидросфере, где она расходуется на фотосинтез. В настоящее время известно около 500000 видов растений и около 1,5 млн. Видов животных (в том числе примерно 1 млн. видов насекомых), населяющих биосферу. Эти организмы распределены в ней очень неравномерно, концентрируясь, главным образом вблизи земной поверхности. При этом и на земной поверхности есть обширные районы