Геофизика и геохимия ландшафта. Конспекты лекций

(тратой на дыхание сообщества). Как видно, коэффициент P/R может служить хорошим показателем зрелости экосистем.

В зрелых растительных сообществах (например, тропический дождевой лес) валовая первичная продукция обычно полностью расходуется на автотрофное и гетеротрофное дыхание, которые часто трудно отделить одно от другого. В итоге чистая продукция нередко близка нулю.

Благополучие человека основано на изъятии чистой продукции, поэтому он не может хозяйствовать в зрелых экосистемах, где вся создаваемая продукция тратится на дыхание. Как подчеркивает известный эколог Ю. Одум, природа стремится увеличить валовую, а человек – чистую продукцию.

Количественно энергетическая эффективность фотосинтеза может быть оценена калорийностью создаваемой фитомассы, т. е. количеством тепловой энергии, высвобождаемой при ее полном сжигании, иначе – «теплотой сгорания». Последняя исчисляется в расчете на абсолютно сухое и (или) обеззоленное вещество. В теплотехнике, из которой эти исследования перешли в экологию, для характеристики теплотворной способности топлива (например, древесины) принята универсальная единица

– удельная теплота сгорания (q). Она определяется по формуле: q = Q/m, где Q – количество выделившегося при сжигании топлива тепла (в джоулях или калориях), m – масса сгоревшего топлива (в кг или г). Для той же древесины эта единица составляет около 19–20 кДж/г (для сравнения: q угля – 30, нефти– 44, природного газа– 44 кДж/г).

Впериод Международной биологической программы (1964–1972 гг.)

вкачестве энергетического эквивалента биомассы растений была рекомендована константа, равная 4000 кал/г (16,75 кДж/г). Однако экспериментальные исследования уже тех лет показали, что рекомендованная константа, как правило, находится ниже фактических оценок и, по сути, является не совсем константной величиной. Возникла необходимость

вширокой проверке данной величины в связи с географическим положением растительных сообществ, годовой и сезонной динамикой роста растений, их морфологической структурой и другими факторами.

Существование самого факта изменчивости теплоты сгорания подвигло исследователей к поиску закономерностей в динамике этого параметра. Наметились, было, определенные закономерности, в том числе общебиологического плана. Наиболее заметным стало предположение о существовании широтной зависимости – нарастание энергоемкости фитомассы в направлении с юга на север. Отмечалось уменьшение энерго-

51

емкости с возрастанием высоты местности в горах. Были попытки увязать восхождение организмов вообще по эволюционной лестнице с нарастанием их энергоемкости. Пока все эти «закономерности» не получили достаточного обоснования, и неоднозначные результаты по фитоэнергетике свидетельствуют о преждевременности подобных заключений.

В то же время теплота сгорания как физический показатель и реальная единица измерения энергопотока в экосистеме имеет самодостаточное значение, в том числе в практике рационального природопользования. Так, располагая данными о теплоте сгорания растений и растительных остатков, возможны определение запасов энергии горючих материалов (Q = q∙m) в лесах как исходной основы для моделирования довольно частых лесных пожаров, а также экологическая и экономическая оценка их последствий. Энергетическая оценка биологической и хозяйственной продуктивности фитоценозов и агроценозов с учетом энергозатрат на все виды агротехнических работ дает возможность выбора оптимальных типов лесонасаждений, составов травосмесей, обеспечивает экономическую эффективность разных технологий в растениеводстве. Знание энергетических пиков фенофаз сенокосных угодий позволяет выбирать наиболее рациональные сроки сенокошения. Таким образом, стыковка экологии и экономики на энергетической основе открывает широкие перспективы для оптимизации существующих и выбора наиболее рациональных систем природопользования. Она же обеспечит в биоэнергетике экосистем переход от общих представлений к математически выверенным картинам.

Контрольные вопросы

1.Характер зависимости фотосинтеза от светового и температурного режима.

2.Связь между листовым индексом и продуктивностью фотосинтеза.

3.Понятия биомассы и продукции, виды первичной продукции.

4.Энергетическая эффективность фотосинтеза.

5.Закономерность, отраженная в правиле Линдемана.

6.Направление развития экосистемы с позиций биоэнергетики.

7.Теплота сгорания как мера энергетической эффективности фотосинтеза.

8.Предполагаемые «закономерности» изменения теплоты сгорания.

9.Значение представлений о теплоте сгорания в теории и практике природопользования.

52

РАЗДЕЛ 5. ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ГРАДИЕНТЫ – ОСНОВА ДИФФЕРЕНЦИАЦИИ ЛАНДШАФТНОЙ СФЕРЫ

ТЕМА 12. Закономерности широтной, долготной

ивысотной дифференциации ландшафтной сферы

1.Вводные замечания.

2.Гидротермический режим как ведущий фактор формирования ландшафтов.

3.Широтный градиент и широтная зональность ландшафтов.

4.Долготный градиент и долготная дифференциация ландшафтов.

5.Высотный градиент и высотная дифференциация ландшафтов.

6.Периодический закон географической зональности.

Идея о поясном различии природных явлений известна со времен античности. В новое время географическую зональность развивал основатель ботанической географии немецкий натуралист и путешественник Александр фон Гумбольдт (1769–1859). Он впервые разработал метод изотерм и сумел показать тесную зависимость изменчивости растительного покрова Земли от температурного градиента. В конце XIX столетия русский почвовед В.В. Докучаев (1846–1903) на примере почв показал, что зональность распространяется не только на растительность, но и на «минеральное царство». При этом выяснилось, что формирование почвенного покрова, как и произрастание того или иного типа растительности обусловлено не только температурой, но и влагой, а, точнее, их соотношением. Это неизбежно привело к выводу о зональности ландшафтной сферы Земли в целом, что и было сделано В.В. Докучаевым, создавшим учение о природных естественно-истори- ческих зонах. В нем он вывелзакономерность смены почвенно-расти- тельного покрова в зависимости от изменения баланса тепла и влаги.

В дальнейшем ученики и последователи В.В. Докучаева распространили зональность и на другие компоненты природы, что позволило в деталях вскрыть сам механизм зональности. Так, если причину зональности В.В. Докучаев видел в климате, его ученик Г.Н. Высоцкий указал на характерную для каждой зоны составляющую климата – влажность. Таким образом, во влажности климата объединились его главные элементы – количество осадков и температура.

53

Анализу действительной картины географической зональности, по С.В. Калеснику, должно предшествовать деление земной поверхности на географические пояса. Обычно выделяют следующие пояса: полярные, субполярные, умеренные, тропические, субтропические, субэкваториальные и экваториальный пояс. Под географическим поясом понимается широтное подразделение географической оболочки, обусловленное климатом (от греч. klimatos – наклон, т. е. наклон земной поверхности к солнечным лучам). Таким образом, главный смысл выделения географических поясов сводится к обрисовке самых общих черт распределения первичного фактора – тепла, чтобы на этом общем фоне можно было наметить и первые самые крупные детали – ландшафтные зоны в ландшафтной сфере.

Ландшафтная сфера (понятие выделено Ф.Н. Мильковым) – эта особая оболочка Земли, представленная выстилающей земную поверхность совокупностью ландшафтных комплексов и выступающая в качестве биологического фокуса географической оболочки планеты. В результате прямого соприкосновения и активного взаимодействия атмосферы, литосферы и гидросферы здесь образуются специфические природные комплексы – ландшафты. В контактной зоне этих геосфер создаются условия для развития органической жизни и происходит трансформация солнечной энергии в различные виды земной энергии.

Ландшафт как биокосная система идентифицируется, прежде всего, по его геоботаническому облику, так как растительный покров – это и «одежда» ландшафта, и чуткий индикатор разнообразных природных условий. Облик же растительного покрова, как отмечено, определяется соотношением тепла и «крови» ландшафта – влаги. Первичный фактор

– тепло зависит от широты местности: поступление тепла уменьшается от экватора к полюсам. Другой фактор – увлажненность, зависящая от термических условий территории, характеризуется соотношением количества выпадающих осадков и испаряемости. Существенна роль циркуляции атмосферы, осуществляющая адвекцию тепла и влаги.

Взаимодействие указанных факторов создает сложную мозаику ландшафтов, которая, однако, не хаотична, а носит упорядоченный характер, обусловленный геофизическими и геохимическими градиентами. Таких градиентов общепланетарного масштаба четыре: широтный,

54

долготный, высотный и катенный (последний рассмотрен в части II «Геохимия ландшафта» данного издания).

Широтный градиент диктуется разностью угла падения солнечных лучей вследствие шарообразной формы Земли. Этот градиент изначально задан различиями в количестве солнечного тепла, поступающего на разные широтные участки планеты. К примеру, в умеренных широтах в направлении север-юг количество поступающей на земную поверхность солнечной радиации на каждые 3° широты увеличивается приблизительно на 10 ккал. Такое явление обусловливает широтную зональность – главнейшую закономерность, проявляющуюся в смене различных типов ландшафтов от экватора к полюсам и образовании различных географических поясов и зон.

В соответствии с географическими поясами освещения различают следующие тепловые пояса:

1) теплый, или жаркий пояс, ограниченный в каждом полушарии годовой изотермой + 20°, проходящей вблизи 30-й северной и 30-й южной параллели;

2-3) два умеренных пояса, которые в каждом полушарии лежат между годовой изотермой + 20° и изотермой + 10° самого теплого месяца (соответственно июля или января);

4-5) два холодных пояса, в которых средняя температура самого теплого в данном полушарии месяца менее 10°.

Несмотря на большую динамичность, атмосферные осадки также проявляют широтную зависимость. На основании количества среднегодовых осадков на Земле выделяют следующие зоны увлажнения:

1.Влажная тропическая зона (примерно между 20° с.ш. и 20° ю.ш.),

вкоторой за год выпадает свыше 750-1000 мм осадков, а местами более

2000 мм.

2-3. По обе стороны экватора примерно между 20 и 40° широты располагаются сухие зоны низких широт, существование которых определяется преобладанием нисходящих движений воздуха (антициклональные условия).

4-5. Влажные зоны широт между 40-й и 60-й параллелями в каждом полушарии. Значительное количество осадков здесь (более 500 мм) обусловлено циклонической деятельностью.

55

6-7. Холодные области высоких широт в обоих полушариях с малым (менее 200 мм) количеством осадков.

Как видно, по сравнению с равномерным нарастанием температуры от полюсов к экватору в распределении осадков при общем их увеличении в том же направлении в субтропическом поясе высокого давления с господством нисходящих движений воздуха наблюдается резкий их спад.

В соответствии с широтным распределением тепла и влаги природные явления и их комплексы (климат, почвы, растительность, животное население) располагаются на земном шаре в виде более или менее параллельных полос, которые именуются географическими зонами. В отличие от поясов, характеризующихся общностью термических условий, зона обладает общностью не только термических условий, но и увлажнения, что приводит к общности биологических компонентов ландшафтов. Таким образом, географическая зона – результат взаимодействия между поступающими осадками и тепловым режимом, определяющим реальное увлажнение через физическое испарение.

Измерять увлажнение лишь количеством осадков неправильно. Здесь важно соотношение влаги и тепла, так как одинаковое количество осадков, например, менее 150-200 мм в год может привести и к развитию болот в тундрах, и к формированию пустынь в тропиках. В первом случае тепла недостаточно для испарения выпадающих осадков, во втором избыток тепла и чрезмерное испарение создает дефицит влаги.

Зональную картину Земли довольно четко выявляет коэффициент увлажнения К = r/E (r – количество атмосферных осадков, E – величина испаряемости за тот же период), предложенный Н.Н. Ивановым (1948). Годовой К>1,50 имеют избыточно увлажненные полярные пустыни и тундры. В умеренном поясе величина К постепенно уменьшается от зоны тайги (К = 1,49–1, увлажнение достаточное) к зоне пустынь (К = 0,12–0, увлажнение ничтожное) через лесостепь (К = 0,90–0,60), степь (К = 0,59–0,30) и полупустыню (К = 0,29–0,13). Аналогичные изменения претерпевает К в субтропических и тропических широтах при переходе от влажных лесов (К >1,50) через сухолюбивые леса (К = 0,99–0,60) и саванны (К = 0,59–0,30) к полупустыням и пустыням.

Наилучшим образом широтно-зональный градиент выражен на огромном евразийском материке, где есть возможность проследить

56

ландшафтные зоны на протяжении десятков тысяч километров. На его обширных внутриматериковых равнинах (например, на ЗападноСибирской равнине), где в условиях умеренных широт отклонение границ ландшафтных зон от параллелей составляет наименьшую на земном шаре величину (всего 10°), широтная зональность проявляется наиболее типично.

Долготный градиент направлен от окраины материков к их геометрическим центрам (градиент континентальности, по В.Г. Мордковичу). Он обусловливает секторность – вторую универсальную закономерность ландшафтной сферы Земли. Первопричина этого явления – дифференциация земной поверхности на материки и океаны, которые обладают разной отражательной способностью и теплоемкостью, что приводит к формированию над ними воздушных масс с разными свойствами (по температуре, давлению, влагосодержанию). В результате возникают градиенты давления, а, следовательно, и континентальноокеанический перенос воздушных масс, накладывающийся на глобальную циркуляцию атмосферу. Таким образом, изначально этот градиент задан разницей атмосферного давления над сушей и океаном. Это приводит к крупным горизонтальным перемещениям воздушных масс (адвекции), несущих от океана внутрь континента влажный воздух и осадки, а в обратном направлении – сухую воздушную массу.

В итоге каждая широтная зона представляет собой метамерное образование, отдельные долготные фрагменты (секторы) которого, получая одинаковое количество солнечной радиации, существенно различаются по количеству получаемой влаги и условиям ее удержания. Следствие этого – изменение облика ландшафтов в долготном направлении, накладываемое, как азональное явление, на широтную зональность. Степень выраженности этого явления во многом определяется размерами и конфигурацией континентов.

Особенно наглядно подразделение, называемое «секторностью», выражено в умеренных и субтропических поясах Евразии – континенте максимальных размеров. Приокеанические секторы лучше увлажняются, континентальные, внутренние, напротив, более сухие, так как влияние океанов сюда почти не распространяется. В результате влажные лесные ландшафты приокеанических окраин (два приокеанических сектора) по мере продвижения вглубь материка сменяются сухими

57

степными, а затем полупустынными и пустынными ландшафтами континентального сектора.

Можно заключить, что широтный градиент в зависимости от конфигурации и размеров материков в большей или меньшей степени может быть завуалирован долготным градиентом.

Высотный градиент, в основе которого лежит изменение температуры (падение на 0,6 на каждые 100 м высоты) и количества атмосферных осадков (нарастание до известного предела и последующее снижение), порождает еще одну из главных закономерностей смены ландшафтов, проявляющуюся в горах, – высотную поясность. Основной ее причиной является последовательное уменьшение теплового баланса с высотой, хотя интенсивность солнечной радиации в том же направлении возрастает примерно на 10 % на каждый километр высоты. Дело в том, что длинноволновое тепловое излучение Земли увеличивается с высотой еще быстрее в силу большей прозрачности атмосферы в горах.

Создающийся высотный градиент тепла и влаги порождает высот- но-поясную смену ландшафтов. При достаточной высоте гор верхние ландшафтные пояса повсюду оказываются безлесными. Это горнотундровый и гольцовый пояса на севере, альпийский на юге умеренных широт. Еще выше лежат нивальные ландшафты с вечными снегами и ледниками.

Температура с высотой меняется гораздо быстрее, чем по горизонтальному направлению от экватора к полюсам. Расстояние на Земле, эквивалентное в отношении температурных изменений удалению от земной поверхности на 1 км, составляет более 1300 км. Отсюда высотные пояса как бы в сжатой форме повторяют широтную зональность ландшафтов, хотя нет полной аналогии. Можно утверждать, что на Кавказе на коротком расстоянии в сотню километров от равнины до высокогорья можно встретить такое же разнообразие ландшафтов, как проехав тысячи километров от предгорий Кавказа до берегов северных морей.

Набор высотных поясов зависит как от высоты гор, так и их широтного положения: чем выше горы и чем они ближе к экватору, тем полнее спектр высотной поясности и, наоборот, чем ниже и чем дальше они от экватора, тем короче их высотно-ландшафтный спектр. Однако

58

эти факторы (высота и широта) действуют независимо. К примеру, Гималаи, перемещенные в тундру, могли бы обладать, несмотря на свою огромную высоту, только одним высотным поясом – ледников и фирновых полей.

С другой стороны, широтная зональность определяет тип высотной поясности: у каждой широтной зоны – свой типичный набор поясов. Высотная поясность начинается у подошвы горной цепи с аналога той широтной зоны, на которую опирается горное подножие.

Подобно широтной зональности высотная поясность бывает двух типов: океанического, или приморского (пояс древесной растительности начинается на прибрежной равнине), и континентального (древес- но-кустарниковые формации начинаются с известной высоты на склонах гор).

По сравнению с широтной зональностью высотная поясность гораздо разнообразнее и сложнее. Она складывается не только под влиянием изменения высоты и широты, но и конкретных форм рельефа и различных местных факторов как азональное явление. Одним из таких факторов является экспозиция горных склонов. Неравномерный приход тепла и влаги на склоны разной экспозиции приводит к возникновению экспозиционной асимметрии, т. е. различию высот одноименных поясов. Различают асимметрию инсоляционную и циркуляционную,

или ветровую.

Инсоляционная асимметрия вызывается ориентацией склонов относительно сторон горизонта, что определяет продолжительность и интенсивность солнечного облучения склоновых ландшафтов, а равно и различие в радиационном балансе более освещаемых южных и менее освещаемых северных склонов.

Циркуляционная асимметрия связана с ориентацией склонов относительно направления господствующих воздушных потоков. Она особенно яркая, когда горная цепь перпендикулярна к путям влагоносных воздушных потоков. На наветренной стороне гор в связи с вынужденным поднятием вверх воздушных масс, сопровождающимся их адиабатическим охлаждением и снижением влагоемкости, выпадают осадки, называемые орографическими. Напротив, переваливший через хребет и опускающийся вниз воздух адиабатически нагревается и действует иссушающе, вбирая в себя влагу. Отсюда облик ландшафтов противопо-

59

ложных склонов разнится: на наветренном склоне наблюдается гумидная растительность (например, леса), на подветренном склоне – ксерофитная растительность (например, остепненные луга).

Локальные особенности орографии также влияют на структуру высотных поясов. Так, на Центральном Кавказе смежные спектры высотных поясов могут различаться: там, где экранирующий эффект Скалистого хребта с перехватом им влажного воздуха выражен, имеет место пояс широколиственных лесов, на смежном участке, где данный хребет пологий и не выполняет такой функции, лесной пояс выпадает из поясного спектра и замещается луговой растительностью.

Периодический закон географической зональности обобщает закономерности дифференциации ландшафтного покрова Земли и возводит их в ранг закона. Последний выведен А.А. Григорьевым и М.И. Будыко (1956), которые сделали принципиально новый шаг в исследовании проблем зональности, подведя под явления зональности физический и количественный базис. Закон получил название «периодический», так как его сущность заключается в том, что при переходе от одного широтного пояса к другому повторяется сходство географических зон, обусловленное одинаковым соотношением тепла и влаги нарядус их различиями, обусловленными абсолютными значениями радиационного баланса.

Здесь просматривается аналогия с периодической системой химических элементов Д.И. Менделеева, выстроенной тоже по двум показателям – физико-химическому свойству элементов и их атомной массе. Система представляет двумерную таблицу, где каждый столбец (группа) определяет основные физико-химические свойства элементов, а строки представляют собой периоды, в определенной мере подобные друг другу. Например, свойства калия, принадлежащего к одному периоду, после ряда за ним стоящих элементов, выстроенных по нарастанию атомной массы, в определенной мере повторяет начинающий следующий период натрий. Групповое единство калия и натрия определяется сходством этих элементов (одинаковые электронные конфигурации на валентных оболочках).

Периодический закон географической зональности также опирается на учете тесно взаимосвязанных факторов. Один из них – годовой радиационный баланс (R) земной поверхности (показатель теплообес-

60