Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

современные методы географических исследований

.pdf
Скачиваний:
186
Добавлен:
02.05.2015
Размер:
2.23 Mб
Скачать

в котором X годовые атмосферные осадки, Z — годовой суммарный сток.

Этот способ имеет свои преимущества и недостатки. Первые связаны с наличием мас-

сового материала Гидрометеослужбы страны по осадкам и стоку для бассейнов средних и малых рек; точность измерений, после введения поправок на осадки, достаточно велика. Метод позволяет получить данные по испарению для физико-географических зон, подзон, провинций, реже ландшафтов. Недостатки водобалансового метода невозможность полу- чения данных по испарению за короткие периоды (декады, месяцы, сезоны года) и данных для локальных физико-географических единиц (фаций, подурочищ, урочищ). В 60-е гг. бы- ли введены поправки к показаниям осадкомера на испарения из осадкомерного ведра, на смачивание стенок прибора и на выдувание зимних осадков.

Рассмотрим подробнее теплобалансовый метод определения затрат тепла на испа- рение. Он разработан в Главной геофизической обсерватории имени А. И. Воейкова. В

основу расчета затрат тепла на испарение положены данные срочных наблюдений за температурой и абсолютной влажностью воздуха на двух высотах, в частности для лугов на высотах 50 см и 200 см от поверхности. Одновременно фиксируется значение радиа- ционного баланса и определяется поток тепла в почву (расчет потока тепла в почву бу- дет дан ниже). При градиентных теплобалансовых наблюдениях в том случае, когда

(R – А) 0,10 кал/см2 мин, е < 0,1 мб,

t 0,1 °С, суммарное испарение рассчитыва-

ется по формуле:

(R - A)De

 

LE=

(7)

De + 0,64Dt

 

 

где е разность абсолютной влажности воздуха на высотах 50 и 200 см от поверхности,

t разность температуры воздуха для тех же высот.

 

Используя те же параметры состояния приземного слоя воздуха (R, А,

е и t), можно

вычислить затраты тепла на турбулентный обмен с атмосферой:

 

(8)

 

В том случае когда (R А) < 0 ,1 0 кал/см2 мин, σе < 0, 1 мб и

t < 0, 1° или в

том случае когда нет данных по радиационному балансу и потоку тепла в почву, используют другие формулы, в которых фигурирует U — разность скоростей ветра на высотах 200 и 50 см, разность температур воздуха и абсолютной влажности воздуха на высотах 50 и 200 см.

Для специфических поверхностей (снега, воды) найдены формулы, позволяющие оп- ределить испарение за разные интервалы времени часы, сутки, декады, месяцы и т. д. Так, А. Р. Константиновым получена формула расчета испарения с поверхности снега

за сутки:

 

(tn - t2 )

 

 

 

æ

ö

×(en - e2 ), мм/сут, (9)

E =

ç

 

÷

 

ç

0,018×U10

+ 0,097U10 ÷

 

è

ø

 

в которой tn„ — температура поверхности снега, t2 температура воздуха на высоте 200 см, U10 скорость ветра на высоте 10 м (по флюгеру), еп упругость водяного пара (мб), определяемая по температуре поверхности снега, e2 упругость водяного пара на высоте 200 см от поверхности земли (снежного покрова).

Предложено значительное количество формул для расчета испарения с поверхности во- доемов. Все они имеют сходную структуру и различаются эмпирическими коэффициентами. Удовлетворительно зарекомендовала себя формула А. П. Браславского и З. А. Викулиной (мо- дифицированная формула Б. В. Полякова):

Е = 0,13 (е0 е2)(1 + 0,72U2) τ, мм/период, (10)

в которой е0 максимальная упругость водяного пара в миллибарах при температуре поверхно- сти воды, U2 абсолютная влажность воздуха на высоте 200 см, L/2 — скорость ветра над вод- ной поверхностью на высоте 200 см, τ число суток в расчетном периоде.

В структуре теплового баланса за отдельные сезоны года (время суток) важным является член уравнения, обозначающий поток тепла в почву или обратный поток тепла из почвы. Расчет потока тепла в почву основан на измерениях температуры почвы по глубинам и ее по- верхности. В Главной геофизической обсерватории им. А. И. Воейкова предложена формула:

А =

c

S ,

(11)

 

 

τ

 

где с средняя для слоя 0—20 см или 0—80 см объемная теплоемкость почвы, τ про-

должительность интервала времени в минутах, S функция изменения температуры почвы по глубинам и на ее поверхности между двумя сроками наблюдений.

Объемная теплоемкость почвы количество тепла, необходимое для нагревания 1 см3 почвы на 1 °С. Ее можно записать в виде суммы теплоемкости сухой части почвы и те- плоемкости воды, содержащейся в единице объема влажной почвы:

с = cng + cbgω,

(12)

где cn удельная теплоемкость сухой части почвы, cb удельная теплоемкость воды, равная 1 кал/г °С, g плотность сухой части почвы, ω влажность почвы, выраженная в долях от единицы.

Интенсивность потока тепла в почву во многом зависит от удельной теплоемкости ее сухой части. Значение этого показателя для некоторых почв и грунтов приведено в табл. 5.

Т а б л и ц а 5

Удельная теплоемкость сухой части почв и грунтов

Вид почвы и грунта

cn

Вид почвы и грунта

cn

 

 

 

 

Торф

052

Суглинок

0,20

Гумусовый горизонт

0,44

Легкий суглинок

0,19

Чернозем суглинистый

0,30

Супесь

0,17

Чернозем оподзоленный

0,20

Песок

0,19

Глина

0,22

Солонец

0,14

Расчет потока тепла в почву обычно производят по формуле 12 за интервалы времени 180 или 360 мин. Функция изменения температуры почвы на поверхности и по глубинам

равна:

 

S = (S0 + S5 + S10 + S15 + S20),

(13)

где So — функция изменения температуры на поверхности почвы; S5, 510, S15, S20 функции изменения температуры почвы по глубинам 5, 10, 15 и 20 см. Эти функции имеют сле- дующий вид:

S0 = 1,64 t0; S5 = 6,66 t5; S10 = 3,50 t10; S15 = 3,12 t 5;

S20 = 0.08 t20. (14—18)

По формуле 12 поток тепла в почву определяется

между сроками наблюдений.

Для нахождения величины А непосредственно в сроки наблюдения вычисляется среднее из потоков за два соседних интервала, примыкающих к данному сроку. Например, для срока 13 ч:

A13 =

A11,5

+ A14,5

(19)

 

2

 

 

 

Расчет теплового потока в почву далеко не исчерпывает определение энергетического баланса почвы. Р. В. Волобуевым, Б. Г. Розановым и другими исследователями отмечено, что почвы связаны с другими компонентами геосистем не только энергетическими, но и суб- станционными связями; поступление энергии в почву происходит не только благодаря потоку лучистой и тепловой энергии Солнца, но и в процессе массообмена, и прежде все- го с гумусом, который представляет собой продукт ассимиляции солнечной энергии.

Геосистемы могут быть описаны энергетическими характеристиками, либо их абсо- лютными значениями (суммарной радиацией, радиационным балансом, затратами тепла на испарение и турбулентный обмен с атмосферой и т. д.), либо относительными. По- следние (LE/R, P/R, LE/P, A/R) принято называть показателями структуры теплового баланса. Оказывается, что при разных абсолютных значениях отдельных членов теплового

баланса показатели их структуры более постоянны и с их помощью могут быть описаны зональные типы ландшафтов. Для территорий бывшего СССР эти характеристики приве- дены в таблице 6.

Т а б л и ц а 6

Показатели структуры теплового баланса зональных типов и подтипов ландшафтов России

 

Тип (подтип) ландшафта

LE/R

P/R

LE/P

1.

Тундровый

0,8–0,85

0,2—0,15

5,0

2.

Северотаежный

0,8

0,2

4,0

3.

Среднетаежный

0,8

0,2

4,0

4.

Южнотаежный

0,75

0,25

3,0

5.

Смешанных лесов

0,72

0,28

2,6

6.

Широколиственных лесов

0,69

0,31

2,1

7.

Лесостепной

0,67

0,33

2,0

8.

Степной

0,55

0,45

1,2

9.

Полупустынный

0,25

0,75

0,3

10. Пустынный

0,13

0,87

0,15

ВОДНЫЙ БАЛАНС

Уравнение водного баланса геосистем с горизонтальными связями имеет следующий

вид:

X1 + X2 + r = Sn – Sb + E + T + Bx + U ± W ± g;

(20)

Z = Sn + H + U,

(21)

где Х1 атмосферные осадки в жидкой фазе, Х2 атмосферные осадки в твердой фазе (снег), r роса, Sn поверхностный сток (весенний), Sb внутрипочвенный сток, U подземный сток, Z — суммарный русловой сток, Е физическое испарение, Т транс- пирация, Вх аккумуляция влаги в годовом приросте биомассы, W изменение влаго- запасов за некоторый интервал времени, g фильтрационный поток воды из геосистемы и поток глубинных напорных вод. (Размерность уравнений 20 и 21 — мм/год, л/с · км2, кг/см2.) Графическая модель водных потоков показана на рисунке 14.

Геофизический анализ движения воды в геосистеме включает рассмотрение осадков в жидкой и твердой фазе, перехват их кронами, метелевый перенос, физическое испарение и транспирацию, фильтрацию в почву, поверхностный, внутрипочвенный и грунтовый сток и т. д.

Одно из важнейших свойств атмосферного увлажнения его временная и про- странственная изменчивость. Так, временная изменчивость годовых осадков в тундровой и лесной зонах составляет 15—20%, в лесостепной и степной 20—30%.

В пространственной изменчивости осадков, поступающих в ПТК и на поверхность почвы, следует выделить два аспекта. Во-первых, она может быть обусловлена разли- чиями в мезорельефе, наличием крупных водохранилищ и озер, лесных массивов. Эта про- странственная дифференциация проявляется на уровне местностей, ландшафтов, провинций. Во-вторых, изменчивость увлажнения конкретных фаций, урочищ определяется геометри- ческими свойствами растительного покрова, компоновкой ярусов, сомкнутостью крон, микро- и мезоэкспозицией склонов по отношению к господствующим направлениям ветра.

Рис. 14. Схема потоков вещества в лесной геосистеме.

Обозначение потоков дано в тексте

Расходная часть уравнения водного баланса характеризует процессы, протекающие в геосистемах. Важнейшие из них суммарное испарение, фильтрация, капиллярный подъем влаги. Расход фильтрационного потока описывается в общем виде линейным за- коном Дарси:

Q = kω

dH

(22)

dl

 

 

где Q — расход потока, k коэффициент фильтрации, ω площадь сечения, dH гра- диент гидростатического напора, dlградиент расстояния (слоя фильтрации).

Остановимся на трех важнейших физических свойствах грунтов и почв, определяю- щих движение влаги в ПТК. Интенсивность впитывания функция их водопроницаемости

колеблется в широких пределах, от 0,2 мм/мин у глин до 1,5—1,8 мм/мин у песков. Другое свойство капиллярность, или капиллярная влагоемкость,— количество во- ды, удерживаемое почвой в капиллярно-подпертом или подвешенном состоянии. Полная

высота капиллярного поднятия воды в песках составляет 0,2—1,0 м, в супесях 0,8—1,2 м, в тяжелых суглинках1,5—3,0 м, в низинных торфяниках 0,8—2,5 м, а в лесах 4,0—5,0 м. Это физическое свойство чрезвычайно важно учитывать в районах орошае- мого земледелия, в зонах подтопления водохранилищ и, особенно в Средней Азии, где развиты лессовые почвы.

Третье важное свойство грунтов, зависящее от их минералогического и гранулометри- ческого состава, — удельная поверхность. Например, среди глинистых минералов выделяют три группы по величине удельной поверхности. Наибольшая у монтмориллонита — 800 м'2/г, наименьшая у каолинита — 10 м2/г; группа гидрослюд занимает промежуточное положение.

Разная удельная поверхность обусловливает неодинаковое количество тесно связанной влаги в грунте и возможность поглощать молекулы воды.

Как показатели структуры теплового баланса, так и отдельные члены водного балан- са и показатели его структуры характеризуются тесной связью с зональными физико- географическими условиями и специфичны для каждого типа и подтипа ландшафта. Важ- нейшие показатели структуры водного баланса коэффициент стока (Z/X) и соотношение

æ S

n

+ S

ö

поверхностного и подземного стока ç

 

 

b

÷ . Их значения для некоторых зональных и

 

 

U

 

è

 

 

ø

подзональных типов ландшафта приведены в таблице 7.

Методы изучения составляющих водного баланса в основном экспериментальные, для че- го организуются в пределах небольших речных бассейнов (площадью 0,1 — 10 км2) стоковые площадки. Массовые данные Гидрометеослужбы страны позволяют определить основные со- ставляющие водного баланса более крупных физико-географических единиц ландшафтов, провинций, подзон и зон.

Б а л а н с о в о е у р а в н е н и е в е щ е с т в а

в геосистемах может быть записано так:

Mx + Mp + Mt = Нп + Hs + Hu

+ Нр + Hδ +Hg,

(23)

где Мх приход вещества с атмосферными осадками, Мр приход вещества с воздушными потоками (турбулентным теплообменом), Мt приход вещества автохтонного происхождения, с современными тектоническими движениями, G — приход (вынос) вещества с подземными во- дами, Нп вынос вещества с поверхностным стоком, Hs вынос вещества с внутрипочвен- ным стоком, Ни вынос вещества с подземным стоком, Нр вынос вещества с воздушными потоками, Hδ вынос вещества с транспирацией, Hg гравитационные (обвально-осыпные) потоки. Важной внутренней составляющей баланса вещества, указывающей на его перераспре- деление внутри геосистемы, является опад. Распределение указанных потоков вещества в гео- системе показано на рисунке 15.

 

Характеристики водного баланса и его структуры

Т а б л и ц а 7

 

 

 

 

(европейская часть страны и Западная Сибирь)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Осадки,

Суммарный

Коэффи-

Соотношение по-

 

Тип (подтип) ландшафта

речной сток,

верхностного и

 

 

мм

циент стока

 

 

 

мм

подземного стока

 

1.

Тундровый

450–600

280–350

0,55

3,5–4,0

 

2.

Северотаежный

600—700

250—300

0,45

2,6

 

3.

Среднетаежный

550—690

150—250

0,36

2,3—2,6

 

4. Южнотаежный

520—650

70—180

0,27

1,6

 

5.

Смешанных и

 

 

 

 

 

и широколиственных лесов

490—600

50—120

0,20

1,6—2,3

 

6.

Степной

450—550

20—50

0,07

2,5

 

7. Полупустынный

250—400

5—15

0,03

 

8

Пустынный

180—250

3–10

0,02

 

 

 

 

 

 

 

 

Изучением составляющих балансового уравнения вещества (а для различных типов геосистем уравнения могут быть записаны и различной детальности и сложности) зани- маются представители многих географических наук, и в рамках настоящей главы не пред- ставляется возможным осветить весь арсенал методов. Перечислим лишь основные. Опре- деление поступления вещества с осадками, в том числе со снегом, метод шпилек, основан- ный на замере уровня поверхности почвы в результате выноса вещества; метод микрони- велирования, фотопрофилирования, метод короткодистанционной стереофотометрической съемки, метод стоковых площадок, оценка интенсивности выноса вещества по заилению не- больших прудов, определение стока взвешенных и влекомых наносов и т. д. Подчеркнем, что методы изучения движения вещества хорошо разработаны в эрозиоведении и охарактери- зованы в учебнике М. Н. Заславского «Эрозиоведение» (М., 1983).

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ПОНЯТИЯ БИОЭНЕРГЕТИКИ ГЕОСИСТЕМ

Понятие об экосистеме как динамическом комплексе соподчиненных, функционально различных групп организмов и абиотических компонентов, связанных процессами обмена веществ в условиях одностороннего притока и рассеивания энергии,— одно из основопола- гающих в биоэнергетике ландшафта. Основным «строителем» экосистемы выступает сквозной поток энергии Солнца, связываемой зелеными растениями благодаря реакции фо- тосинтеза и передающейся затем по цепям питания.

Построением моделей функциональной организации экосистем занимались многие отечественные и зарубежные ученые Г. Г. Винберг, П. П. Второв, Д. А. Кри-волуцкий, Ю. И. Чернов, В. С. Ивлев, Ч. Элтон, Л. Линдеман, Ю. Одум и др. Пирамида основных блоков экосистемы показана на рисунке 15:

I.Продуценты автотрофы, зеленые высшие растения

и водоросли (фитопланк-

тон), усваивающие поток фотосинтетически активной радиации (ФАР).

 

II. Макроконсументы

(животные,

в меньшей степени растения),

питающиеся соз-

данными

органическими

веществами:

а)

макроконсументы I порядка, существующие

за счет продуцентов; это растительноядные животные и

паразиты

зеленых

растений,

которые

при

этом не убивают растение,

а только отчуждают от него некоторое

количе-

ство энергии;

сюда же

входит зоопланктон б) макроконсументы ,11 порядка плотояд-

ные, питающиеся растительноядными животными; это хищники I рода; в) макроконсументы III порядка крупные плотоядные животные, питающиеся плотоядными,— хищники II рода.

Рис. 15. Схема основных энергетических потоков в экосистеме (по Ю. Одуму, 1975)

III. Биоредуценты (микроконсументы) — организмы, осуществляющие разложение (дест- рукцию) органического вещества растений, трупов животных; осуществляют минерализацию органики. Сюда входят бактерии, грибы, актиномицеты, муравьи, черви и т. д.

Ф о т о с и н т е з и е г о ф и з и к о - г е о г р а ф и ч е с к и е факторы. Сущ- ность фотосинтеза заключается в превращении растениями, водорослями лучистой энергии солнечного света, поглощаемой хлорофиллом или другими фотосинтетическими пигментами, в химическую энергию биополимеров углеводов, жиров и белков. Носителем этой энергии яв- ляется аденозинтрифосфорная кислота АТФ. Отечественными и зарубежными учеными (В. А. Белицером, В. П. Скулачевым, В. А. Энгельгардтом, Д. Арноном, К. Ломаном, О. Мей- ергофом и др.) учены механизмы образования АТФ и доказано, что все энергетические

процессы в живых организмах на молекулярном уровне связаны с превращением АТФ в АДФ аденозиндифосфорную кислоту.

Существенную роль в процессе фотосинтеза играют физико-географические факторы: интенсивность потока солнечной радиации ФАР, относительная влажность воздуха и за- пасы продуктивной влаги в почве, температура почвы и воздуха, скорость ветра, положе- ние растения в сообществе, вертикальная структура растительного покрова.

Необходимая для фотосинтеза вода с содержащимися в ней солями подается по во- допроводящей системе растений, называемой ксилемой, а образовавшийся сахар распре- деляется по всем частям растения с помощью другой системы, именуемой флоэмой. Кси- лема и флоэма образуют циркуляторную систему растения.

По Ю. Одуму (1975), следует различать: а) валовую первичную продуктивность ско- рость накопления органического вещества, в том числе идущего на дыхание. Эту величину называют «общей ассимиляцией»; б) чистую первичную продуктивность скорость накоп-

ления органического вещества за вычетом вещества, идущего на дыхание,— «чистая асси- миляция»; в) чистая продуктивность сообщества скорость накопления органического ве- щества за вычетом вещества, потребленного гетеротрофами. Скорости накопления энергии на уровне консументов называют вторичной продуктивностью.

Продукцию выражают в т/га · год, г/см2 · период, ц/га · год. Энергетическая про- дуктивность обычно представляется в ккал/см2 · год или кал/см2 · период. Расчет годовой

энергетической продукции ландшафтов возможен при условии знания э н е р г е т и ч е с к и х э к в и в а л е н т о в р а с т е н и й , их калорийности. Энергетический эквивалент фотосин- теза количество энергии, содержащейся в 1 г сухого органического вещества. Он опреде- ляется при помощи калориметрической «бомбы».

Сухую, первоначально измельченную, а затем спрессованную в таблетку навеску (обычно 2—3 г) помещают в замкнутую камеру, куда подается кислород. Выделяющееся при горении тепло идет на нагрев воды. По разности температур до и после сгорания оп- ределяют величину энергии и ее рассчитывают на 1 г сухого органического вещества. Массовые определения энергетических эквивалентов растений позволяют сделать вы- вод, что теплотворная их способность изменяется от 3,9 до 5,2 ккал/г.

Для того чтобы рассчитать потоки энергии по цепям питания, необходимо знать значения теплотворной способности всех основных групп организмов, образующих экологическую пи- рамиду. В таблице 8 на основе данных М. М. Иваска, Ю. Одума, А. И. Уткина приведены энергетические эквиваленты некоторых растений и групп организмов.

Растения в совокупности представляют собой машину преобразователь энергии. Ко- эффициентом полезного действия растений, или фотосинтеза, выступает отношение энергии, ко- торая заключена в чистой продукции сообщества (F), т. е. в годовом приросте фитомассы, к величине ФАР за год, к величине годового радиационного баланса, к величине, поглощенной сообществом ФАР за год или за вегетационный период:

γ1 =

F

; γ2 =

F

; γ3 =

F

, (24)

ФАР

R

ФАР

 

 

 

 

 

 

 

 

 

погл

 

где γ1, γ2, γ3 различные модификации

КПД фотосинтеза, R годовой радиационный ба-

ланс.

 

 

 

 

 

 

Т а б л и ц а 8

Осредненные энергетические эквиваленты растительности и групп организмов (по Н. И. Базилевич, А. И. Уткину)

Организмы, формации, типы растительности

Ккал/г

 

 

Кустарниковые тундры

5,2

Мохово-лишайниковые тундры

4,3

Альпийские луга

4,5

Бореальные леса

4,8—5,0

Суббореальные леса

4,7

Субтропические леса

4,6

Сухие субтропические кустарниковые сообщества

4,5

Тропические сезонно-влажные леса

4,2

Тропические дождевые леса

4,1

Травянистые формации всех поясов

4,0—4,2

Водоросли

4,6—4,9

Грибы

5,06

Позвоночные в целом

5,6—6,3

Рыбы

5,8

Птицы

7,0

Млекопитающие

5,45

Насекомые

5,4

5,8

Членистоногие

5,46

Черви

 

Экологическая (энергетическая) эффективность геосистем и отдельных блоков экосистем определяется отношением величины усваиваемой энергии на данном трофическом уровне (F2)

к ее величине на предыдущем Понятие экологической эффективности было обосновано английским ученым. Л. Лин-

деманом в 1942 г. Одно из «правил» Л. Линдемана гласит, что величина энергии, ассимили- руемая одним трофическим уровнем с другого, на порядок ниже, чем на предыдущем. Это закон о среднестатистических отношениях функционирования отдельных блоков экоси- стем. В реальных условиях величина передаваемой энергии с одного уровня на другой может составлять от 2—5% до 20%. Отметим, что расчет потоков энергии по цепям питания возмо- жен при определении численности разных групп организмов и их биомассы. Расчеты показыва- ют, что КПД использования ФАР естественным растительным покровом составляет 0,8—2%.

Один из важнейших показателей массо- и энергообмена в геосистемах т р а н с п и - р а ц и о н н ы й коэ ф ф и ц и е н т р а с т е н и й , равный отношению прироста веса сухой массы растения к расходу воды на транспирацию за данный промежуток времени. Он имеет ве- личину 1/200—1/1000. Например, потребление воды для образования 1 г сухого органическо- го вещества равно: у дуба — 344, березы — 317, сосны — 300, лиственницы — 257, ели — 231,

бука — 169.

Помимо так называемого пастбищного потока энергии (взаимоотношение автотрофов и макроконсументов), не менее важен д е т р и т н ы й поток, в котором идет разложение мерт- вого органического вещества. Определяющую роль в детритных цепях играют насекомые, поч- венные беспозвоночные, микроорганизмы, сапрофаги. Ни одна из указанных групп не может осуществить разложение мертвого органического вещества самостоятельно. Промежуточные продукты разложения поглощаются разлагающими организмами, для которых они служат пищей, другие остаются в ландшафте.

ЭКСПЕРИМЕНТ И ПРАКТИКА

Разнообразные виды хозяйственной деятельности человека, оказывая влияние на свойст- ва деятельной поверхности, ведут к непреднамеренному изменению составляющих радиацион- ного, теплового и водного балансов и, в конечном счете, к изменению других свойств ПТК. Известно, что пустыня Раджпутана, расположенная в Индии, образовалась в результате сплошной вырубки лесов. Это привело к тому, что на широте тропических сезонно- влажных муссонных лесов без ощутимых изменений макроклимата и факторов его форми- рования (циркуляционных и радиационных) лесные экосистемы сменились на саванны, а затем образовалась пустыня. Геофизическая интерпретация этого «события» заключается в том, что принципиально изменилась структура теплового баланса. Разрушение экосистемы тропических лесов уничтожило и прежний фитоклимат, на порядок возросло соотношение P/LE, характеризующее степень сухости климата.

Другой пример трансформации ландшафтов. Замечено, что в условиях северной и средней тайги европейской части страны (Республика Коми, Архангельская область, север Вологодской области) в результате сплошной вырубки лесов наблюдается заболачивание территории. В чем же дело? Казалось бы, напротив, после уничтожения древесной расти- тельности температура воздуха в теплый период на опушках и вырубках даже на 1—2 °С выше, чем под пологом леса, а следовательно, может больше испариться влаги.

Для ответа на вопрос, почему происходит заболачивание территории, рассмотрим водный и тепловой балансы до и после вырубки. До вырубки водный баланс таков: осадки

650 мм, сток — 250 мм, физическое испарение — 100 мм, транспирация — 300 мм. После сведения леса (если он сведен на площади в несколько десятков тысяч гектаров) годовое количество осадков может снизиться и составить 620 мм; расходная часть (сток) — 280 мм, физическое испарение — 150 мм, транспирация травянисто-кустарниковой растительности

150 мм. Получается «неувязка» баланса порядка 40 мм, что и предопределяет развитие процесса заболачивания. Значения теплового баланса до и после вырубки представлены в таблице 9.

Т а б л и ц а 9

Составляющие теплового баланса до и после вырубки, ккал/см2 · год

Период

R

LE

Р

F

X

Z

F0

 

/

W

До вырубки

23

24

7,5

0,5

650

250

100

300

 

После вырубки

26,5

18

8,5

0,2

620

280

150

150

 

40

Снижение радиационного баланса на 17% связано с повышением альбедо (ранее был ельник). Снижение затрат тепла на суммарное испарение продиктовано снижением величи- ны транспирируемой влаги, что не компенсируется увеличением на 50 мм физического испарения. Рост затрат тепла на турбулентный теплообмен с атмосферой составляет 1 ккал/см2 · год, что отражается на температуре воздуха, она стала выше на 1—2 °С.

Необходим учет изменения составляющих радиационного и теплового балансов в рай- онах орошаемого земледелия. Орошение в условиях зон сухих степей, полупустыни и пус- тыни приводит к огромному увеличению затрат тепла на испарение, что превышает увели- чение радиационного баланса. По М. И. Будыко (3), для средних летних условий юга Ниж- него Поволжья (полупустынная зона) за счет уменьшения альбедо орошаемой поверх- ности и сумм эффективного излучения величина радиационного баланса возрастает на 40%. Еще больше меняется структура теплового баланса (таблица 10) . Все радиационное тепло идет на испарение за счет резкого снижения затрат тепла на турбулентный тепло- обмен, который может принимать на орошаемом поле отрицательные значения. Снижается поток тепла в почву. В естественных условиях (полупустыня) структура теплового баланса совершенно иная. Затраты тепла на турбулентный теплообмен с атмосферой выступают ве- дущим энергетическим потоком, а в луговой степи «лидерство» переходит к затратам теп- ла на суммарное испарение.

Т а б л и ц а 10

Структура теплового баланса в летний день

Вид поверхности

A/R

Р/К

LE/R

Орошаемое поле (рисовый чек)

0,10

–0,10

1,00

Полынно-солянковая полупустыня

0,15

0,85

0,00

Луговая степь

0,10

0,30

0,60

Следствием этого являются значительные изменения в местном климате территории (см. таблицу 11) . Большую практическую значимость имеет расчет сумм активных темпера- тур воздуха за вегетационный период для районов, где возделывают теплолюбивые куль- туры (рис, хлопчатник, цитрусовые), на северном пределе своего ареала. Между величина- ми радиационного баланса, затратами тепла на турбулентный теплообмен и суммами ак- тивных температур установлена довольно тесная прямолинейная связь. Орошение, глубоко пе- рестраивая тепловые потоки и резко снижая затраты тепла на турбулентный теплообмен, вызывает снижение сумм активных температур воздуха на 250—400 °С и более, и районы, ра- нее находившиеся в зоне достаточного теплообеспечения, после орошения попадают в зону рискованного земледелия.

Т а б л и ц а 11

Влияние орошения на среднюю месячную температуру и абсолютную влажность воздуха. Большой оазис в пустыне – ширина оазиса более 3 км

(на высоте 2 м от поверхности земли)

Метеорологические

 

 

 

Месяцы

 

 

 

элементы

IV

V

VI

VII

VIII

IX

X

XI

Разность температуры, °С

– 0, 6

–1,1

–2,2

–3,1

–2,8

–2,3

–1,7

–0,8

Разность абс. влажности, мб

0,4

1,8

4,2

5,4

5,4

3,6

1,6

0,8

Наиболее трудоемким является построение общих вещественно-энергетических моделей

функционирования природных и антропогенно-природных геосистем. Пример построения такой модели дан в таблице 12.

При близких значениях приходящей суммарной радиации и ФАР, атмосферных осад- ков (в лесу их количество на 10—12% больше, чем на безлесных территориях, за счет боль- шей турбулентности и большего суммарного испарения) наблюдается характерная пере- стройка структуры энергетического и водного балансов. Наиболее энергоемкие лесные геосис- темы поглощают 56% против 26% ФАР, поглощаемой зерновыми посевами; радиационный ба- ланс дубрав (их энергетическая база) на 8 ккал/см2 больше, чем у геосистемы луговой степи и зернового поля.

Существенны и различия в структуре испарения. Годовая транспирация в дубравах со- ставляет 500 мм, а на зерновом поле всего 170 мм, меняется соотношение физического испаре- ния (непродуктивного) — 360 мм на зерновом поле, 245 мм в луговой степи и 135 мм в дубравах. Весьма показателен коэффициент весеннего и годового стока. Весной в дубравах он равен всего 0,02 против 0,40 на сельскохозяйственном поле. Отсюда очень важный вывод: в дубравах запасы влаги в снеге пополняют запасы почвенной влаги, а на зерновом поле 40% осадков стекает с полей, усиливая к тому же эрозию. Энергетическая продукция наиболее высокая у дубрав — 0,64 ккал/см2- год с КПД фотосинтеза по отношению к ФАР 1,42%, а наиболее низкая на зерновом поле — 0,44% с КПД фотосинтеза по отношению к ФАР 0,98. Если же КПД фотосинтеза рассчитать по отношению к ФАРпогл, то наиболее эффективно «работает» зерновое поле — 4,0%, а менее эффективно дубравы (2,6%). В таблице приведен КПД транспирации отношение энергетической продукции к затратам энергии на транспи- рацию. Этот показатель наиболее высок у системы зернового поля.

 

 

 

 

 

 

Т а б л и ц а 12

Геофизические и биоэнергетические характеристики геосистем лесостепи

 

 

Среднерусской возвышенности

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Дубравы на

Луговая степь

Агроландшафт

Геофизическая и энергетическая характеристика

суглинистых

на

черно-

(поле ячменя),

 

черноземных

земных

поч-

черноземные

 

 

 

 

почвах

вах

 

почвы

 

 

 

 

 

 

 

 

Суммарная солнечная

радиация (Qj), ккал/см2 · год

98

98

 

98

 

ФАР ккал/см2 · год

ккал/см2 · год

45

45

 

45

 

Радиационный

баланс,

48 25 0 56

39,4 180 40

40 110 24

 

Поглощенная ФАР, ккал/см2 · год 0 /Oh

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Осадки мм/год

 

 

750

680

 

680

 

Транспирация

мм/год

 

500

300

 

170

 

Физическое испарение мм/год

135

245

 

360

 

 

 

 

 

 

 

 

LE, , ккал/см2 · год

 

37 5

32 1

 

31 2

 

R ккал/см2 · год

 

10 5

7,3

 

9 0

 

LE/R

 

 

0 78

0 81

 

0 78

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Весенний сток

мм

 

5

16

 

53

 

Коэффициент весеннего стока

0 02

0 10

 

0 40

 

Суммарный годовой сток мм

115

135

 

150

 

Коэффициент годового стока

0,15

0,20

 

0,22

 

 

 

 

 

 

 

Продукция органической массы, г/см · год

0,16

0,13

 

0,11

 

Энергетическая продукция, ккал/см2 · год, Е

0 64

0 52

 

0,44

 

КПД фотосинтеза – F/ФАР

1 42

1 15

 

0,98

 

КПД фотосинтеза – F/ФАРпогл

2 6

2 9

 

4,0

 

КПД транспирации- F/LEτ

2,2

2,9

 

4,4

 

Подводя итоги рассмотрения модели лесостепных геосистем, отметим, что в их основе бо-