современные методы географических исследований
.pdfв 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, dl—градиент 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 суглинках— 1,5—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-
