2.3. Тепловые особенности ландшафтов

Радиационный баланс земной поверхности является важнейшей составляющей теплового баланса. Более или менее полное представление о потоках тепла, существующих между поверхностью ландшафта и выше и ниже расположенными его частями, позволяет получить уравнение теплового баланса. Уравнение теплового баланса имеет общий вид:

R = LE + P + А, где

R – радиационный баланс, LЕ – затраты тепла на испарение, P – теплообмен между поверхностью ландшафта и прилегающим воздухом, А – теплообмен между поверхностью ландшафта и нижележащими слоями ландшафта.

В приведенном уравнении учтено не все поступающее и расходуемое тепло, в частности, затраты тепла на фотосинтез и дальнейшую трансформацию в биогенном компоненте ландшафта, затраты тепла на таяние снега, неотраженно и тепло приносимое с осадками и т.д. Поэтому уравнение теплового баланса, как и уравнение водного баланса носит приближенный характер. Уравнение теплового баланса может быть в ряде случаев расширено.

Уравнение теплового баланса деятельного слоя ландшафта (т.е. ее внутреннего пространства в пределах которого осуществляется расхождение радиационного тепла) имеет следующий вид (Дьяконов, 1991):

R = L (E + T) + P ± A_n + F+ B_z − LC, где

R – радиационный баланс, E – физическое испарение, T – транспирация, P – затраты тепла на турбулентный обмен с атмосферой, A_n – поток тепла в почву и из почвы, F – затраты тепла на фотосинтез, B_z – тепловой сток, LC – тепло, выделяющееся при конденсации водяных паров, L – скрытая теплота парообразования. Физическое испарение (Е) и транспирация (Т) составляют суммарное испарение - Е. Размерность уравнения: кДж/м², ккал/см², кал/см²мин. В приведенном уравнении не учтен тепловой поток из глубин Земли к нижней границе геосистем.

Так как в среднем за год верхний слой почвы не охлаждается и не нагревается, то для среднего многолетнего периода теплообмен между почвой и нижележащими слоями равен нулю (А = 0), то и уравнение теплового баланса упрощается до следующего вида: R = LE + P .

Важнейшими расходными составляющими теплового баланса являются затраты тепла на суммарное испарение и турбулентный обмен с атмосферой. Теплопоток в почву за годовой цикл в среднем многолетнем равен 0, в противном случае, если бы он был положительным, то происходило бы разогревание земной поверхности, если бы он был отрицательным, то мы были бы свидетелями формирования многолетней мерзлоты. Отметим, однако, что такие периоды в истории Земли были и, видимо, не однократно, о чем свидетельствует наличие многолетней мерзлоты (реликтовой и современной). Вынос тепла со стоком, затраты на процесс фотосинтеза составляют не более 1-4 % радиационного баланса.

Основной расход тепла на поверхности ландшафта связан с затратами тепла на испарение. В среднем на это идет около 80 % величины радиационного баланса. Испарение осуществляется при наличии влаги и градиента влажности между подстилающей поверхностью и приземным воздухом. Поэтому с изменением градиента меняются и условия испарения. В течение суток величина испарения может быть равна нулю или иметь положительный и отрицательный знаки. Если воздух над данной поверхностью насыщен водяным паром и охлаждается, то из него выпадает часть влаги в виде росы, инея или тумана. При этом будет выделяться тепло в количестве около 0,6 ккал на 1 гр сконденсированной воды. В умеренных и высоких широтах испарение идет в основном днем, но в низких широтах оно возможно и ночью.

Величина испарения с открытой водной поверхности ограничивается наличием тепла, а с поверхности суши – также и наличием влаги. С уменьшением запасов воды в ландшафтах испарение уменьшается и может прекратиться, если вся доступная для испарения влага будет исчерпана.

Одновременно с поверхностью почвы и воды испаряют также и растения. Растения испаряют подаваемую по проводящим сосудам влагу к устьицам листьев. При благоприятных условиях с поверхности листьев испаряется (транспирируется) почти столько же воды, сколько с открытой водной поверхности. Транспирируемая растениями влага может составлять существенную долю в суммарном испарении. Известна большая транспирационная способность многих типов лесов, высокопродуктивных ценозов естественной растительности. С другой стороны, определенные ценозы выработали приспособления для уменьшения транспирации и сохранения влаги. Практически все растительные ассоциации различаются по величине транспирируемой влаги. Таким образом, растительный покров в значительной мере влияет на количество испаряющейся влаги и затраты тепла на испарение.

При больших тепловых ресурсах – высоком значении радиационного баланса – величина испарения обусловлена в основном увлажнением территории. В районах избыточного увлажнения без длительного сухого периода с поверхности почвы и растительностью испаряется почти столько же, сколько с открытой водной поверхности. В тропических широтах, при постоянном наличии тепла, годовой ход испарения определяется годовым ходом осадков, а в умеренных и высоких широтах – также и ходом радиационного баланса. При длительных засушливых периодах, например, в пустынных ландшафтах, испарение может не быть совсем, и затраты тепла на него в такие периоды равны нулю.

Таким образом, затраты тепла на испарение зависят от геофизических свойств литогенной основы ландшафта, ее увлажнения, характера растительного покрова, а также географического положения и состояния атмосферы. В результате всего этого затраты тепла на испарение в ландшафтах и их морфологических частях будут неоднородными как в пространственном, так и во временном отношении. Имеющиеся результаты наблюдений показывают, что морфологические части ландшафта по этому показателю нередко различаются в несколько раз.

В геофизике ландшафта введено понятие максимально возможного испарения – испаряемость (Е₀). Испаряемость – это потенциальное количество влаги, которое теоретически может испариться, если все радиационное тепло будет израсходовано на испарение: Е₀ = R / L. Между испарением и испаряемостью существует связь, проанализированная на примере природных зон.

Отношение испарения к испаряемости (Е/Е₀), как и радиационный индекс сухости М.И. Будыко, выступает репрезентативным геофизическим индикатором физико-географических зон и подзон. Так, соотношение Е/Е₀ для зон и подзон характеризуется следующими величинами пустынная – менее 0,15, полупустынная – 0,1-0,45, степная – 0,3-0,55, лесостепная – 0,55-0,7, широколиственные и смешанные леса – 0,67-0,75, южная тайга – 0,72-0,80, средняя тайга – 0,76-0,85, северная тайга – 0,80-0,85, тундра, крайне северная тайга – 0,85-0,90.

Поверхность ландшафта участвует постоянно в активном тепловом обмене с прилегающими слоями атмосферного воздуха. Последний, будучи прозрачным для солнечных лучей не поглощает их, а нагревается от поверхности ландшафта за счет энергии радиационного баланса.

Количество тепла, идущего на обмен поверхности с воздухом, зависит, в первую очередь, от величины радиационного баланса, увлажнения и затрат тепла на испарение, а также от термического градиента между поверхностью и воздухом, шероховатости поверхности и скорости ветра. Недостаточно увлажненные пустынные ландшафты тропических широт обладают наиболее высокими показателями теплообмена между поверхностью ландшафта и прилегающим воздухом. Так, на нагрев в этих ландшафтах тратится до 80 % радиационного баланса. В умеренных и высоких широтах определенную часть года турбулентный теплообмен направлен от атмосферы к поверхности ландшафта, а на ледниковых покровах такое направление характерно для всего года.

Теплообмен поверхности ландшафта с его нижележащими слоями (литогенной основой) происходит вследствие разницы в температурах. Тепло передается в основном молекулярным теплообменом. Днем от нагретой поверхности часть тепла уходит в почву и грунты, нагревая их. Ночью, в результате охлаждения поверхности за счет теплового излучения, часть отведенного вглубь тепла снова возвращается к поверхности. Если днем тепла поступает больше, чем расходуется ночью, то оставшееся тепло постепенно накапливается и распространяется все глубже и глубже. Когда приход тепла становится меньше расхода, накопленное в литогенной основе ландшафта тепло поступает к поверхности и тратится на испарение и теплообмен с воздухом. Так создается годовой теплообмен поверхности и литогенной основы ландшафта, в котором участвуют до 25 % радиационного баланса. Интенсивность этого теплообмена в каждом конкретном месте зависит от многих причин – количества тепла, поступающего на к поверхности и идущего на ее нагрев, разницы в температурах между поверхностью и нижними слоями, свойств почв и грунтов, в частности, их теплоемкости, теплопроводности, влагонасыщенности, пористости и т.д. Как отмечалось раннее, для всех этих признаков характерна большая территориальная неоднородность, пестрота и частая сменяемость. Поэтому и доля радиационного баланса, идущего на теплообмен с литогенной основой ландшафта и абсолютное выражение этой энергии будут также изменчивы и тесно связаны с морфологическими частями ландшафта. Температура и запас тепла в почвах, сезонное промерзание, оттаивание многомерзлых пород и т.д. являются внешним выражением размаха теплообмена поверхности и литогенной основы.

Таким образом, все составляющие радиационного и теплового балансов, сами балансы и их структура различаются как по крупным территориям, на региональном уровне, так и по небольшим природным комплексам, морфологическим частям ландшафта. При этом различия между небольшими территориями нередко не уступают различиям между крупными регионами. Первопричинами, приводящими к различиям в морфологических частях ландшафта, являются различия его литогенной основы.

Вынос тепла со стоком из ландшафта – величина, находящаяся в пределах точности определения составляющих теплового баланса. Однако в ряде случаев тепловой сток может выступать одним из определяющих факторов формирования ландшафтов , например, в поймах и долинах крупных северных рек (Дьяконов, 1991). Его можно определять по формуле:

B_z = t_c Q ,

где t_c – температура воды за рассматриваемый интервал времени, ⁰С, с – удельная теплоемкость воды, Q – расход воды в г.

Ландшафты могут быть описаны энергетическими характеристиками: либо абсолютными их значениями (суммарной радиацией, радиационным балансом, затратами тепла на испарение и турбулентный обмен, для отдельных сезонов года – величиной потока тепла в почву), либо относительными величинами. Последние (LЕ/R, Р/ R, LЕ/Р) принято называть показателями структуры теплового баланса. Крайние выражения теплового баланса отмечены летом для пустынной зоны, когда R ≈ Р, и весной для тундровой зоны, когда R ≈ LЕ. Наиболее репрезентативным показателем выступает, пожалуй, соотношение LЕ/Р (Дьяконов, 1991). Географическое распределение испарений зависит от энергетических ресурсов (для тундровой и лесной зон) и условий увлажнения (для лесостепной, степной, полупустынной зон). По данным теплобалансовых стационарных наблюдений в районе Игарки и Воркуты, в тундровой зоне в летний период отношение LЕ/R не превышает 54 %. Это связано с плохой водоотдачей распространенных здесь мохово-торфяных комплексов. В лесной зоне отношение LЕ/R в летнее время возрастает до 80 %, уменьшаясь в степной и особенно в пустынной зоне (Дьяконов, 1991).

Специфической особенностью теплового баланса луговых геосистем в период с положительной температурой воздуха выступает повышение теплового потока в почву в области распространения мерзлых пород. Оно может достигать 10-14 % по отношению к R.

Суточный ход составляющих теплового баланса (его структуры) специфичен для каждой зоны (подзоны). Тождественен только суточный ход составляющих теплового баланса.

2.4. Продукционный процесс в ландшафтах

Специфическим направлением изучения ландшафтов является изучение их биоэнергетики. Поскольку большинство ландшафтов обладает достаточно развитой биотой, а биологический круговорот – это один из самых активных и энерговооруженных процессов в ландшафте. В его основе – продукционный процесс, т.е. образование органического вещества первичными продуцентами – зелеными растениями, которые извлекают двуокись углерода из атмосферы, зольные элементы и азот – с водными растворами из почвы. Около половины создаваемого при фотосинтезе органического вещества окисляется до СО₂ при дыхании и возвращается в атмосферу. Оставшаяся фитомасса называется первичной продукцией. Часть ее поступает в трофическую цепочку – потребляется растительноядными животными (фитофагами), следующий трофический уровень представлен плотоядными животными (зоофагами).

Основная часть фитомассы после отмирания разрушается животными-сапрофагами, бактериями, грибами, актиномицетами. В конечном счете мертвые органические остатки минерализуются микроорганизмами. Конечные продукты минерализации возвращаются в атмосферу (СО₂ и другие летучие соединения) и в почву (зольные элементы, азот). Процессы созидания и разрушения биомассы не всегда сбалансированы – часть ее в среднем менее 1 % может выпадать из круговорота на более или менее длительное время и аккумулироваться в почве (в виде гумуса) и в осадочных породах.

Биологический метаболизм характеризуется многочисленными показателями. Важнейшими из них являются запасы фитомассы и величина годовой первичной продукции, а также количество опада и аккумулируемого мертвого органического вещества.

Продуктивность биоты определяется как географическими факторами, так и биологическими особенности разных видов. Наибольшие запасы фитомассы характерны для лесной растительности, эдификаторы которой способны накапливать живое вещество в течение многих десятилетий и даже столетий. Максимальные запасы присущи лесам из долгоживущей секвойи вечнозеленой. Однако при наличии отдельных специфических видов, составляющих исключения, общая закономерность состоит в том, что у аналогичных жизненных форм (древесных, травянистых и др.) запасы биомассы тем больше, чем выше теплообеспеченность и чем ближе к оптимуму соотношение тепла и влаги.

В величине ежегодной биологической продукции региональные и локальные географические закономерности проявляются более четко. При достаточном количестве влаги продуктивность возрастает от высоких широт к низким в соответствии с ростом энергообеспеченности. В одинаковых термических условиях наибольшая продуктивность наблюдается при оптимальном соотношении тепла и влаги. В сравнимых (плакорных) местоположениях максимальная биологическая продуктивность присуща экваториальным ландшафтам (30-40 т/га), заметно меньше она во влажных лесных субтропиках (24 т/га). Среди суббореальных ландшафтов наибольшей продуктивностью выделяются луговые степи (19т/га), им несколько уступают широколиственные леса. Самая низкая продуктивность присущая ландшафтам с резким дефицитом тепла (полярным: 0,2 т/га) и влаги (пустынным: 1,2 т/га).

Отношение первичной продуктивности к запасам фитомассы наивысшее в травянистых сообществах, у которых нет многолетних надземных органов (в луговых степях до 1,4 : 1), наинизшее - в лесных (0,003 – 0,006 : 1).

Значительная часть ежегодной продукции отмирает и разрушается – попадает в деструкционный цикл, меньшая часть закрепляется в приросте. Отмершее органическое вещество, как правило, не полностью минерализуется, аккумулируясь в разном количестве и в разных формах в ландшафте. Скорость разрушения органической массы растет с увеличение притока солнечного тепла. При недостатке тепла ежегодный опад не успевает разрушаться и в ландшафте накапливается избыточная мортмасса. В экстрааридных ландшафтах с их высоким энергетическим потенциалом и незначительной продуктивностью интенсивность деструкции намного превышает продуцирование биомассы, и накопление мертвого органического вещества практически отсутствует. Продукционные и деструкционные процессы наиболее сбалансированы в условиях, близких к оптимуму по соотношению тепла и влаги. С увеличением теплообеспеченности основная часть органических остатков переходит в почвенный гумус. В луговых черноземных степях его запасы достигают 600-1000 т/га, в почвах широколиственных лесов – около 300, тогда как в таежных – около 100, а в тундровых – около 70 т/га. В тундре и тайге в составе мортмассы преобладают неразложившиеся органические остатки –в основном подстилка, а также сухостой, валежник, мертвые корни. Запасы подстилки в этих зонах достигают 40-50 т/га; в широколиственных лесах они сокращаются до 10-15, а в экваториальных – до 2 т/га. В степях наземная мортмасса представлена растительной ветошью (4-10 т/га).

Мертвое органическое вещество и запас биомассы в органах растений служат важным резервом питательных веществ, обеспечивающим устойчивость биоты к колебаниям внешней среды и позволяющим поддерживать биологический метаболизм в условиях интенсивного абиогенного выноса элементов зольного и азотного питания. Лесная растительность, как известно, существует в условиях избыточного увлажнения и интенсивного стока, ведущего к безвозвратной потере элементов питания. Лесные почвы относительно бедны этими элементами. В такой обстановке запас элементов-органогеннов в живом веществе и в мощной подстилке, прочно удерживающей необходимые элементы питания, обеспечивает определенную автономность (высокую замкнутость) биологического круговорота.

В степях, где растительность не способна аккумулировать запасы живой фитомассы, а опад быстро разрушается, резерв минерального питания сосредоточен в почвенном гумусе.

Одним из показателей скорости трансформации органического вещества может служить отношение годичной первичной продукции к запасам мертвых растительных остатков (без почвенного гумуса) – в тундре – 0,02, в лесах – 0,15, в луговых степях – 0,9, в пустынях –25 и более.

С величиной биологической продуктивности непосредственно связана емкость биологического круговорота веществ. Хотя количество вовлекаемого в оборот минерального вещества зависит от биологических особенностей различных видов, размещение этих видов подчинено географическим закономерностям. Так, хвойные деревья ассимилируют меньше зольных элементов и азота, чем лиственные, а последние – меньше, чем травянистая растительность. Растения аридных областей используют для создания органической массы больше химических элементов, чем растения гумидных областей. Наименьшая зольность у мхов (2 - 4 % от сухого вещества), наибольшая – у галофитов (до 25 %). Зольность хвои и листьев деревьев – 3 - 4 %, древесины хвойных – 0,4, лиственных – 0,5 %, злаков – 6 – 10 %.

Сочетание всех факторов приводит к тому, что самая низкая емкость биологического круговорота свойственна полярным и тундровым ландшафтам, хотя продуктивность у них выше, чем в пустынях. В бореальных и особенно суббореальных лесах в оборот вовлекается значительно больше зольных элементов и азота, но максимальная емкость круговорота среди плакорных суббореальных сообществ присуща луговым степям. На первом месте в зональном ряду по количеству вовлекаемого в круговорот минерального вещества стоят влажные экваториальные леса.

До сих пор речь шла о минеральном обмене растительности с почвой, однако основная часть живого вещества строится из элементов, которые ассимилируются в результате газообмена растений с атмосферой. Важную роль играет углеродный обмен, с которым связаны биогенная трансформация солнечной энергии, баланс СО₂ в ландшафтах и ее дальнейшая миграция, отчего, в частности, зависят характер обменных процессов в поглощающем комплексе почв, химизм речного стока и т.д.

Количество ассимилируемого углерода в десятки раз превышает величину потребляемых зольных элементов и азота. Ежегодное потребление СО₂ тундровой растительностью составляет около 10 т/га, южнотаежными и широколиственными лесами – около 35, луговыми степями – около 50, влажными экваториальными лесами – около 130 т/га. В большинстве сообществ (особенно лесных) свыше половины ассимилируемого углерода возвращается в атмосферу при дыхании организмов (в основном растений, а также микроорганизмов; доля животных составляет 1 – 3 %). Остальная часть содержащегося в ежегодной продукции углерода высвобождается при разложении органических остатков и также возвращается в атмосферу в виде СО₂. Относительно небольшое количество растворяется в воде, образуя угольную кислоту, которая диссоциируется на ионы НСО₃^- и Н⁺. В среднем поглощение и выделение углерода балансируется в годовом цикле, но небольшая его доля (менее 1 %) выводится из биологического круговорота – аккумулируется в почве, выносится со стоком.

Связывание СО₂ в процессе фотосинтеза сопровождается выделением свободного кислорода. При дыхании и разложении органических остатков кислород потребляется на окисление органических веществ до СО₂. Но поскольку часть мертвой органической массы выпадает из деструкционного цикла, поступление кислорода в атмосферу в результате биологического метаболизма превышает его потребление. Согласно Н.И. Базылевич, это превышение составляет в дубравах 6,16 т/га/год, в южнотаежных ельниках – 3,7, в тундре – 0,44 т/га/год. В луговой степи синтез и разложение сбалансированы и биологический обмен не влияет на кислородный баланс. Если исключить накопление биомассы в приросте и учитывать только необратимые потери органического вещества (его внешние выходные потоки – со стоком и ветром), то на первом месте в пределах СНГ по накоплению кислорода будут ельники, затем тундра а вклад дубрав и луговых степей ничтожен.

Все изложенные закономерности основаны на достаточно широких региональных сравнениях по материалам для плакорных местоположений и соответствующих им сообществ. Между тем в характере биологического круговорота и продуцировании биомассы наблюдаются существенные внутриландшафтные различия между плакорными (автономными, элювиальными) и подчиненными (аккумулятивными, преимущественно гидроморфными) фациями. При недостаточном атмосферном увлажнении и высокой теплообеспеченности перераспределение влаги в ландшафте обусловливает большую контрастность в интенсивности биологического круговорота и продуцировании биомассы по местоположениям. В гидроморфных местоположениях, как правило, наблюдаются наиболее высокие показатели. Так, в гривисто-ложбинном лесостепном ландшафте Барабинской степи плакорные лугово-степные фации плоских вершин грив на обыкновенных черноземах продуцируют ежегодно 19 т/га фитомассы, а травяные болота межгривных депрессий на торфяно-болотной слабосолончаковой почве – свыше 60 т/га. Первые потребляют на создание фитомассы 1761 кг/га/год зольных элементов и азота, а вторые – 3831 (Базилевич, Титлянова, 1978).

Резко выражена внутриландшафтная контрастность в указанном отношении в пустынях, где участки с ничтожной продуктивностью (такыры, солончаки) сочетаются с травяными тугаями (заросли тростника, рогоза и др.), дающими почти до 100 т/га первичной продукции.

В условиях избыточного атмосферного увлажнения и низкой теплообеспеченности дополнительное количество влаги за счет внутриландшафтного перераспределения атмосферных осадков мало влияет на биологическую продуктивность или даже косвенно ведет к ее снижению, поскольку переувлажнение ухудшает термический режим и аэрацию. По этим причинам в тундре заболоченные понижения отличаются наиболее замедленным биогенным оборотом веществ и пониженной продуктивностью. С другой стороны, плакорные повышения сильнее подвержены воздействию ветра, сдуванию снега и выхолаживанию. Самыми благоприятными оказываются трансэлювиальные склоновые местоположения, где наблюдается наибольшая для тундры биологическая продуктивность.

В тайге и широколиственных лесах внутриландшафтные различия продуктивности и интенсивности биогенного круговорота относительно невелики. В наилучших условиях находятся более теплые и дренированные местоположения, а в наихудших - болота, дающие всего 2 – 4 т/га первичной продукции в год.

Степень замкнутости биологического круговорота также различна для автономных и подчиненных фаций. Первые в целом характеризуются высокой замкнутостью круговорота, т.е. незначительным участием внешних потоков органического вещества по сравнению с внутренними. Приток вещества извне (с атмосферными осадками, пылью), как правило, невелик. Потеря его (со стоком, ветровым выносом) чаще превышает приток, но в разных зональных типах ландшафтов соотношения могут существенно дифференцироваться. По расчетам Н.И. Базилевич, в тундре входные потоки органического вещества составляют всего 0,2 % от величины ежегодной первичной продукции, а выходные достигают около 4 %, так что баланс вещества отрицательный и потеря его составляет 3,4 % от ежегодной продукции. В южнотаежных ельниках вынос превышает привнос извне, т.е. составляет 2 % от первичной продукции. В дубравах входные и выходные потоки почти сбалансированы, а в луговой степи первые даже несколько превышают вторые, так что положительное сальдо баланса составляет около 0,4 % от первичной продукции. В белосаксаульниках потери органического вещества составляют около 10 % первичной продукции (главным образом потери органического вещества из-за выдувания).