Геофизика ландшафта

Основные вопросы, рассматриваемые на лекции:

1. Определение геофизики ландшафта как науки.

2. Пространство и время как ландшафтно-геофизические характеристики ПТК.

3. Вертикальные и горизонтальные границы природно-территориальных комплексов.

4. Пространственные свойства ПТК

5. Природно-территориальные комплексы и время их существования

6. Анализ и синтез временных изменений характеристик ПТК

7. Основные источники энергии природных процессов в ландшафте

8. Радиационный баланс земной поверхности.

9. Водный баланс и водные режимы геосистем.

10. Уравнение связи водного и теплового балансов

11. Энергетическая продуктивность. Физико-географические факторы фотосинтеза

12. КПД фотосинтеза на локальном и региональном уровнях

13. Энергетические и биоэнергетические характеристики основных типов ландшафта

14. Физическая основа аэрокосмических методов

15. Физико-географические ландшафтно-геофизические модели геосистем

1. Определение геофизики ландшафта как науки. В самом общем плане геофизику ландшафта следует опреде­лить как раздел ландшафтоведения, в котором изучаются наиболее общие физические свойства, процессы и явления, характерные для природно-территориальных комплексов. При этом ПТК рассматриваются как системы, состоящие из элемен­тарных структурно-функциональных частей и элементарных процессов функционирования, объединяющихся в более сложные образования, которые в геофизике ландшафтов исследуются через призму их физических свойств и характеристик.

Предметом геофизики ландшафта являются именно эти общие физические свойства, процессы и явления в ПТК, элементарные части ПТК и элементарные процессы, а также геогоризонты и другие образования, которые возникают в результате синтеза этих частей и процессов в пространстве и времени.

К основным задачам геофизики ландшафта относится уста­новление, с одной стороны, закономерностей и особенностей взаимосвязи физических свойств, процессов и явлений в ПТК, а с другой—их связи с другими характеристиками ПТК. К по­следним относятся как раз характеристики, которые изучаются в отраслевых дисциплинах — геоморфологии, фитоценологии, почвоведении и других — и которые являются специфичными именно для данного компонента. Например, видовой состав растительности, рН, тип гумуса и многое другое.

Ландшафтно-геофизический подход позволяет сравнительно легко, без длительных и дорогостоящих наблюдений выявить со­стояния ПТК и изучить особенности их динамики. Это важно, с одной стороны, для контроля, мониторинга состояния природной среды, а с другой — для рационального природопользова­ния.

Почему рассматриваемый предмет называется геофизикой, а не физикой ландшафтов. Приставка «гео» подчеркивает, что речь идет не о наиболее общих свойствах природы вооб­ще, а об общих свойствах географической оболочки.

Термин «геофизика ландшафта» был предложен Д. Л. Армандом в 1964 г. Эту дисциплину Д. Л. Арманд рассматривал как «уче­ние о физическом взаимодействии компонентов, т. е. учение о взаимодействии компонентов ландшафта, анализируемом на уровне и методами современной физики». Основную задачу этого предмета Д. Л. Арманд видит в изучении обмена ве­ществом и энергией между составляющими природу компонен­тами.

ландшафтоведение — наука о природно-территориальных комплексах.

Под природно- территориальным комплексом (ПТК) обычно понимается закономерное сочетание природных, географических компонентов (земной коры, рельефа, воды, воздушных масс, сообществ живых организмов), образующих целостную матери­альную систему — комплекс.

Природно-территориальные комплексы бывают разных ран­гов. Элементарные ПТК называются фациями. На всем протя­жении фации сохраняется одинаковая литология поверх­ностных пород, одинаковый характер рельефа и увлаж­нения, один микроклимат, одна почвенная разность и один биоценоз. Фации объединяются в более крупные морфологичес­кие единицы — урочища, местности. Они, в свою очередь, обра­зуют ландшафты — генетически однородные природно-территориальные комплексы, имеющие одинаковый геологический фундамент, один тип рельефа, одинаковый климат и состо­ящий из свойственного только данному ландшафту набора динамически сопряженных и закономерно повторяющихся в пространстве основных и второстепенных урочищ (Н. А. Солн­цев, 1962).

Компоненты, из которых состоят природно-территориальные комплексы, изучаются в соответствующих дисциплинах: рель­еф — в геоморфологии; воздушные массы и их состояния — в метеорологии и климатологии, растительные сообщества — в фитоценологии и т. д.

Общими для всех компонентов ПТК являются наиболее простейшие физические и химические свойства. Из физических свойств следует отметить массу, внутреннюю энергию, прост­ранственные и временные характеристики, оптические, радио­физические и многие другие свойства, изучаемые физикой.

Для детального рассмотрения физических свойств и процессов, протекающих в природно-территориальных комп­лексах требуется расчленение ПТК и его компонентов на элементарные структурно-функцио­нальные части, которые характеризовались бы однород­ностью в отношении физических свойств и процессов. Из этих частиц, как из «кирпичиков», можно сложить природно-территориальные комплексы и объяснить особенности его струк­туры.

Одним из важнейших понятий современного ландшафтоведения является функционирование — совокупность процессов обмена веществом и трансформации энергии в природно-терри­ториальных комплексах. Для того чтобы раскрыть физическую сущность (физические аспекты) этих процессов, необходимо их подразделить на ряд элементарных в физическом отношении процессов. Элементарные структурно-функциональные части и процессы функционирования объединяются в более крупные образования — геогоризонты, вертикальные структуры, состо­яния элементарных ПТК, которые при последующем синтезе формируют сложнейшую природную систему — ландшафт. Все эти образования характеризуются определенными физическими свойствами и процессами.

2. Пространство и время как ландшафтно-геофизические характеристики ПТК. Наряду с массой и энергией важнейшими понятиями современной физики являются пространство и время. Эти категории рассматриваются как реальные физические величины, находя­щиеся в тесной взаимосвязи и являющиеся свойствами самого объекта или явления.

Таким образом, пространство и время природно-территориальных комплексов — это их важнейшие физические свойства, которые необходимо исследовать самым тщательным образом.

3. Вертикальные и горизонтальные границы природно-территориальных комплексов. Пространство природно-территориального комплекса оконтуривается его горизонтальными (точнее — территориальными) и вертикальными границами.

В географии вопрос границ особенно актуален. Так, Б. Б. Родоман по функциональным признакам различает дивергентные, конвергент­ные, градиентные и процессные границы.

К дивергентным относятся границы, разделяющие потоки (воды, воздуха, минерального вещества и т. д.) и направляющие их в разные стороны. Они соответствуют водоразделам, гребням, осевым зонам максимумов атмосферного давления, другим обра­зованиям. Конвергентные границы, напротив, располагаются там, где сходятся потоки, происходит их конвергенция. К ним отно­сятся тальвеги, ложбины, осевые зоны минимумов атмосферного давления и др. Градиентные границы соответствуют зонам наи­большего изменения параметров, т. е. наибольшему градиенту.

Как градиентные можно рассматривать границы между лесной и травянистой растительностью, береговую линию и т. д. Процессные границы фиксируют смену процесса, например пере­ход от зоны преимущественно плоскостного смыва к зоне линей­ной эрозии. В каждом конкретном случае природно-территориальные комплексы имеют границы, которые можно отнести к кон­вергентным, дивергентным, градиентным или процессным.

По характеру выраженности границ выделяются следующие виды:

1. Четкие, если ширина переходной полосы намного меньше, чем протяженность ПТК.

2. Постепенные, если ширина переходной полосы соизмерима с протяженностью ПТК.

3. Экотоны — переходные полосы с постепенным переходом от одного ПТК к другому, когда точно установить местоположение границы разных ПТК крайне трудно.

В ландшафтоведении границы анализируются и с точки зрения их формы. Различают прямые, волнистые, пилообразные, зубча­тые, дендритные и другие границы. Как форма, так и выраженность (четкость) границ являются важным свойством самого природно-территориального комплекса.

Наиболее четко границы природно-территориальных комп­лексов выражены в приповерхностном слое, выше и ниже кото­рого различия по горизонтали между разными ПТК уменьшают­ся. Вместе с тем становятся более неопределенными и верти­кальные (верхние и нижние) границы ПТК более крупных таксономических рангов.

А. Ю. Ретеюм (1966) считает, что верхняя граница биогеоценоза чрезвычайно непостоянна и зависит от типа биоло­гического круговорота, радиационного баланса поверхности, ее шероховатости и метеорологических условий. У биогеоценоза с травяной растительностью она расположена на высоте от несколь­ких десятков сантиметров до нескольких метров. В лесных биогеоценозах эта же граница проходит на высоте нескольких десят­ков метров. Верхний ярус урочищ — приземный, или, как его иногда называют, квазистационарный слой воздуха. Поэтому высота верхней границы урочища колеблется от нескольких десят­ков метров до нескольких сотен. Ландшафт благодаря своим размерам обладает гораздо более мощным ярусом и охватывает пограничный слой атмосферы. Колебания высоты верхней гра­ницы лежат в пределах 0,8—2,0 км.

К. Н. Дьяконов (1971) для условий лесотундры считает, что верхняя граница ПТК должна выделяться по тому уровню, на котором исчезают горизонтальные различия между геосистемами. Поэтому в фациях с березовыми лесами (более точно — редко­лесьем) верхняя граница проходит на высоте 4—5 м.

Верхняя граница проявления внутриурочищных связей нахо­дится на высоте 7—9 м, и поэтому граница ПТК этого ранга проходит на этой высоте. Для определения нижней границы Дья­конов выбирает положение изотермы 0° (т. е. слоя мерзлоты в лесотундре). Различия между фациями наблюдаются до глу­бины 2 м, а урочищами до 4 м. К. Н. Дьяконов утверждает, что верхние и нижние границы отдельных компонентов, образующих ландшафт, одновременно являются границами проявления внутриландшафтных связей.

Противоположную А. Ю. Ретеюму и К. Н. Дьяконову точку зрения высказывает А. Г. Исаченко (1965), который пишет, что многие атмосферные явления (например, облачность, осадки и др.) независимо от того, на какой высоте они формируются, характеризуют в равной степени и зоны, и провинции, и ланд­ша545фты. Поэтому чисто теоретическое предположение, что с увели­чением таксономического ранга геокомплекса возрастает его верх­ний предел в атмосфере, неверно.

Нижняяграница

Ландшафтоведам хорошо известно, что горизонтальные гра­ницы ПТК хотя и являются комплексными, но в одних случаях хорошо дешифрируются по рельефу, в других — по растительно­сти или другим физиономическим (видимым) компонентам. Ана­логично, в основе выделения вертикальных границ могут нахо­диться то одни, то другие факторы. Искусство выявления природ­но-территориальных комплексов заключается именно в умении обнаружить и объяснить основные факторы дифференциации пространства.

В настоящее время господствует точка зрения, согласно ко­торой выдел (площадное распространение) биогеоценоза в подавляющем большинстве случаев соответствует выделу фации (Н. А. Солнцев, 1962; В. Б. Сочава, 1978). По определению, биогеоценоз — это биоценоз в совокупности с внешней средой, в значительной степени преобразованной этим ценозом. Эта сре­да в подземной части биогеоценоза соответствует почве, и, следовательно, нижняя граница должна соответствовать нижней границе почвы. Вопрос об этой границе до сих пор является дискуссионным. Однако наиболее оправданно проводить эту границу так, как это делает М. А. Глазовская, т. е. по нижней границе распространения основной (более 99%) массы корней.

Существуют простые и сложные случаи выделения нижних границ фаций. При первых границы проводят по контакту двух разных коренных пород, границе коренных и аккумулятивных пород или мощных кор выветривания, по слою вечной мерзлоты или уровню грунтовых вод.

Несколько «простых» случаев по­казано на рис. 1.

Рисунок 12.1 – Различные примеры положения нижней границы природно-территориальных комплексов («простые случаи»):

а — по контакту двух различных пород, б — по контакту коренной по­роды с аллювиальными, пролювиальньши и другими аккумулятивными породами, в — по уровню грунтовых вод; / — почва, 2 — аккумулятив­ные отложения, 3 — грунтовые воды, 4 — песчаники, 5 — известняки, 6— нижняя граница фации

1. Граница фации проходит по границе двух различных ко­ренных горных пород (например, песчаников и известняков; рис. 12.1, а).

2. Граница фации проходит по границе коренной горной породы (известняка, песчаника, гранита и т. д.) с породами аккумулятивного происхождения (аллювием, пролювием, коллювием и др.; рис. 12.1, б).

3. Граница фации проходит по уровню грунтовых вод. При этом имеется в виду наиболее глубокий в течение года уровень, а не сезонные колебания (рис. 12.1, в).

Во всех этих случаях граница хорошо выражена и связана либо со сменой геологического строения, либо с уровнем грунто­вых вод или же слоем вечной мерзлоты.

Однако простые случаи встречаются редко и приходится рассчитывать уровень, на котором затухают годичные колебания температур, и границу так называемого нейтрального слоя принимать за нижнюю границу фации. Но и этот подход неприемлем для ряда ПТК, в которых приходится искать границу на основании специфичных для них признаков. Особенно сложно выявлять положение нижней границы для более крупных морфологических частей и ландшафта в целом. На рис. 12.2 рассмотрены два таких случая. В первом (рис. 12.2, а) мощ­ность подстилающих однородных горных пород очень велика. Например, в карстовых районах Асхи и Арабика в Западной Грузии мощность относительно однородных известняков дости­гает 2000 м. Где провести нижнюю границу фации с субаль­пийскими бобово-разнотравными лугами, имеющими площадь в несколько квадратных метров? На уровне контакта карбонатных пород с другими породами? Но в этом случае фация получится в виде столба или даже иглы высотой 2000 м, а длиной и ши­риной — несколько метров. О каком соответствии размерностей горизонтальных и вертикальных границ может идти речь, если высота фации превышает ее длину почти на три порядка, т. е. в 1000 раз! Таким образом, проведение границы по контакту карбонатных и других пород в этом случае малооправдано.

Рисунок 12.2 – Сложные случаи определения положения нижней границы фации.

Рассмотрим другой случай. Фация подстилается не одной горной породой, а их чередованием (рис. 12, б). Например, чередованием глинистых сланцев и песчаников. Где провести в этом случае границу? По контакту сланцев и песчаников? А если этот контакт расположен очень близко к поверхности почвы? Ведь тогда в те процессы, которые протекают в фации, будут вовлекаться обе породы.

Иногда нижнюю границу следует проводить по слою постоянных температур в течение года. Имен­но до этого слоя проникает действие солнечной радиации за годичный промежуток времени. Горные породы и почва, находя­щиеся выше слоя постоянных температур, влияют на микрокли­матические процессы, протекающие в надземной части фации. В то же время положение этого слоя является важным свойством как литогенной основы, так и остальных компонентов ПТК. Это связано с тем, что плотность, влажность и химический состав горных пород определяют температуропроводность. А количество фитомассы и такие «внешние факторы», как солнечная радиация, атмосферная циркуляция и т. д., влияют на амплитуду темпера­туры поверхности почвы.

На рис. 3 приведен график, при помощи которого на основе данных по амплитуде температур и коэффициента температуро­проводности можно рассчитать глубину положения нижней гра­ницы фации. Для этого надо восстановить перпендикуляр от зна­чения амплитуды температуры на поверхности почвы (отложен­ной на оси абсцисс) до пересечения с линией коэффициента тем­пературопроводности и оттуда вновь восстановить перпендикуляр на ось ординат, по которой можно отсчитать искомую глубину положения нижней границы фации. Например, если амплитуда температур равна 20° С, коэффициент температуропроводности 0,010 см2/с (10 10^-3 см²/с), то глубина положения нейтрального слоя равна 17—18 м.

Из данных рисунка видно, что амплитуда температуры на поверхности почвы играет существенную роль лишь до значения 10—15° С. При больших величинах основная роль принадлежит коэффициенту температуропроводности. Коэффициент темпера­туропроводности изменяется в довольно широких пределах в зависимости от агрегатного, химического состава вещества, а также физических свойств.

Рисунок 12.3. – Изменение положения нижней границы фации (H) в за­висимости от амплитуды температур на поверхности почвы и коэффициента температуропроводности [K 10^-3, см2/с]

В не менее широких пределах изменяется амплитуда темпе­ратуры на поверхности почвы.

В ряде природно-территориальных комплексов критерий глу­бины нижней границы фаций — уровень, на котором затухают колебания температуры,— неприемлем, так как не является опре­деляющим для процессов функционирования ПТК. Например, в экваториальных ландшафтах, где амплитуда температуры воз­духа и почвы ничтожна, а глубина проникновения активного биологического, геохимического и других воздействий значитель­но больше, чем глубина «нейтрального» слоя. В этих случаях нижнюю границу фации необходимо проводить по глубине про­никновения этих воздействий.

Следующей морфологической единицей ландшафта является урочище. По определению Н. А. Солнцева (1964), это закономер­но построенная система генетически, динамически и территори­ально связанных фаций; обычно урочище формируется на основе какой-либо формы, мезорельефа.

Так как урочище представляет собой систему фации, то, естественно, его нижняя граница не может пройти выше, чем нижняя граница наиболее низко расположенной фации. Кроме того в урочище должны войти те горные породы, через которые осуществляется связь фаций данного урочища путем миграции вещества. На рис. 12.4 приведены примеры некоторых урочищ и показаны их нижние границы.

Как видно из рисунка, урочище включает в себя всю мезоформу рельефа, в том числе и те части, которые не входят в отдельные фации, но через которые осуществляются миграци­онные связи, обусловливающие единство урочища. Второй при­мер характерен для горных территорий, когда урочище занимает часть элемента мезоформы рельефа, однородную в миграционном отношении. И в этом случае имеются участки, которые не входят в отдельные фации, но входят в урочище.

Рисунок 4. – Примеры положения нижних границ некоторых урочищ равнинных территории:

а, б, в, г, д, е, ж — фации; /, //, /// —урочища; 1 — нижняя граница фации; 2 — нижняя граница урочищ; 3 — участки урочища, не входящие в составляющие его фации; стрелки — основные миграционные потоки; пунктирные линии — границы фаций по горизонтали

Особенно сложно определить нижнюю границу ландшафта. Так как ландшафт является набором урочищ, дифференциация которых, по определению (Солнцев Н. А., 1962), связана в основ­ном с рельефом, то нижняя граница ландшафта не должна пересекать границы входящих в него урочищ. Поэтому в ряде случаев целесообразным считается проведение границы ланд­шафта по нижней границе самого низкорасположенного урочи­ща.

Кроме того, важно то, что в ландшафт должны войти все участки земной коры, которые вовлечены в миграционные связи в данном ландшафте, т. е. те участки, которые находятся в пределах геохимического сопряжения и объединяются в единое целое функциональными процессами, протекающими в ландшаф­те.

На рис. 12.5 приведено два примера проведения нижней границы ландшафта. Первый соответствует равнинным услови­ям, а второй — горным, где в пределах одной макроформы выде­ляется три разных ландшафта, так как горное сооружение благодаря своей высоте находится в трех разных высотных поясах, сильно отличающихся друг от друга как в климатиче­ском, так и почвенно-растительном отношении.

ВС

Рисунок 12.5 – Нижняя граница ландшафтов равнинных (а) и горных (б):

/ — границы урочищ, 2 — границы ландшафтов, 3 — участки литогенной осно­вы, не вошедшие в отдельные урочища, 4 — миграционные связи; ВС — верхне-горно-субальпииские, СЛ — среднегорно-лесные; НЛ — нижнегорно-лесные ландшафты

Верхняя граница фации проводится по тому слою, до которого еще чувствуется влияние конкретной фации на значения метеорологических элементов (большие градиенты изменения по вертикали температуры, влажности, скорости ветра, которые на один порядок превышают градиенты этих параметров в нижнем слое тропосферы). Для ориентировочного определения верхней границы необходимо провести специальные градиентные наблю­дения в разные сезоны года и провести границу фации по наиболее высоко расположенному слою. Еще более сложен воп­рос о местоположении верхних границ урочища и ландшафта. Следует подчеркнуть условность верхней границы ПТК. Природно-территориальные комплексы являются как бы «открытыми сверху», так как именно сверху поступает основная часть энер­гии и значительная часть веществ, необходимых для поддержа­ния функционирования ПТК.

Определение верхней границы природно-территориальных комплексов вызывает значительные затруднения, так как она непостоянна и быстро меняется в зависимости от погодных условий и состояния разных компонентов ПТК. Исключение составляет верхняя граница биогеоценоза, которая определяется высотой верхушек наиболее высоких растений. Это связано с тем, что, по определению, биогеоценозом является биоценоз и в зна­чительной мере преобразованная им внешняя среда. Наиболее заметно преобразуется внешняя среда (в данном случае воздуш­ные массы) именно в слое растительного покрова, поэтому логично проводить верхнюю границу биогеоценоза по верхушкам самых высоких растений.

При определении верхней границы фации в первую очередь необходимо исследовать свойства воздушных масс. Для призем­ного слоя воздуха характерно наличие целого ряда специфиче­ских процессов — резкие суточные колебания, непериодические изменения метеорологических элементов, определенное содер­жание микрофлоры, фауны, минеральных частиц и т. д. В зави­симости от различных микрометеорологических и фитометрических условий растительного покрова выделяют три весьма услов­ных качественных аэродинамических слоя:

1. Смешанный слой турбулентности внутри растительного полога, находящийся вблизи поверхности почвы и испытываю­щий значительное влияние последней.

2. Турбулентный слой внутри растительного покрова.

3. Слой турбулентной атмосферы, непосредственно прилега­ющий к верхней границе растительности. В этом слое еще чувст­вуется влияние конкретной фации на характеристики метеороло­гических элементов. В частности, для него характерны значи­тельные градиенты изменения по вертикали температуры, влаж­ности, скорости ветра, которые почти на один порядок превыша­ют градиенты этих параметров в нижнем слое тропосферы.

Естественно, что в фацию должны войти все эти три слоя. Однако их положение будет чрезвычайно непостоянным и, что главное, часто будет наблюдаться «перекрытие», заключающееся в том, что свойства третьего, верхнего слоя будут определять­ся не только свойствами одного, но и лежащих иногда на значи­тельном расстоянии других природно-территориальных комплек­сов. Для ориентировочного определения местоположения этой границы необходимо произвести специальные градиентные наб­людения в разные сезоны года и выяснить, в какой из них наиболее высоко проходит верхняя граница, и именно ее принять за верхнюю границу фации.

В лесных ПТК для определения динамики параметров, характеризующих воз­душные массы, как считают фитоклиматологи, необходимо строить специальные градиентные вышки или мачты, высотой не менее двукратной высоты растительности.

Еще более сложным является определение местонахождения верхних границ урочища и ландшафта. Эти границы не будут находиться ниже границы наиболее высоко расположенного природно-территориального комплекса в урочище или ландшафте. Кроме того, оконтуренная верхней границей часть урочища или ландшафта должна включать тот участок тропосферы, в котором происходят типичные для них местные процессы циркуляции воздуха. В заключение следует еще раз подчеркнуть условность верхней границы природно-территориальных комплексов.

4. Пространственные свойства ПТК. Площадь выявления — минимальная территория, на которой выявляются основные свойства фитоце­ноза: видовой состав, ярусность, обилие и т. д. Площадь выяв­ления меняется в довольно широких пределах и тесно связана как с видовым разнообразием растений, так с их высотой, разре­женностью и другими характеристиками растительной группи­ровки. В степных и луговых фитоценозах эта площадь составляет всего лишь несколько квадратных мет­ров, а в тропических лесах — до 1 км². Площадь выявления является важнейшей структурной характеристикой фитоценоза. Велико ее значение и в методическом отношении, так как размер экспериментального участка, на котором производится изучение растительности, должен быть не меньше этой площади.

От площади выявления следует отличать характерную пло­щадь компонентов и природно-территориальных комплексов. Под этим термином понимается средняя, типичная площадь конкрет­ного природно-территориального комплекса или компонента.

Так же как минимальные площади выявления, характерные площади меняются в широких пределах. Однако, несмотря на значительное количество уже опубликованных ландшафтных карт, эти площади не подсчитаны, хотя они могут дать весьма интересную информацию. Отклонение площади конкретных ПТК от их характерных площадей свидетельствует либо о благопри­ятном, либо об отрицательном для данного природно-террито­риального комплекса соотношении ландшафтообразующих фак­торов. Анализ каждого конкретного случая позволит выявить наиболее благоприятные соотношения этих факторов и, видимо, будет иметь значение при конструировании искусственных тер­риториальных комплексов.

Фации можно классифицировать по отношению надземной части вертикального профиля к подземной. Эта величина нахо­дится в прямо пропорциональной зависимости от количества фитомассы. Чем больше фитомассы, тем больше отношение над­земной части фации к подземной. Все фации в наиболее общем виде можно подразделить на следующие группы (табл. 1).

Таблица 12.1- Классификация фаций по расстоянию от верхней до нижней границы (мощности)

Фации	Суммарная мощность, м	Надземная часть, м	Подземная часть, м
Очень мощные	> 100	>90	5—10
Мощные	50—100	80—40	10—20
Средней мощности	25—50	15—40	10—30
С небольшой мощностью	10—25	1—15	10—20
С малой мощностью	<10	<1	<10

К первой группе относятся фации с тропическими и реже с высокоствольными субтропическими лесами. Во вторую группу входят фации с высоким древостоем в тропических, субтропических и умеренных поясах. Третью группу составляют фации с ксерофитными лесами, лесотундрой и субальпийскими лесами, а также фации умеренных и субтропических районов с низким и средним по высоте древостоем. Четвертая группа объединяет почти все фации с травянистой формацией, а также фации с кустарниковой растительностью всех географических зон земного шара. На­конец, к пятой группе относятся тропические и арктические пустыни и полупустыни.

С ландшафтно-геофизической точки зрения отношение над­земной и подземной части фаций не менее интересно. Это от­ношение меняется от 0,05 в пустынях до 0,1 в лугах и степях. В лесотундре, лесостепи и аридных редколесьях, а также в некоторых фациях с кустарниковой растительностью отношение надземной части профиля к подземной близко к единице, а в тропических лесах оно достигает 10—15.

В литературе по ландшафтоведению почти не рассматривался вопрос о соотношении вертикальной «мощности» (расстояния от верхней до нижней границы) и площади фаций. В равнинных странах, где расчленение рельефа сравнительно слабо, фации за­нимают сравнительно большие площади при относительно неболь­шой их мощности. Поэтому отношение К=М/С^1/2, где М — рас­стояние от верхней до нижней границы; С — площадь, значитель­но меньше 1.

В горных странах, наоборот, наблюдается значительное рас­членение рельефа и дробная дифференциация литогенной основы, поэтому площадь фации невелика; коэффициент К. в таких рай­онах близок или больше единицы. Это позволяет все фации разбить на три группы: 1) /С<:1; 2) К»\; 3) К> 1.

Как уже говорилось, к фациям 1-й группы относятся ПТК равнинных территорий, а ко 2-й и 3-й — фации горных и хол­мистых районов с дробно-дифференцированной литогенной осно­вой.

5. Природно-территориальные комплексы и время их существования. Одним из наиболее сложных вопросов ландшафтоведения является вопрос о границах природно-территориальных комплек­сов во времени.

Время в отличие от пространства характеризуется одномер­ностью. Это значит, что во времени могут быть две границы: начало и конец существования ПТК. Особый интерес представ­ляет время, прошедшее с начала существования,— возраст природно-территориального комплекса. В литературе по ландшаф-товедению существует несколько точек зрения на возраст ПТК.

В. Б. Сочава возрастом геосистем называет продолжитель­ность ее существования как определенного структурно-динами­ческого типа. Возраст всякой современной геосистемы исчисля­ется по времени, когда между ее компонентами установились действующие отношения. Как правило, чем выше ранг геосисте­мы, тем больше ее возраст. Переход от одной возрастной ступе­ни к последующей знаменуется изменением инварианта гео­системы.

Авторы толкового словаря «Охрана природы» (1982) счита­ют, что возраст ландшафта—это отрезок времени, с начала которого до наших дней ландшафт функционирует в условиях одной инвариантной структуры. Понятие возраста тесно связано со временем возникновения ландшафта — датой (эпохой, перио­дом), начиная с которого ландшафт приобрел структуру, близ­кую к современной.

В горных странах с активными современными геоморфоло­гическими процессами при смене одной фации другой на первый план выступают изменения форм рельефа. На равнинах, напро­тив, последние не играют существенной роли и смена фаций зависит в основном от изменений почвы.

Все фации по длительности своего существования можно подразделить на три группы: 1) кратковременные; 2) средне-временные; 3) длительновременные.

К первой группе относятся фации с длительностью сущест­вования менее 10 лет. Их образование и смена связаны с активными геоморфологическими процессами: обвалами, осыпями, оползнями, селями и т. д. Вторая группа включает фации с продолжительностью существования до 1000 лет. Это в основном фации горных стран. Однако в отличие от первой группы пре­образование фаций и их смена происходят не только за счет изменения форм рельефа, но и в результате изменения почвен­ного покрова, а также других компонентов. Третья группа объединяет фации с продолжительностью существования более 1000 лет. Их смена большей частью связана с изменениями поч­венного покрова и растительности. Эти фации в основном распо­ложены на равнинных территориях, хотя могут встречаться и в горах.

6. Анализ и синтез временных изменений характеристик ПТК. В последнее время в географии и, в частности, в ландшафтоведении резко возрос интерес к анализу временных изменений характеристик ПТК. А. Д. Арманд и В. О. Таргульян (1974) ввели в географию понятие «характерного времени», под кото­рым понимается: а) длина периода для циклических процессов; б) средняя длина периода для квазипериодических процессов и в) время, необходимое для восстановления состояния квазирав­новесия для трендовых процессов. Они же дали краткий обзор характерных времен наиболее важных процессов и явлений.

Изменения процессов и явлений во времени исследуются на многих физико-географических стационарах. Эти изучения позво­лили сделать ряд выводов, из которых наиболее важны следую­щие.

1. Каждый процесс и явление характеризуются своей вре­менной структурой, которая выражается в различной амплитуде отклонений в разные интервалы времени. Например, суммарная радиация в течение суток изменяется дискретно, а радиацион­ный баланс—континуально (рис. 1.14). В связи с частотой изменения все процессы и явления можно подразделить на три группы:

а) высокочастотные, когда одно колебание совершается за период меньший чем сутки. Например, изменения температуры и влажности воздуха, скорость ветра и т. д.;

б) среднечастотные с одним колебанием и более за период более суток, но менее одного года. Например, динамика зеле­ной фракции фитомассы в течение года, изменение влажности почвы и др.;

в) низкочастотные, сравнительно маломеняющиеся, с одним колебанием за период более одного года. К таким процессам и явлениям относятся, например, динамика древесной фитомассы в лесах, изменение свойств почвы и т. д. (рис. 6).

Рис. 12.6 – Дискретные и континуаль­ные изменения процессов и явле­ний (П):

1 — дискретные; 2 — континуальные; t — время

Рис. 12.7 – Частотность колебаний: П — процесс или явление; t — время;

1 — низкочастотные; 2 — среднечастот­ные; 3 — высокочастотные

2. Подавляющее большинство параметров, характеризующих структуру и функционирование ПТК, имеют неодинаковую ам­плитуду колебаний в течение различных отрезков времени. От­дельные мелкие флюктуации совершаются на фоне средних и более крупных циклов (рис. 12.7). Например, минутные изме­нения температуры происходят на фоне часовых, последние — на фоне суточных и т. д. Это приводит к «перепутыванию» час­тот, поэтому не всегда можно определить, к какой частоте при­надлежит каждое из наблюдаемых явлений.

3. При анализе изменения отдельных процессов во времени хорошо выявляется эффект инерционности. Он связан с тем, что многие явления обладают некоторой инерцией. Так, в глубоких слоях почвы максимум температуры может быть сдвинут на осень и даже зиму (рис. 12.8). При этом часто наблюдается постепенное «затухание» колебаний и уменьшение их амплитуды. Например, амплитуда температуры почвы на глубине 160 см меньше, чем на глубине 20 см, и, естественно, меньше, чем на поверхности почвы.

4. Отдельные процессы и явления в ПТК довольно часто бывают асинхронными. Это связано с тем, что они имеют раз­личные источники колебаний (например, солнечная энергия и осадки или же гравигенные процессы), которые далеко не всегда бывают синхронны во времени.

Рисунок 12.8 – Наложение частот: П — процесс или явление; t — время; 1 — высокочастотные, 2 — среднечастот­ные; 3 — низкочастотные составляющие

Рисунок 12.9 – Инерционность процес­сов и явлении и «затухание» ам­плитуд: 1 — суммарная радиация; 2 — тем­пература почвы на глубине 20 см; 3 — температура почвы на глубине 160 см; П — процесс или явление; t — время

5. Приведенные положения обусловливают то, что зависи­мость между изменением времени отдельных процессов и явлений в ПТК носит очень сложный характер, который иногда трудно бывает объяснить без предварительного синтеза времен­ных изменений.

Какие могут быть выходы из существующего положения? Какие пути в разрешении возникших трудностей? С одной сто­роны, имеется возможность провести дальнейший более деталь­ный анализ отдельных процессов и попытаться на основе этого анализа дать объяснение их изменениям. Однако имеется и дру­гой путь. Он сводится к синтезу изменений процессов и явлений во времени. Этот синтез позволяет обнаружить некоторые це­лостные объекты — «состояния ПТК».

Под состоянием природно-территориального комплекса пони­мается некоторое соотношение параметров, характеризующих его в какой-либо промежуток времени, в котором конкретные входные воздействия (солнечная радиация, осадки и т. п.) тран­сформируются в выходные функции (сток, некоторые другие гравигенные потоки, прирост фитомассы и т. д.).

Состояния в первую очередь различаются по длительности. В самом общем виде выделяются:

1. Кратковременные состояния — продолжительностью менее одних суток. Эти состояния связаны в основном с высокочас­тотными компонентами — воздушными массами и их изменени­ями.

2. Средневременные состояния имеют продолжительность от одних суток до одного года. Из них наиболее важны стексы — суточные состояния, обусловленные сезонной ритмикой, погод­ными условиями и динамической тенденцией развития фации. Широко известны сезоны года, которые также можно рассмат­ривать как состояния.

3. Длинночастотные состояния — продолжительность которых более одного года. Они обычно связаны либо с многолетними климатическими циклами, либо с сукцессиями растительного покрова.

От смен состояний ПТК следует отличать смену самих комп­лексов, которая происходит при изменении инвариантных свойств структуры и функционирования природно-территориальных комп­лексов. Эта смена особенно хорошо наблюдается при изменении литогенной основы, но проявляется и при изменении биоты, поч­вы, среднемноголетнего режима гидрометеорологических пара­метров и др.

5. Из пространственных свойств ПТК следует отметить площадь выявления, характерную площадь, мощность ПТК (расстояние от верхней до нижней границы), отношение мощ­ности надземной части ПТК к его подземной части.

6. Природно-территориальные комплексы подразделяются по длительности своего существования. Процессы и явления в ПТК имеют свою временную структуру, которая связана с их харак­терным временем, длиной периода и амплитудой изменений для циклических и квазициклических процессов, эффектами инерци­онности, последействия и т. д.

7. Синтез процессов и явлений приводит к выявлению состоя­ний ПТК. По длительности выделяются кратковременные, сред-невременные и длительновременные состояния. Из состояний ПТК на современном этапе ландшафтно-геофизических исследо­ваний особенно важны стексы.

7. Основные источники энергии природных процессов в ландшафте. Из процессов функционирования ПТК можно выделить следующие основные: 1) трансформация солнечной энергии; 2) трансформация энер­гии, связанной с силой тяжести; 3) влагооборот; 4) биогеоцикл; 5) гравигенные потоки. Кроме них существенное значение имеют латеральные перемещения воздушных масс; процессы, связан­ные с миграцией биогенного компонента, и др. Каждый из этих процессов состоит из так называемых эле­ментарных процессов функционирования ПТК. К элементарным относятся процессы, вызванные следующими факторами: 1) перемещением геомасс в пространстве; 2) изменением количества геомасс во времени; 3) трансформацией какой-либо геомассой энергетических потоков.

Трансформация солнечной (электромагнитной) энергии, т. е. ее преобразование,— важнейший процесс в природно-террито­риальном комплексе. Он включает в себя не только радиацион­ный и тепловой баланс, но и преобразование солнечной энергии в биогенном и других компонентах ПТК. Основной результат этой трансформации – создание в ПТК специфичных температурных полей, полей влажности воздуха, скорости ветра и др.

За счет энергии ускорения свободного падения, силы тяже­сти происходит целый ряд процессов в природно-территориальных комплексах: 1) выпадение осадков и их фильтрация в поч­ву; 2) некоторые процессы биогеоцикла (опад и отпад); 3) сток поверхностный и подземный; 4) гравигенные потоки (обвалы, оползни, осыпи) и др.

Анализ полученных материалов показывает, что работа, совершаемая в гравитационном поле при движении геомасс сверху вниз и снизу вверх, близка. Это не удивительно, так как в большинстве ПТК наблюдается сбалансированность потоков геомасс, связанных с действием гравитационных потоков, в ко­нечном итоге сводимых к действию трансформации солнечной энергии и направленных против гравитационного поля.

Кроме солнечной и гравитационной энергии в природе в на­стоящее время известно еще 12 видов энергии. Из них в природно-территориальных комплексах наиболь­шее значение имеют следующие.

1. Тепловая энергия — часть энергетического движения ча­стиц тел, которая освобождается при наличии разности темпе­ратур между данным телом и телами окружающей среды. Осо­бенно интенсивное выделение — поглощение тепловой энергии — происходит при пожарах, таянии — замерзании и испарении — конденсации. Тепловая энергия тесно связана с трансформацией солнечной энергии, ее временной аккумуляцией в органическом веществе (может быть и в течение больших промежутков време­ни, например, в угле) и последующем высвобождении, поэтому их следует рассматривать совместно.

2. Механическая энергия — кинетическая энергия свободно движущихся тел и частиц, например энергия ветра, энергия твердых частиц, переносимых при перемещении потоков веще­ства вдоль по склону под действием потенциальной энергии, и т. д. В некоторых ПТК может достигать существенных значений. Однако ее всегда можно свести либо к трансформации солнечной радиации, либо к трансформации гравитационной энергии.

3. Электрическая (электродинамическая), электростатическая и магнитостатическая энергия образуют физические поля в ПТК, имеющие, однако, в подавляющем большинстве случаев очень низкие интенсивности.

4. Химическая энергия — энергия систем из двух или более реагирующих между собой веществ. Эта энергия освобождается в результате перестройки электронных оболочек атомов или молекул при химических реакциях.

5. Некоторое значение может иметь упругостная энергия — потенциальная энергия механически упругоизмененного тела (например, дерево или кустарник, прижатые снегом), освобож­дающаяся при снятии нагрузки чаще всего в виде механической энергии.

Часто выделяют особый вид энергии — биологическую. Но биологические процессы обычно рассматриваются как особая группа физико-химических процессов, в которых участвуют те же виды энергии, что и в других (Алексеев, 1983). Так, в расте­ниях электромагнитная энергия солнечного излучения пре­вращается в химическую энергию, а в организмах животных химическая энергия пищи превращается в тепловую и механи­ческую, а затем в электрическую и световую. Обзор различных видов энергий в природно-территориаль­ных комплексах показывает исключительно важную роль солнечной и гравитационной энергии и их трансформации. Именно они являются первоисточ­никами того громадного количества процессов функционирова­ния, которое происходит в ПТК. Из существующих видов энергии, кроме трансформации солнечной и гра­витационной энергии, для природно-территориальных комплексов наиболее важны тепловая энергия, в частности, выделяющаяся при пожарах, и меха­ническая энергия, например, выделяющаяся при ветре.

8. Радиационный баланс земной поверхности. Радиационный баланс деятельной поверхности, на которой проис­ходит преобразование потока солнечной энергия, или радиационный баланс элементарного ПТК, записывается как:

R=(J+S) (1-A)-Eэф., (12.1)

где А - радиационный баланс, J - прямая радиация,S- рассеянная радиация, А - альбедо, Еэф – эффективное длинноволновое излучение. Прямая и рассеянная образуют суммарную радиации – Q.

Важнейшей геофизической характеристикой деятельной поверхнос­ти, отличающей одно ПТК от другого, выступает ее отражательная способность - альбедо. А= Д/Q, где Д– отраженная коротковолновая радиация, Q – суммарная радиация.

Еэф.=Eз – Еа, (12.2)

где Eз - тепловое излучение земной поверхности, Еа - тепловое излучение атмосферы к деятельной поверхности.

Эти формулы описывают преобразование потока солнечной энергия в пределах конкретных ПТК.

Принципиальных сложностей определения составляющих радиационно­го баланса в настоящее время нет. Региональные и локальные особенности радиационного режи­ма геосистем определяются сле­дующими основными факторами: географическим положением, опре­деляющим угол падения солнечных лучей, режимом облачности, за­пыленностью, экспозицией склонов (элементами мезорельефа),отражательной способностью деятельной поверхности, теплоемкостью литогенной основы.

Выше указывалось, что одной из важнейших геофизических харак­теристик ПТК выступает альбедо деятельной поверхности. Альбедо, с одной стороны, определяет энергетику геокомплекса, а с другой -продукт его формирования.

Преднамеренные и непреднамеренные преобразования климата часто связаны с изменением альбедо деятельной поверхности. Примером пред­намеренных преобразований может выступать зачернение поверхности снежников и ледников угольной пылью или другими веществами, имеющими низкие значения альбедо с целью увеличения поглощенной радиации и усиления таяния ледников и снежников. При изменении альбедо деятельной поверхности наблюдаются преобразования в микро- и местном климате территории.

Уравнение теплового баланса деятельного слоя - внутреннего про­странства геосистем, в пределах которого осуществляется расхож­дение радиационного тепла,- можно записать так:

R=L(E+T)+P±Aп+F+Bz-LC, (12.3)

в которой А - радиационный баланс; Е - физическое испарение; Т - транспирация; Р - затраты тепла на турбулентный обмен с ат­мосферой; Aп поток тепла в почву и из почвы; F - затраты тепла на фотосинтез; Bz - тепловой сток. LC - тепло, выделяющееся при конденсации водяных паров; L - скрытая теплота парообразования. Физическое испарение и транспирация составляют сум­марное испарение - Е. Размерность уравнения: кДж/м². с, или ккал/см². год. В уравнении (12.3) не учтен тепловой поток из глубин Земли к нижней границе геосистем.

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 был отрицательным, то мы были бы свидетелями формирования многолетней мерзлоты. Такие периоды в истории Земли были, и видимо, не однократно, о чем свидетельствует наличие многолетней (реликтовой и современной) мерзлоты. Вынос тепла со стоком, затра­ты на процесс фотосинтеза составляют не более 1-4% радиационного баланса.

Геосистемы 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. Последние (LE/R,P/A,EE/P) принято на­зывать показателями структуры теплового баланса. Крайние выраже­ния теплового баланса отмечены летом для пустынной зоны, когда R≈P, я весной для тундровой зоны, когда R≈ LE. Наиболее репре­зентативным показателем выступает, пожалуй, отношение LE/P. Географическое распределение испарений в геосистемах зависит от энергетических ресурсов (для тундровой и лесной зон) и условий увлажнения (лесостепная, степная, полупустынная и пустын­ная зоны). По данным теплобалансовых стационарных наблюдений в тундровой зоне в летний период отношение LE/R не превышает 54%. Это связано с плохой водоотдачей распространенных здесь мохово-торфяных комплексов. В лесной зоне отношение LE/R в летнее время возрастает до 80%, уменьшаясь в степной и особенно в пустынной зонах.

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

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

В пустыне основная часть радиационного тепла (в дневные ча­сы до 66%) расходуется на турбулентный теплообмен, в лесной зоне ЕTC - на испарение (67%); в Якутии расходные статья теплового баланса в летний полдень примерно- одинаковы (30-35%), но "лидиру­ют" затраты тепла на прогрев почвы;

В степи затраты тепла на испарение больше, чем в пустыне, однако в часы наибольшего притока радиационного тепла они могут быть меньше турбулентного потока;

Во всех природных зонах в период с 16 ч до 7 ч поток тепла направлен из почвы в атмосферу и расходуется на испарение и тур­булентный обмен.

Характер перераспределения радиационного тепла определяет фор­мирование определенного метеорологического режима приземного слоя атмосферы, внутреннего пространства геосистем, набор различных их состояний, определяемый погодными условиями.

9. Водный баланс и водные режимы геосистем. влагооборот — совокупность процессов превращения, переме­щения и изменения количества гидромасс в природно-террито-риальных комплексах. С влагооборотом тесно связан водный баланс территории. Еще в 1884 г. А. И. Воейков рассчитал водный баланс Каспий­ского моря по формуле

И = О + С, (12.4)

где И — испарение; О — осадки; С — сток.

Водный баланс — соотношение за какой-либо промежуток времени (год, месяц, декаду и т. д.) прихода, расхода и аккумуляции (изменение запаса) воды для речного бассейна или участка территории, для озера, болота или любого другого исследуе­мого объекта. В общем случае уче­ту подлежат атмосферные осадки, конденсация влаги, горизонтальный перенос и отложение снега, поверх­ностный и подземный приток, испарение, поверхностный и подземный сток, изменение запасов влаги в почвогрунтах и др.

Со всей территории суши земного шара (в пределах среднего многолет­него годового В. б.) испаряется ко­личество воды, равное количеству выпадающих осадков минус речной сток. Для отдельных водных объек­тов и для более коротких периодов времени при составлении водных ба­лансов возникает необходимость уче­та составляющих прихода — расхода влаги более детально, применительно к конкретным условиям поступления и расходования влаги. Например, в В. б. водохранилищ, кроме притока, осадков и испарения, существенное значение могут иметь сбросы через сооружения гидротехнического узла (ГЭС, шлюзы, плотины), водозабор из водохранилища, фильтрация в нижний бьеф в створе гидротехниче­ского сооружения, объем воды, за­ключенной во льду и снеге водохра­нилища при его сработке зимой и всплывающих весной при наполнении водохранилища, временные потери на фильтрацию воды в берега водохра­нилища и возврата этих вод обратно при изменяющихся уровнях воды в водохранилище.

Комплексный метод изучения вод­ного баланса состоит из следующих уравнений:

P = S + U + E; W = P-S = U + E, (12.5)

где Р — осадки; S — поверхностный сток; U — подземный сток; Е — суммарное испарение; W — валовое увлажнение терри­тории.

В различных природно-территориальных комплексах влаго­оборот может существенно отличаться. Водный режим – изменение во времени уровней и объемов воды в реах, озерах и болотах. Выделяют три основных типа водного режима почв.

Промывной тип — характерен для областей, где сумма годо­вых осадков превышает испаряемость. В этих условиях природно-территориальный комплекс подвергается сплошному промачиванию и нисходящее движение влаги в почве и горных по­родах преобладает над восходящим. Просачивающаяся вода достигает уровня грунтовых вод.

Непромывной тип — характерен для областей с испаряемо­стью большей, чем осадки. В ПТК наблюдается дефицит влаж­ности и почва промачивается лишь на некоторую глубину. Про­сачивающаяся влага не достигает уровня грунтовых вод. Влага, поступившая в ПТК, возвращается в атмосферу путем испарения и десукции и последующей транспирации.

Выпотный тип — формируется в засушливом климате при близком уровне залегания грунтовых вод, из которых корни растений отсасывают влагу, при этом грунтовые воды как бы «отпотевают» через растения в атмосферу.

Наиболее увлажненными являют­ся водосборы рек бассейнов Белого, Баренцева и Балтийского морей. Здесь выпадает ежегодно в среднем от 765 до 710 мм осадков. Слой сто­ка составляет 259—341 мм, слой ис­парения 369—506 мм. Значительно увлажнены также водосборы рек Дальнего Востока, принадлежащие к бассейнам Берингова, Охотского и Японского морей. В этих районах ежегодно в среднем выпадает 652 мм осадков, из них 273 мм сте­кает и 379 мм испаряется. Меньше увлажнены бассейны морей Лапте­вых, Восточно-Сибирского и Чукот­ского, а также бессточные районы Казахстана и Средней Азии. Здесь ежегодно выпадает соответственно 423 и 299 мм. При этом в бассей­нах указанных морей стекает почти половина выпавших осадков (206мм), а в бессточных районах—только 52 мм (17%); остальные осадки рас­ходуются на испарение, которое в пределах Дальнего Востока состав­ляет 217 мм (51%), а в бессточных районах—247 мм (83%). Наибольшее количество осадков выпадает на Черноморском побере­жье Кавказа (более 2000—3000 мм); испаряется здесь 700—750 мм, сток достигает 2000—2500 мм. В пустын­ной зоне выпадает от 130 до 180 мм осадков, которые почти все испаря­ются; средний сток здесь менее 3 мм и наблюдается лишь местами, пре­имущественно на глинистых грунтах.

Распределение на территории России осадков, стока и испарения соответствует расположению ланд­шафтных географических зон и вы­сотных поясов (в горах).

10. Уравнение связи водного и теплового балансов. Балансовые уравнения, описывающие вход, трансформацию и вы­ход вещества и энергии из внешней среды в геосистему и обратно в среду, имеют общие члены, что указывает на взаимосвязь и взаимо­обусловленность компонентов и процессов в природе.

В основе связи теплового и водного балансов лежит процесс испарения. М.И.Будыко (1971) предложил следующее выражение уравнения связи

(12.6)

где Е '- суммарное испарение, е - основание натуральных логариф­мов.

R/LX – радиационный индекс сухости, R – радиационный баланс, L – скрытая теплота испарения, X – атмосферные осадки.

Другая общепринятая форма записи уравнения связи имеет вид:

(12.7)

где Е_о - максимально возможное испарение.

Уравнение связи позволяет представить в общем виде зависи­мость испарения и стока от годовых сумм осадков в радиационного баланса. Указанная связь имеет статистический характер, справедлива для условий большого осреднения в пространстве и времени.

Графические зависимости уравнения связи теплового и водного баланса представлены на риснках.12.10 и 12.11.

Рисунок 12.10 – Зависимость стока от осадков и радиационного баланса

Рисунок 12.11 – Зависимость испарения от осадков и радиационного баланса

В основе каждого уравнения связи лежит определенный процесс – испарение, вынос вещества со стоком или с транспирацией, тепловой сток, образование органического вещества и т.д.

Первостепенную роль играет процесс выноса вещества со стоком зависящий, с одной стороны, от степени увлажнения (атмосферных осадков), а с другой - от прихода вещества в геосистему с совре­менными тектоническими движениями и от физико-химических свойств горных пород.

Связующий характер между балансом веще­ства и водным режимом имеет процесс выноса вещества с транспирацией. Процесс фотосинтеза связывает одновременно уравнения тепло­вого, водного балансов и баланс вещества.

11. Энергетическая продуктивность. Физико-географические факторы фотосинтеза. Основным "строителем" экосистемы выступает сквозной поток энергии Солнца, связываемый зелеными растениями благодаря реакции фотосинтеза и передающийся затем по цепям пита­ния.

Сущность фотосинтеза заключается в превращении растениями, водорослями лучистой энергии солнечного света, поглощаемой флорофиллом или другими фотосинтетическими пигментами, в химическую энергию разно­образных биополимеров - углеводов, жиров и белков. Носителем этой энергии является аденозинтрифосфорная кислота (АТФ).

Существенную роль в процессе фотосинтеза играют физико-географические факторы - интенсивность потока солнечной радиации и поток фотосинтетически активной радиации (ФАР), относительная влажность воздуха и запасы продуктивной влаги в почве, температура почвы и воздуха, скорость ветра, положение растения в сообществе, вертикальная структура растительного сооб­щества (архитектура растительного покрова).

При нормальном течении процесса фотосинтеза поверхность хлоропластов поддерживается увлажненной, поскольку углекислота ассимилируется только в виде раствора. Вследствие этого относительная влажность воздуха в межклетниках приближается к 100% и обычно превышает относительную влажность воздуха в атмосфере. Диффузия углекислоты в лист с открытыми устьицами сопровождается поступ­лением водяного пара в противоположном направлении, т.е. транспирацией растений. Таким образом, между поверхностью хлоропластов (листьев) и окружающей атмосферой необходим градиент относи­тельной влажности воздуха. В тех случаях, когда влажность возду­ха в приземном слое равна 100% или близка к этому значению, фото­синтез подавлен.

Влияние ФАР и температуры воздуха на интенсивность фотосин­теза является совместным. Но, как отмечает М.И. Будыко (1971), рядиация чаще всего находится в "минимуме", особенно для нижних ярусов растительности, а термический фактор обычно имеет зоны оптимума и "дискомфорта" как при низких, так и очень высоких значениях температуры. Уменьшение облучен­ности ниже 70-80% от полной вызывает существенное уменьшение накопления фитомассы.

Основным фактором, определяющим поглощение ФАР и ее пропуска­ние, является площадь листовой поверхности на единицу поверхности занимаемой земли.

Энергетическая продуктивность обычно пред­ставляется в: ккал/см2 год или ккал/м2 год. Расчет годовой энерге­тической продукции возможен при условии знания энергетических эквивалентов фотосинтеза растений (Валовая первичная продукция,F1;Автотрофное дыхание; Чистая первичная продукция, F2; Гетеротрофное дыхание; Чистая продукция, F; отношение F2/F1, %; отношение F/F1, %.

Чистую продукцию (урожай на корню для агроландшафтов) нельзя отождествлять с продуктивностью сообщества. Агросистемы с интен­сивным развитием, например, поле люцерны, характеризуются высокой валовой первичной продукцией, чистой первичной продукцией, а при защите от консументов (что обеспечивается человеком) - и высокой чистой продукцией. В устойчивых 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. В целом, как подчеркивает Одум, природа стремится увеличить валовую, а человек - чистую продукцию.

12. КПД фотосинтеза на локальном и региональном уровнях. Растения в совокупности представляют собой своеобразную машину - преобразователь энергии. Коэффициентом "полезного дейст­вия растений" или кпд фотосинтеза выступает отношение энергии, которая заключена в чистой продукции сообщества (F) или в годо­вом приросте фитомассы, к величине потока фотосинтетически активной радиации (ФАР) за год или к величине годового баланса , или , где η - различные модификации кпд фотосинтеза, R – годовой радиационный баланс.

В 1942 г. английским ученым Л. Линдеманом было введено понятие экологической эффективности. Одно из правил Линдемана касается величины трансформации энергии при "переходе" с одного уровня на другой. Величина энергии, ассимилируемая на одном трофическом уровне с другого, на порядок ниже, чем на предыдущем. Это закон о пространственно-временных среднестатистических отношениях функционирования отдельных блоков биогеоценозов. В различных био­геоценозах величина передаваемой энергии с одного уровня на дру­гой может составлять от 2-5% до 20-25%.

Один из важнейших показателей массо-энергообмена в геосистемах - _транспирационный коэффициент растений, равный отношению прироста веса сухой массы растений к расходу воды на транспирацию за данный промежуток времени. Он имеет обычно величину 1/200 -1/1000, чаще всего транспирационный коэффициент равен у сельско­хозяйственных растений 350-600 г/г сухого вещества; у древесных пород - 200-300 г/г сухого вещества. Чем больше градиент относительной влажности воздуха в слое "атмосфера – поверхность листа", тем больше расход влаги. При влажности 1ОО% фотосинтеза подавлен. Более высокие значения транспирационных коэффициентов травянистых и сельскохозяйственных растений обусловлены тем, что на полях и лугах формируется неблагоприятный микроклимат с более высокими, чем в лесу, скоростями ветра, более сухим воздухом, пониженным содержанием CO2 в прилистном слое воздуха.

Между скоростью ветра и продуктивностью растительного покрова наблюдается корреляционная связь. Кстати, становятся понятными причины падения урожайности с ростом разме­ре, полей в лесостепной и степной зонах (при прочих равных услови­ях): неблагоприятный режим увлажнения и ветра.

Среди показателей интенсивности биоэнергетического круговорота вещества следует отдать предпочтение коэффициен­ту Кб=П/Оз, где П - запасы органического вещества в подстилке, Оз - органика ежегодного зеленого опада. Другим интегральным показателем интенсивности биоэнергетического круговорота выступает окислительно-восстанови­тельный потенциал. Выделяют пять основных типов интенсивности биоэнергетическо­го круговорота: застойный (Kб = 20-90), сильнозаторможенный (5-20), затор

Дата добавления: 2014-01-11