Энергетика ландшафта и интенсивность функционирования

Функционирование геосистем сопровождается поглощением, преобразованием, накоплением и высвобождением энергии. Первичные потоки энергии поступают в ландшафт извне — из космоса и земных недр. Важнейший из них — лучистая энергия Солнца, поток которой по плотности многократно превышает все другие источники. Для функционирования ландшафта солнечная энергия наиболее эффективна; она способна превращаться в различные иные виды энергии — прежде всего в тепловую, а также в химическую и механическую. За счет солнечной энергии осуществляются внутренние обменные процессы в ландшафте, включая влагооборот и биологический метаболизм, а кроме того, циркуляция воздушных масс и др. Можно сказать, что все вертикальные связи в ландшафте и многие горизонтальные так или иначе, прямо или косвенно связаны с трансформацией солнечной энергии.

Поток суммарной радиации к поверхности суши составляет в среднем около 5600 МДж/м²*год, а радиационный баланс — примерно 2100 МДж/м год. Для сравнения укажем, что энергия космических лучей оценивается приблизительно в 10"⁴ МДж/м²*год, а энергия приливного трения — в 0,1 МДж/м *год. Энергия современных тектонических движений (в том числе сейсмическая) также ничтожна в сравнении с солнечной — порядка 0,03 МДж/м год. Более ощутим тепловой поток из недр Земли, связанный с переносом к земной поверхности продуктов вулканических извержений и термальных вод (отчасти с теплопроводностью горных пород). Его средняя величина близка к 2 МДж/м²*год, что эквивалентно 0,04% суммарной солнечной радиации. Однако плотность этого потока резко дифференцирована в пространстве, и в вулканических районах он приобретает ландшафтообразующее значение. В региональных масштабах (для вулканических ландшафтов) величина потока геотермической энергии достигает 20 — 50 МДж/м *год, а в локальных (в кратерах вулканов, горячих источниках) — нескольких тысяч МДж/м *год, т. е. соразмерна с солнечной энергией. Во время вулканических извержений поток геотермического тепла может достигать 800 Дж/см с, что в пересчете на один год составляет 2,5*10⁸ МДж/м².

С потоком солнечной радиации связана пространственная и временная упорядоченность вещественного метаболизма в ландшафтах. Обеспеченность солнечной энергией определяет интенсивность функционирования ландшафтов (при равной влагообеспеченности), а сезонные колебания инсоляции обусловливают основной — годичный — цикл функционирования. На земной поверхности электромагнитное излучение Солнца в основном превращается в тепловую энергию и в виде тепла же в конечном счете, после трансформации в ландшафтах, излучается в космическое пространство.

Преобразование приходящей солнечной радиации начинается

192

с отражения части ее от земной поверхности. Потери радиации на отражение широко колеблются в зависимости от характера поверхности ландшафта. Так, альбедо свежевыпавшего снега составляет 0,80 — 0,95, тающего снега — 0,30 — 0,60, светлых горных пород и почв (в том числе песков) — 0,20 — 0,40, темных горных пород и почв — 0,05 — 0,10, густого зеленого травостоя — 0,20 — 0,25, ерниковой и мохово-лишайниковой тундры — 0,15 — 0,25, травяной ветоши и болот — 0,15 — 0,20, лиственного леса в период вегетации и пожелтения — 0,15 — 0,20, хвойного леса — 0,10 — 0,15. Эффективное излучение, зависящее от температуры излучающей поверхности, облачности и влажности воздуха, также сильно дифференцируется по ландшафтам. В результате наибольшую часть суммарной радиации теряют приполярные ландшафты (арктические пустыни — около 87%), затем — тундровые (80%), а также пустынные и таежные (около 65%, что близко к среднему показателю для всей суши). Наименьшие потери присущи экваториальным лесным ландшафтам (47); ниже средней величины потери в степных, лесостепных и широколиственнолесных суббореальных ландшафтах (59 — 62%) .

Подавляющая часть полезного тепла, поглощаемого земной поверхностью, т. е. радиационного баланса, затрачивается на испарение (точнее, на эвапотранспирацию) и на турбулентную отдачу тепла в атмосферу, иными словами — на влагооборот и нагревание воздуха (тепловая энергия, затраченная на испарение, также выделяется в атмосферу при конденсации водного пара). Соотношение указанных двух расходных статей радиационного баланса существенно различается по ландшафтам и в общих чертах подчинено зональности, причем в гумидных ландшафтах основная доля радиационного баланса расходуется на эвапотранспирацию, а в аридных — на турбулентный поток тепла в атмосферу (табл. 13).

На другие тепловые потоки в ландшафте расходуется лишь небольшая часть радиационного баланса, как правило, не выходящая за пределы точности его измерения. Тем не менее эти потоки играют существенную роль в функционировании ландшафта. Тепло-обмен земной поверхности с почво-грунтом имеет циклический характер: в теплое время года тепловой поток направлен от поверхности к почве, в холодное — в противоположном направлении, и в среднем за год оба потока балансируются. Интенсивность этого теплообмена наибольшая в континентальных ландшафтах с резкими сезонными колебаниями температур воздуха и поверхности почвы. Кроме того, величина теплообмена зависит от влажности и литологического состава почво-грунтов, влияющих на их температуропроводность, и от растительного покрова. Мохово-торфяный слой служит теплоизолятором, затрудняющим теплообмен между атмосферой и почвой; под пологом леса вследствие уменьшения притока солнечного тепла к поверхности почвы теплообмен слабее, чем на безлесных территориях. Теплообмен проникает в почво-грунты большей частью на глубину 10 — 20 м, его величина составляет не более

7- 793 193

Таблица 13. Затраты тепла на испарение и турбулентный обмен с атмосферой по ландшафтным зонам

Материалы по зонам умеренного пояса даны на примере Восточной Европы,, по тропическим пустыням и саваннам — на примере Северной Африки.

нескольких процентов от годового радиационного баланса (в тундре, по-видимому, до 10% или более).

В высоких и умеренных широтах некоторая часть радиационного тепла (порядка 2 — 5%) расходуется на таяние снега, льда, сезонной мерзлоты в почве и деятельного слоя многолетней мерзлоты. При замерзании воды затраченное тепло выделяется. На физическое разрушение горных пород и химическое разложение минералов в почве уходят, по-видимому, сотые или тысячные доли процента от всех затрат солнечной энергии.

В трансформации солнечной энергии важнейшая роль принадлежит биоте, хотя на биохимическую реакцию фотосинтеза растения суши используют приблизительно лишь 0,5% от общего потока суммарной радиации (или около 1,3% радиационного баланса). В процессе фотосинтеза на 1 г ассимилированного углерода потребляется 3,8 ккал (15,9 кДж) энергии. Общее количество связанной энергии можно рассчитать умножением этого коэффициента на величину брутто-продукции. Около половины затраченной энергии высвобождается при дыхании продуцентов, остальная частьв чистой первичной продукции (нетто-продукции). Содержание энергии в образовавшейся фитомассе определяется по калорийности (теплоте сгорания) органического вещества, которая в среднем близка к 4,5 ккал (18,5 кДж) на 1 г сухого вещества, но варьирует

194

у разных сообществ, видов и отдельных органов растений. Общая географическая закономерность сводится к возрастанию калорийности от низких широт к высоким: у влажных экваториальных лесов 16 — 17 кДж, листопадных широколиственных — 17 — 19, хвойных— около 20, тундровых кустарничков — 21 — 24 кДж.

При фотосинтезе используется так называемая фотосинтетически активная радиация (ФАР) — часть солнечного излучения в диапазоне волн от 0,4 до 0,7 мкм, составляющая около 45% от суммарной радиации (40% прямой и 62% рассеянной). Растительный покров поглощает около 90% световой энергии ФАР, но подавляющая часть ее идет на транспирацию и поддержание определенных термических условий в сообществе и только 0,8 — 1,0% — на фотосинтез. КПД фотосинтеза существенно варьирует в зависимости от физико-географических условий. Наиболее высокий коэффициент использования ФАР наблюдается при максимальной теплообеспеченности в сочетании с оптимальным соотношением тепла и влаги, т. е. на экваторе, наиболее низкий — в пустынях и полярных областях (табл. 14). В период вегетации КПД ФАР несколько выше, чем в среднегодовом выводе. При особо благоприятном сочетании условий у отдельных листьев он может достигать 15 - 24%.

Таблица 14. Использование солнечной радиации растительными сообществами, по данным В. Лархер (Экология растений. М., 1975)

В процессе дыхания продуцентов, консументов и редуцентов и разложения органических остатков использованная при фотосинтезе энергия снова превращается в тепло, так что почти вся энергия, связанная первичными продуцентами, рассеивается и в отличие от вещества уже не возвращается в биологический цикл. При переходе от одного трофического уровня к другому на каждом последующем уровне для создания биомассы используется лишь небольшая часть энергии, заключенной в предыдущем уровне, и происходят ее большие потери.

195

По исследованиям в широколиственных лесах Западной Европы, из общего количества ассимилируемой энергии 54,7% расходуется на дыхание растительного покрова. Из 45,3%, накопленных в чистой первичной продукции, 18,9% остается в приросте, 1,1% выедается животными, 13,6% уходит в подстилку, 11,7% — в отмершие корни.

При разложении (дыхании) подстилки теряется еще 9,4%; 15,8% переходит в гумус (11,7% за счет корней и 4,1% за счет подстилки), но из них 14,0% уходит на «дыхание» (минерализацию гумуса) и лишь 1,9% накапливается. Всего, таким образом, на дыхание уходит 79,2% ассимилированной энергии и 20,8% удерживается в живом и мертвом органическом веществе.

Несколько иную структуру имеет модель трансформации энергии в южнотаежных ельниках, построенная Ю. К. Шуйцевым (рис. 40) '.

Накопление б приросте

Рис. 40. Потоки энергии в южиотаежиом ельнике кисличнике (по материалам

Ю. К. Шуйцева).

Основные блоки: I — фитомасса, // — мертвое органическое вещество (наземный и подземный опад), Ш

— почвенный гумус. Площади заштрихованных прямоугольников пропорциональны запасам энергии в

блоках (Мдж/м , обозначены цифрами в рамках). Эпюры со стрелками указывают направление

основных потоков энергии; цифры в числителе — величина потока (Мдж/м²), в знаменателе — процент

от количества ФАР вегетационного периода

В живой биомассе суши аккумулировано примерно 4*10¹⁶ МДж энергии, что соответствует,5% годовой суммарной солнечной радиации или около 14% радиационного баланса. В отдельных сообществах эти соотношения более высоки. Так, в таежных темнохвойных лесах запас связанной энергии составляет в среднем около 500 МДж/м² (что эквивалентно 40% годового радиационного баланса), в листопадных широколиственных — 650 МДж/м² (40%),

¹ См.: Шуйцев Ю. К. Некоторые особенности энергетики южнотаежных ельников Новгородской области// Вопросы географии. 1981. № 117. С. 208 —215.

196

в экваториальных лесах — 850 МДж/м² (24%), а в североамериканских лесах из секвойи и дугласии — более 1700 МДж/м² (70%).

Некоторая часть аккумулированной солнечной энергии содержится в мертвом органическом веществе (подстилке, почвенном гумусе, торфе). В гумусе мощных тучных черноземов она превышает 1000 МДж/м , в торфе — тысячи МДж/м .

Ежегодно лишь ничтожная часть биологически связываемой энергии Солнца «консервируется» в мертвой органической массе и превращается в потенциальную химическую энергию, однако кумулятивный эффект этого процесса, продолжавшегося на протяжении геологических эпох, выразился в накоплении огромного запаса энергии в каустобиолитах, соразмерного с годовым поступлением суммарной солнечной радиации к суше.

Энергетическое значение биоты в функционировании геосистем определяется не только преобразованием солнечного тепла непосредственно при фотосинтезе (и разложении биомассы). Напомним, что уже на входе в геосистему поток солнечной энергии существенно трансформируется растительностью: низкое альбедо растительного покрова влияет на увеличение радиационного баланса; с другой стороны, под полог леса проникает лишь часть радиации (в темно-хвойном лесу — 1/10 и менее), причем изменяется ее спектральный состав и уменьшается доля ФАР; над поверхностью леса турбулентный поток тепла возрастает по сравнению с безлесной поверхностью и т. д. Особенно же существенное место в энергетическом балансе ландшафта занимают затраты солнечного тепла на перекачивание влаги из почвы в атмосферу через растения. В гумидных ландшафтах транспирация составляет главную статью расхода солнечной энергии. Как уже отмечалось, при развитом растительном покрове испарение осуществляется в основном в виде транспирации, за исключением неизбежных потерь влаги на физическое испарение (преимущественно до начала и после окончания вегетации) .

Необходимость больших затрат энергии на транспирацию (и тем самым обеспечения минерального питания растений, а также предотвращения их перегрева), очевидно, служит причиной низкого КПД фотосинтеза и лимитирует возможности повышения биологической продуктивности. В ландшафтах, достаточно обеспеченных влагой, на транспирацию расходуется не менее 60 — 80% энергии радиационного баланса, а в экваториальных лесах этот показатель местами приближается к 100%. Если допустить гипотетическую возможность полного перехвата стока и физического испарения и утилизации всех атмосферных осадков, то в гумидных ландшафтах попросту не хватит солнечной энергии, чтобы растения смогли «перекачать» все это количество влаги в атмосферу. В аридных же ландшафтах

¹ Испарение происходит и с поверхности снежного покрова, составляя, впрочем, небольшую долю суммарной эвапотранспирации — порядка 5 — 10 мм, или около 10 — 20% твердых осадков.

197

естественные пределы фотосинтеза и продуцирование биомассы определяются недостатком осадков.

Топологические, или ландшафтно-морфологические

(внутриландшафтные), закономерности в энергетике геосистем изучены недостаточно. Ю. К. Шуйцев, изучая энергетику южнотаежных ельников, пришел к заключению, что автономные (плакорные) сообщества используют солнечную энергию наиболее эффективно, а супераквальные (с застоем влаги) — наименее. Трансэлювиальные и трансаккумулятивные местоположения занимают в этом отношении промежуточное место. Соответственно изменяются запасы энергии в живой фитомассе (МДж/м²): в плакорном ельнике-черничнике — 799, в чернично-зеленомошном и хвощево-папоротниковом — по 705, в сфагновом — 275. Запасы энергии в мертвом органическом веществе, напротив, возрастают по мере ухудшения дренажа и аэрации: в сухостое и подстилке соответственно 30, 77, 41, 204, а в гумусовом веществе почвы и торфе — 105, 99, 242 и 2396 МДж/м .

Особый аспект энергетики ландшафта связан с потоками механической энергии. Источники механического перемещения вещества в ландшафте имеют двоякую природу: оно осуществляется за счет энергии тектонических процессов, «законсервированной» в земной коре, и энергии солнечных лучей. В «надводной» части материков (лежащей выше уровня Мирового океана) накоплено около 3*10¹⁸ МДж потенциальной механической энергии (примерно в 3 раза больше суммарной радиации, поступающей ежегодно на сушу), которая эквивалентна энергии тектонических процессов, затраченной на преодоление силы тяжести. Ежегодно при денудации реализуется, т. е. превращается в кинетическую энергию, около одной десятимиллионной доли этого запаса, что соответствует десятитысячным долям процента от величины суммарной радиации. При кажущейся незначительности этой цифры с ней связаны мощные потоки твердого материала, о которых уже речь шла выше.

В количественном отношении на 2 — 3 порядка выше потоки механической энергии, происходящие за счет трансформации солнечного тепла и обусловливающие перемещения воздушных и водных масс, а также ледников, пыли, органического опада. Нарушение теплового и связанного с ним гравитационного равновесия в атмосфере из-за неравномерного поступления тепла от земной поверхности приводит к механическому перемещению воздушных масс, а вместе с ними — водяного пара, пылевых и органических частиц. В механическую энергию ветра ежегодно переходит й*10¹⁴ МДж солнечной энергии (около 0,1% суммарной радиации, полученной всей сушей). Эта энергия рассеивается в виде тепла (в том числе и при выпадении атмосферных осадков). Механическая энергия всех текучих вод, которая есть также не что иное, как трансформированная лучистая энергия Солнца, оценивается в й*10¹³ МДж*год (около 0,01% суммарной радиации).

В каждом конкретном случае запасы потенциальной механиче-

198

ской энергии геосистемы и величина работы, производимой при механическом перемещении вещества, могут быть определены путем сравнения потенциалов силы тяжести («энергия положения») масс, расположенных на разных гипсометрических уровнях. Например, если при разнице высот в 20 м в пределах площади 1 га годовой слой денудации составляет 0,1 мм при объемной массе 2,5 г/см³, т. е. перемещается 2,5*10³ кг материала, то работа по его перемещению (денудации) составит: А_д = 2,5*10³ кг * 9,8 м/с² * 20 м = 4,9 МДж/га = 4,9 • 10"⁴ МДж/м².

При годовом слое стока 300 мм с той же площади работа, произведенная текучими водами, равна: А_с = 3*10⁶ кг * 9,8 м/с² * 20 м = 59 МДж/га = 5,9 * 10"³ МДж/м².

Преобразование энергии может служить одним из показателей интенсивности функционирования ландшафта. Вопрос о возможности интегральной количественной оценки функционирования ландшафтов с помощью какой-либо единой меры имеет дискуссионный характер. Однако сравнивая ландшафты по отдельным частным показателям функционирования (трансформация солнечной энергии, внутренний влагооборот, биологический круговорот веществ и др.), мы находим между этими показателями определенное соответствие. Очевидно, интенсивность функционирования ландшафта тем выше, чем интенсивнее в нем внутренний оборот вещества и энергии и связанная с ним созидающая функция, которая выражается прежде всего в биологической продуктивности. В свою очередь, все перечисленные процессы определяются соотношением теплообеспеченности и увлажнения. Однако до сих пор не найдено удовлетворительного способа выражения этого соотношения в виде того или иного коэффициента. Наиболее удачным представляется предложенный Н. Н. Ивановым «показатель биологической эффективности климата» (ТК) в виде произведения от умножения суммы

температур за период со средними суточными температурами выше 10 °С (Т) на годовой коэффициент увлажнения (К). При этом за предельную величину К принята 1, так как дальнейшее увеличение увлажнения не оказывает положительного эффекта на биологическую продуктивность и на функционирование ландшафта в целом.

При всей условности этого коэффициента (основной недостаток его состоит в том, что он «не работает» в приполярных областях, где не бывает

средних температур выше 10 °С) он дает достаточно объективное представление об относительной степени тепло- и влагообеспеченности различных ландшафтов и при этом хорошо коррелирует с другими показателями функционирования, в качестве которых в табл. 15 приведены также относительные значения интенсивности внутреннего влагооборота, или, что то же, затрат тепла на эвапотранспирацию Е, величины чистой первичной продукции фитомассы Б и годового потребления зольных элементов и азота растительностью ММ". По всем перечисленным показателям первое место занимают экваториальные ландшафты, для которых значения ТК, Е,

199

Таблица15. Показатели относительной интенсивности функционирования ландшафтов

Б и ММ приняты за 100. Данные по остальным ландшафтам представлены в виде отношения к 100, т. е. в процентах по отношению к абсолютным величинам, свойственным экваториальным ландшафтам. В качестве типичных значений для разных зональных типов ландшафтов приняты те, которые наблюдаются в более или менее сравнимых условиях секторности, а именно в умеренно-континентальных секторах.

Нетрудно заметить, что по всем принятым в табл. 15 признакам типы ландшафтов располагаются практически в одинаковой последовательности от наивысших значений к наинизшим.

Наиболее существенные отклонения имеются лишь в последней колонке, что объясняется главным образом способностью травяных сообществ более интенсивно поглощать элементы питания по сравнению с лесными. В целом же та последовательность ландшафтных типов, которая представлена в табл. 15, может рассматриваться в первом приближении как их ранжированный ряд по относительному убыванию интенсивности функционирования.