Энергетика ландшафта и интенсивность функционирования.

Солнечная радиация - почти единственный источник энергии почти для всех природных процессов в географической оболочке. Благодаря превращению солнечной энергии в другие виды - тепловую, химическую и механическую, осуществляются все внутренние обменные процессы в ландшафте (влагооборот, биологический метаболизм, циркуляция воздушных масс).

Поток суммарной солнечной радиации к поверхности суши составляет в среднем 5600 Мдж/м2 год, а радиационный баланс - 2100 МДж/м2год. Для сравнения, энергия внутренних недр Земли, поступающая к поверхности и способная участвовать в ландшафтообразующих процессах состоящая из: энергии современных тектонических движений (в том числе сейсмических процессов) - 0,03 МДж/м2 год и теплового потока, связанного с переносом к земной поверхности продуктов вулканических извержений и термальных вод - 2МДж/м2год. Это составляет в среднем для Земли 0,04% от суммарной солнечной радиации. Но для вулканических ландшафтов величина потока геотермической энергии достигает 20-50 МДж/м2год, а в локальных местах -(кратерах вулканов, горячих источниках) - несколько тыс. МДж/м2год. А во время вулканических извержений поток геотермического тепла может достигать в пересчете на год 2,5 х108  МДж/м2

Остальные поступления энергии ничтожны и представлены: энергией космических лучей - 10 Мдж/м2год и энергией приливного трения - 0,1 Мдж/м2год.

Обеспеченность солнечной энергии определяет интенсивность функционирования ландшафтов (при равной влагообеспеченности), а сезонные колебания инсоляции обусловливают основной годичный цикл функционирования.

Преобразование солнечной радиации начинается еще в верхних слоях атмосферы, но наиболее интенсивно этот процесс происходит у земной поверхности. Суммарная солнечная радиация, достигающая земной поверхности частично отражается от нее. Потери солнечной радиации на отражение колеблются в зависимости от характера поверхности и характеризуются  величиной альбедо. Теоретически его значения меняются от 0 (абсолютно черная поверхность) до 1 (абсолютно белая поверхность). В реальных условиях наибольшие значения альбедо характерны для свежевыпавшего снега - 0,80-0,95. Средние значения альбедо снега меньше и составляют 0,70-0,80, а тающего снега - 0,30-0,50. При отсутствии снега наибольшие альбедо наблюдаются в пустынных районах, где поверхность почв покрыта слоем кристаллических солей (дно высохших соленых озер). В этих условиях альбедо может достигать 0,50. Немногим меньшие значения имеют пустыни, лишенные растительности, со светлыми песчаными почвами. Альбедо светлых горных пород (и песков) составляет  0,20-0,40, темных горных пород и почв - 0,05-0,10, при этом альбедо влажной почвы всегда меньше альбедо той же почвы, но в сухом состоянии. Альбедо естественных поверхностей со сплошным растительным покровом изменяется в сравнительно небольших пределах от 0,10 до 0,20-0,30. Так, альбедо лиственного леса в период вегетации и пожелтения составляет 0,15-0,20, хвойного леса - 0,10-0,15, густого зеленого травостоя - 0,20-0,25, ерниковой и мохово-лишайниковой тундры - 0,15 -0,25, травяной ветоши и болот - 0,15-0,20. Более низкие значения альбедо леса, особенно хвойного, по сравнению с луговой растительностью, по-видимому, объясняются более благоприятными условиями поглощения в пределах высокого (древесного) растительного покрова, где возрастает вероятность поглощения проникших в растительный покров потоков солнечной радиации после их отражения от элементов растительности.

Эффективное излучение, зависящее от температуры излучающей поверхности, облачности и влажности воздуха, также сильно дифференцировано по ландшафтам. В результате наибольшую часть суммарной радиации теряют приполярные ландшафты (арктические пустыни - около 87%, тундровые - 80%, пустынные и таежные - 65%, , степные, лесостепные, широколиственные суббореальные - 59-62% , экваториальные леса - 47%).

Поглощенное земной поверхностью тепло расходуется, в основном, на транспирацию и на турбулентную отдачу тепла в атмосферу, (нагревание воздуха и влагооборот). Соотношение этих затрат зонально, в гумидных ландшафтах преобладают затраты тепла на транспирацию, а в аридных - на турбулентную теплоотдачу.

Таблица 2

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

Природная зона

Радиационный баланс

Затраты  на испарение

Затраты  на турбулентный обмен

Мдж/м2год

Мдж/м2год

в %

Мдж/м2год

в %

Тундра

625

500

80

125

20

Тайга (северная)

1100

900

82

200

18

Тайга(средняя и южная)

1350

1125

83

200

18

Подтага

1450

1225

84

225

17

Широколиственные леса

1550

1300

84

225

16

Лесостепь

1600

1280

80

250

16

Степь

1800

1130

63

670

37

Полупустыня

1900

615

32

1285

68

Пустыня(умер.пояс)

2150

280

18

1770

82

Субтропическая влажная лесная

2500

2000

80

500

20

Тропическая пустыня

2700

до 200

до 5

2500

95

Саванна опустыненная

3000

600

20

2400

80

Савана типичная

3150

1650

52

1500

48

Влажные экваториальные леса

3500

3150

90

350

10

Большие затраты энергии на транспирацию объясняются необходимостью обеспечивать растения минеральным питанием и предотвращать их перегревание. Эти затраты энергии, очевидно, служит причиной низкой эффективности фотосинтеза и лимитируют возможности повышения биологической продуктивности ландшафтов. Как видно из таблицы 2, в ландшафтах, обеспеченных влагой, на транспирацию расходуется 60-80% энергии радиационного баланса, а в экваториальных лесах показатель местами приближается к 100%.

Другие энергозатраты, играющие существенную роль в функционировании ландшафта, составляют очень небольшую часть радиационного баланса. Это, прежде всего, теплообмен земной поверхности с почво-грунтами. Он носит циклический характер: в теплое время тепловой поток  поступает от поверхности вглубь, в холодное - в обратном направлении. Величина этого теплопотока наибольшая в континентальных ландшафтах с резкими сезонными колебаниями температуры воздуха и поверхности почвы, и зависит от влажности, литологии почвенно-грунтового чехла (теплопроводности горных пород) и характера растительного покрова. Например, мохово-торфяной слой служит теплоизолятором, затрудняющим теплообмен; под пологом леса уменьшается приток солнечного тепла к поверхности почвы и теплообмен слабей, чем на безлесных территориях. Сезонный теплообмен проникает на глубину 10-20 метров, и его величина составляет несколько процентов от годового радиационного баланса (для тундры - до 10%).

В высоких и умеренных широтах часть радиационного баланса расходуется на таяние снега, льда и сезонной мерзлоты (2-5%).

На физическое разрушение горных пород, химическое разложение минералов в почве уходят сотые и тысячные доли процента.

В трансформации солнечной энергии важнейшая роль принадлежит биоте, хотя на биохимическую реакцию фотосинтеза растений суши используется лишь 0,5% от общего потока суммарной радиации или 1,3% радиационного баланса. В фотосинтезе используется так называемая фотосинтетически активная радиация (ФАР) - часть солнечного излучения в диапазоне волн от 0,4 до 0,7 мкм, составляющая 45% от суммарной радиации (40% прямой, 62% рассеянной). Растительной покров поглощает 90% ФАР (или 40% суммарной), но подавляющая его часть расходуется на транспирацию и поддержание определенных термических условий в сообществе и только 0,8%-1,0% от ФАР участвует непосредственно в фотосинтезе. Коэффициент полезного действия (КПД) фотосинтеза меняется в зависимости от природной зоны: наибольшие значения КПД фиксируются на экваторе, где существует оптимальное сочетание тепла и влаги, наименьшее - в пустынях и полярных областях. На территории бывшего СССР значения этого коэффициента распределяются следующим образом (по М.И. Будыко): наибольшие значения наблюдаются в районах с максимальным годовым приростом (в субтропиках Черноморского побережья Кавказа) - до 2%, сравнительно велики значения этого коэффициента на всей Европейской территории России (1,2% - 0,6%), за исключением засушливых областей юга и юго-востока (до 0,2%), на основной части Сибири, за исключением Западной Сибири и юга Дальнего Востока, в годовом приросте биомассы заключено от 0,4 до 0,8% от приходящей ФАР. Уменьшение значения коэффициента в восточных районах, по сравнению с западными, объясняется менее благоприятными условиями - меньшим увлажнением и сокращением вегетационного периода. В пустынях и полупустынях это значение падает до 0,2-0,1%. Установлено, что в период вегетации КПД несколько выше, чем в среднегодовом, а при особо благоприятных условиях у отдельных листьев КПД фотосинтеза может составлять 15-24%.

Около половины затраченной  на фотосинтез энергии высвобождается при дыхании продуцентов, остальная часть сохраняется в чистой первичной продукции. Содержание энергии в образовавшейся фитомассе определяется по калорийности (теплоте сгорания) органического вещества, которая в среднем близка к 18.5 кДж на 1г сухого вещества, но варьирует в зависимости от географической широты, возрастая от низких широт к высоким:

· влажные экваториальные леса - 16-17 кДж,

· листопадные широколиственные  леса - 17-19 кДж,

· хвойные леса - около 20 кДж,

·  кустарничковые тундры - 21-24 кДж.

В процессе дыхания продуцентов, консументов и редуцентов и разложения органических остатков использованная при фотосинтезе энергия снова превращается в тепло. Таким образом, вся энергия, связанная первичными продуцентами, рассеивается и, в отличие от вещества, не возвращается в биологический цикл, т.е. энергообмен не имеет замкнутого характера и не является круговоротом. На каждом последующем трофическом уровне для создания биомассы используются энергия меньшая, чем на предыдущем уровне и происходят ее значительные потери.

Рассмотрим распределение энергии на примере ландшафта широколиственного леса умеренного пояса. Примем общее количество ассимилированной энергии за 100%, тогда 54,7% из них расходуется на дыхание растительного покрова, а 45,3% накапливается в чистой первичной продукции. Из  этих 45,3% - 18.9% - остается в приросте, 13,6% - уходит в подстилку, 11,7% - в отмершие корни,  1,1% - выедается животными (следовательно, переходит на другой трофический уровень).

При разложении подстилки из 13,6%  энергии, перешедшей в подстилку 9,5% - теряется при разложении подстилки, оставшиеся 4,1% и 11,7% энергии, ассимилированной корнями (всего 15,8%) - переходит в гумус. Из этих 15,8% -14,0% расходуется при минерализации гумуса, и лишь 1,8% накапливается. Таким образом, на дыхание и другие процессы окисления уходит 79,3% ассимилированной энергии и лишь 20,7% удерживается в живом и мертвом веществе.

В южно-таежных ельниках распределение энергии несколько иное: 50% ассимилированной энергии расходуется на дыхание, а 50% накапливается в чистой продукции, из которой 22,1% - сохраняется в приросте, 27,9% уходит в опад и отмершие корни, из которых 18,6% теряется при разложении опада и подстилки, а 9,3% уходит в гумус. Таким образом, в живом и мертвом веществе в этом случае удерживается 22,1%.

В целом, в живой массе суши аккумулировано 5% годовой суммарной солнечной радиации, или 14% радиационного баланса. Но в отдельных сообществах эти соотношения более высокие:

· таежные темнохвойные леса - 40% годового радиационного баланса, что эквивалентно 500 Мд/м2

· листопадные широколиственные леса - 50%, или 650 Мд/м2

· экваториальные леса -  67% годового радиационного баланса - 850 Мд/м2

· североамериканские леса из секвойи и дугласии - 70% радиационного баланса - 1700 Мд/м2.

Некоторая часть аккумулированной растениями солнечной энергии содержится в мертвом органическом веществе (подстилке, гумусе, торфе). В гумусе черноземов содержится 1000 Мдж/м2, в торфе - тысячи мДж/м2. Таким образом, в энергообмене ландшафта ведущую роль играет биота.

Энергетическое значение биоты для ландшафта определяется не только преобразованием солнечного тепла непосредственно при фотосинтезе и разложении биомассы. При входе в геосистему солнечный поток трансформируется растительностью и низкое альбедо растительного покрова увеличивает радиационный баланс. Под полог леса приникает лишь часть радиации (в темнохвойном лесу на поверхность почвы проникает лишь 1/10 часть суммарной радиации, поступающей на кроны), меняется ее спектральный состав и уменьшается доля ФАР. Над лесной поверхностью турбулентный поток тепла возрастает по сравнению с безлесной.

Интенсивность функционирования ландшафтов определяют по нескольким показателям:

· показателю биологической эффективности климата (Тк), равному произведению суммы температур за период со среднесуточными температурами выше 100  и годового коэффициента увлажнения (при принятии предельного значения последнего равного 1, ибо большее увлажнение не оказывает положительного влияния на биологическую продуктивность).

· затратам тепла на транспирацию (Е)

· величине первичной продукции фитомассы (П)

· величине годового потребления зольных элементов и азота растительностью (МN).

Наибольшие значения этих показателей имеют экваториальные ландшафты. Их при сравнении принимают за 100%, и, по отношения к ним, остальные ландшафтные зоны располагаются в последовательности от наибольших значений к наименьшим. Эту последовательность можно рассматривать как ряд ландшафтов по убыванию интенсивности их функционирования (таблица 3).

Таблица 3

Показатели относительной интенсивности функционирования ландшафтов

Типы ландшафтов

Тк

П

Е

MN

Влажные экваториальные леса

100%

100%

100%

100%

Субэкваториальныелесные

96

80

82

80

Тропические лесные

87

60

77

80

Субтропические влажные лесные

66

60

68

50

Саванны типичные

32

35

51

35

Субориальные широколиственные

28

34

43

26

Суббориальные лесостепи

20

35

41

35

Южнотаежные леса

17

22

33

15

Суббориальные степи

16

17

36

25

Саванны опустыненные

16

17

35

16

Среднетаежные леса

14

18

30

10

Суббориальные сухие степи

12

20

28

12

Северотаежные леса

11

12

24

8

Лесотундры

7

11

20

7

Суббориальные полупустыни

7

11

18

10

Субтропические пустыни

5

10

15

8

Субориальные пустыни

4

5

16

5

Тундры типичные

2

6

10

5

Тропические пустыни

2

меньше2

6

Меньше 2

Арктические тундры

0

4

8

2

Полярные пустыни

0

1

7

Меньше 2