Ландшафтно-геофизический подход к изучению ПТК

Из истории развития метода и его сущность.Геофизический под­ход к изучению природной среды зародился столь же давно, как и сама география. С самых ранних этапов развития географии для нее было свойственно стремление охарактеризовать наиболее общие особенности строения Земли, ее вещественного состава, познать физическую сущность процессов: круговорота воды, циркуляцию воздушных масс, разрушения и перемещения горных пород и т.д.

Долгое время география и геофизика развивались в рамках од­ной науки. Даже в XIX столетии географы не всегда разграничива­ли эти две науки. До относительно недавнего времени геофизиче­ские методы использовались в географии преимущественно при изучении наиболее динамичных компонентов — воздушных и вод­ных масс. Без применения этих методов вообще немыслимо суще­ствование таких отраслевых географических наук, как климатоло­гия, гидрология, океанология, гляциология. Существенную роль они играют в геоморфологии и геокриологии (мерзлотоведении).

Качественно новый этап развития геофизического метода в гео­графии — применение его к изучению таких сложных динамиче-

ских систем, включающих в себя разные уровни организации ма­терии, как ПТК и географическая оболочка в целом.

Геофизический метод в комплексной физической географии включает всю совокупность приемов, при помощи которых изуча­ются физические свойства ПТК и физико-механический аспект процессов обмена веществом, энергией и информацией как внут­ри комплекса, так и комплекса с окружающей средой (К.Н.Дья­конов и др., 1996), так как именно эти процессы составляют сущ­ность взаимосвязей ПТК. У его истоков стояли А. А. Григорьев, М. И. Будыко и Д.Л.Арманд.

А. А. Григорьев еще в 1929 г. писал о том, что изучение механизма процессов, протекающих в природной среде, преследует две цели: углубить наши представления о качественной стороне географиче­ских процессов и их взаимозависимостях, а также установить прихо­до-расходный баланс тех категорий энергии и тех видов материи, которые играют основную роль в географических процессах. Он неоднократно подчеркивал, что все протекающие в природе процес-i сы тесно взаимосвязаны, и ввел в науку понятие единый физико-географический процесс (1934), которое близко по смыслу к совре­менному представлению о функционировании ПТК как интеграль­ном природном процессе (А. Г. Исаченко, 1991; И. И. Мамай, 1992).

А. А. Григорьев утверждал, что ведущую роль в формировании природных зон играет соотношение количества солнечной радиа­ции и атмосферной влаги, определяющее интенсивность ряда при­родных процессов и, прежде всего, биологического круговорота вещества. Совместно с М. И. Будыко им был установлен один из основных геофизических показателей природных зон — радиаци­онный индекс сухости (К,.), который представляет собой отноше­ние годового радиационного баланса (R) к годовой сумме осадков (г), умноженной на скрытую теплоту испарения (L):

Основная закономерность его изменения в пределах географи­ческой оболочки Земли — периодический закон географической зо­нальности.

Таким образом, геофизический метод в комплексной физиче­ской географии первоначально был применен для исследования энергообмена в пределах довольно крупных ПТК (природных зон) ибазировался на использовании массовых данных наблюдений на станциях гидрометеосети. Дальнейшее применение его для деталь­ного изучения более мелких ПТК тормозилось отсутствием необ­ходимых для этих целей фактических данных.

Массо-, энергообмен различных ПТК очень индивидуальны и Могут существенно изменяться во времени и в пространстве (от комплекса к комплексу), поэтому надежность геофизических по-

казателей зависит от длительности и массовости наблюдений, ко­торые могут быть обеспечены лишь стационарными исследовани­ями.

Создание Курской полевой экспериментальной базы Институ­та географии АН СССР на территории Центрально-Черноземного заповедника в Стрелецкой степи позволило начать геофизическое изучение комплексов более низкого ранга. Д.Л.Арманд, обосно­вавший самостоятельность геофизического направления в ланд-шафтоведении, считал, что ведущее место в нем занимает пробле­ма обмена веществом и энергией между живой и мертвой приро­дой. Под руководством Д.Л.Арманда, М.И.Львовича и Ю.Л.Рау-нера на Курской базе с 1961 г. начали проводиться актинометри-ческие, теплобалансовые, гидрологические, биогеографические стационарные исследования.

В 60—70-х гг. XX в. создан ряд комплексных физико-географиче­ских стационаров, исследования на них, призванные обеспечить сбор фактического материала путем инструментальных наблюдений в разных ПТК, приобретают достаточно широкий размах. Стацио­нарные исследования проводились в академических институтах (Институте географии АН СССР, Институте географии Сибири СО АН СССР, Тихоокеанском институте географии ДВО АН СССР), а также в вузах (Тбилисском, Ленинградском, Московском, Львов­ском, Киевском и других университетах). Круг наблюдаемых явле­ний и процессов, а подчас и методика работ на этих стационарах, были различны, по-разному были расставлены акценты исследо­вания, но все они по существу были направлены на изучение раз­личных аспектов функционирования ПТК и их состояний (суточ­ных, внутрисезонных, сезонных, годовых и многолетних).

Дополнительный толчок развитию геофизического направле­ния в комплексной физической географии в 70-х гг. дает использо­вание дистанционных методов исследования. Особенно широкие возможности для этого открылись с появлением пилотируемых космических кораблей и искусственных спутников. Материалы раз­нообразных космических съемок (в видимой и инфракрасной час­тях спектра, спектрометрической, микроволновой, электромагнит­ной и др.) в сочетании с наземными исследованиями позволили установить связи между образом ПТК на различных снимках («спек­тральным образом») и их характеристиками, на основании кото­рых путем дешифрирования космических снимков можно полу­чать массовые данные о состоянии и функционировании различ­ных ПТК, устанавливать закономерности их динамики и развития. Под функционированием ПТК понимается «вся совокупность про­цессов перемещения, обмена и трансформации энергии, вещества, а также информации в геосистеме» (А.Г.Исаченко, 1991. — С. 13). Таким образом, функционирование ПТК состоит из множества элементарных процессов, имеющих физическую, химическую или

биологическую основу. Примерами таких процессов являются па­дение капель дождя, просачивание их сквозь почву, подтягивание влаги по капиллярам, фотосинтез, разложение органики микро­организмами и т.д. Но в природе эти элементарные процессы тес­но взаимосвязаны, так, капля воды не только просачивается сквозь почву, но и растворяет некоторые из содержащихся в ней соеди­нений, перемещает их в более низкие горизонты или уносит за пределы почвенного профиля, либо эта капля может оказаться захваченной корнями растений и участвовать в синтезе органиче­ского вещества. Поэтому просачивание воды сквозь почву может рассматриваться как с точки зрения физических закономерностей и методами физики, так и с позиций химии, ее методами иссле­дования.

На этом примере мы видим, как элементарные процессы, свя­занные с определенными формами движения материи, перепле­таются и переходят друг в друга, интегрируясь во все более слож­ные географические процессы. Так называемые частные географи­ческие процессы (испарение, эрозия, карстообразование, почво­образование, сток и т.д.) изучаются отраслевыми географически­ми дисциплинами. Однако с точки зрения функционирования ПТК такое расчленение условно. Например, сток — это процесс одно­временно и гидрологический, и геоморфологический, и геохими­ческий, а в их сочетании — физико-географический процесс в широком смысле этого слова. Географический смысл этого про­цесса не может быть сведен к простым законам механики, хотя по своей физической сущности сток — это движение воды под дей­ствием силы тяжести.

Сток служит звеном еще более сложного процесса — влаго-оборота, который, в свою очередь, является важной составной частью механизма взаимодействия между компонентами ПТК и между самими ПТК. Влагооборот (круговорот воды в природе) — одно из главных функциональных звеньев ПТК. Другим звеном является минеральный обмен (геохимический круговорот). Влаго­оборот, минеральный обмен и газообмен (как его часть) охваты­вают все потоки вещества в ПТК (массообмен). Однако мы знаем, что перемещение, обмен и преобразование вещества сопровожда­ется поглощением, высвобождением и трансформацией энергии, т.е. массообмен неразрывно связан с энергообменом, который, в свою очередь, является специфическим функциональным звеном ПТК.

Что касается информации — свойства систем отражать внеш­ние сигналы, производя при этом внутренние преобразования (Г. Ф. Хиль-ми, 1966), то изучать обмен ею (информацией) мы пока еще долж­ным образом не научились (это дело будущего), поэтому геофизи­ческий метод в его современном виде разработан для изучения массо- и энергообмена как важнейшей составляющей функцио­нирования ПТК.

Таким образом, главным подходом к исследованию функцио­нирования ПТК является изучение трех главных его звеньев — влагооборота, минерального обмена и энергообмена. В каждом из них, в свою очередь, необходимо различать биотическую и абио­тическую составляющие.

Наличие биоты в большей или меньшей степени накладывает отпечаток на все три функциональных звена ПТК, но, пожалуй, сильнее всего влияет на обмен вещества. Наиболее активной частью минерального обмена является биологический обмен, получивший название малого биологического круговорота, который выделяет­ся в качестве самостоятельного функционального звена. В то же время известно, что первичное продуцирование биомассы осуще­ствляется в основном за счет использования солнечной энергии, поэтому массообмен в биологическом круговороте тесно связан с энергообменом, а участие влаги в фотосинтезе и транспирация растений связывают биологический круговорот с влагооборотом. Кроме этих составляющих при расчете влагооборота необходимо учитывать задержание части атмосферных осадков листовой по­верхностью растений и их последующее испарение. В этом прояв­ляется влияние биоты на абиотическую составляющую влаго­оборота, а также энергообмена, так как на испарение затрачива­ется тепловая энергия. Так происходит перекрытие отдельных зве­ньев функционирования, что лишний раз подчеркивает условность любого разделения единого процесса функционирования на зве­нья. Оно лишь служит методическим приемом в целях познания этого сложного многопланового процесса.

Изучение биотических связей и биологического круговорота яв­ляется основной задачей биоценологических стационаров, а комп­лексные физико-географические стационары обычно переносят центр тяжести исследований на изучение абиотических процессов и горизонтальных связей между отдельными ПТК, играющих ве­дущую роль в интеграции их в более сложные комплексы.

Возможны два разных подхода к изучению функционирова­ния ПТК и его отдельных звеньев. Один из них заключается в том, что различные процессы (степень их сложности может быть разной) изучаются самостоятельно. Этот подход не вполне отвеча­ет задачам познания ПТК как целого. Он более характерен для отраслевых исследований, однако используется и в комплексной физической географии, где на интеграции элементарных процес­сов по формам движения материи с последующим их изучением на уровне и методами современной физики или химии базируется развитие таких новых направлений, как геофизика и геохимия ландшафта. Другой путь — изучение функционирования ПТК по принципу «черного ящика»: суммарно учитывается все вещество или энергия, поступающие в ПТК (на входе) и выходящие из него (на выходе), не вдаваясь в детали, что и как происходит

I

I внутри комплекса. При таком подходе теряется сущность и гео-I графический смысл протекающих в природе процессов, для по-.; знания которых важно изучать не только внешние потоки, но и внутренний оборот, так как от него зависят многие свойства ПТК, в том числе и его устойчивость по отношению к внешним воздей­ствиям. Внутренние потоки по своей интенсивности намного пре­восходят внешние.

Количественная оценка соотношения между внешним и внут-' ренним массо- и энергообменом ПТК и в целом его функциони­рование даются в виде баланса вещества и энергии. Следователь-, но, балансовые уравнения ПТК — это средство их физического I описания. Активным сторонником метода балансов в физической ■ географии был Д.Л.Арманд (1947, 1975). Важное значение этого I метода неоднократно подчеркивал и А. А. Григорьев, считавший, что приходо-расходные балансы вещества и энергии являются внеш-[ ним выражением качественных различий физико-географическо-I го процесса.

Метод балансов позволяет рассматривать потоки вещества и энергии, поступающие в ПТК и выходящие из него, а также внут-I ренние преобразования и связи процессов внутри комплекса. Не-I достаток этого метода — неполное отражение сущности природ-| ных процессов. Для составления балансов надо знать величины I поступления разных видов вещества и энергии в ПТК, их внутрен-I него обмена, метаболизма и аккумуляции, а также выноса за пре-| делы ПТК. Материалов для расчета баланса конкретных ПТК на-': коплено еще очень мало, поэтому приходится пока пользоваться [ не всегда однородными, часто отрывочными или косвенными дан-t¹ ными.

Радиационный баланс.Основным источником энергии многих I природных процессов является лучистая и тепловая энергия Солн-| ца, которая по плотности многократно превосходит все другие [ источники энергии в географической оболочке (внутреннее тепло Земли, энергия других космических тел и др.). Способная превра­щаться в другие виды энергии (тепловую, химическую и механи-[ ческую), солнечная радиация наиболее эффективна для функцио­нирования ПТК. За ее счет происходят внутренние обменные про­цессы в природном комплексе, включая влагооборот и биологи­ческий круговорот. Следовательно, все вертикальные и многие го­ризонтальные связи ПТК прямо или косвенно связаны с транс­формацией солнечной энергии. Поэтому важнейшее значение при геофизических исследованиях имеет определение радиационного и теплового балансов ПТК. Они измеряются в ккал/см² или кДж/м² (единицы СИ) в год, либо в кал/см² в минуту. Радиационный баланс рассчитывается по формуле

Оно весьма существенно изменяется от комплекса к комплексу и является важнейшей геофизической характеристикой ПТК. Это обусловлено зависимостью альбедо от особенностей деятельной поверхности, которая является продуктом формирования комплекса и отражает его специфику. Так, альбедо сухого свежевыпавшего снега составляет 0,80 — 0,95, чистого влажного снега — 0,60 — 0,70, загрязненного снега — 0,30 — 0,50; светлых горных пород — 0,20— 0,40, темных горных пород — 0,05 — 0,10; сухих светлых песчаных почв — 0,35 — 0,45, влажных серых почв — 0,10 — 0,20, темных почв — 0,05 — 0,15; густого зеленого травостоя — 0,20 — 0,25, тра­вяной ветоши и болот — 0,15 — 0,20, ерниковой и мохово-лишай-никовой тундры — 0,15 — 0,25, лиственного леса в период вегета­ции и пожелтения — 0,15 — 0,20, хвойного леса — 0,10 — 0,15. При расчетах радиационного баланса относительно мелких ПТК значе­ние некоторых альбедо может быть взято из табл. 8.

Эффективное излучение определяется по формуле

где Е_г — тепловое излучение земной поверхности; Е_а — встречное тепловое излучение атмосферы, направленное к деятельной по­верхности.

Эффективное излучение зависит от температуры излучающей поверхности, облачности и влажности воздуха, поэтому тоже из­меняется от комплекса к комплексу, порой весьма существенно.

Особенности радиационного баланса ПТК зависят не только от его географического (широтного) положения, режима облачно­сти и запыленности атмосферы, которые могут быть одинаковы на значительных пространствах, но и от многих местных (локаль­ных) факторов: экспозиции и крутизны склона, альбедо деятель­ной поверхности, теплоемкости литогенной основы и т.д., поэто­му радиационный баланс даже рядом расположенных фаций мо­жет существенно отличаться.

Для определения составляющих радиационного баланса обыч­но используют актинометр (для измерения прямой радиации), альбедометр (для измерения суммарной, рассеянной и отражен­ной радиации), балансомер (для измерения радиационного балан-

Г са деятельной поверхности). Все они работают в паре с гальвано­метром ГСА-1. Эффективное излучение либо измеряется при по­мощи пиргеометра, либо рассчитывается по данным метеорологи­ческих наблюдений за температурой, влажностью воздуха и облач­ностью (К.Н.Дьяконов и др., 1996. — С. 132— 133).

Радиационный баланс выражает то количество солнечной энер­гии, которое задерживается (поглощается) земной поверхностью, Преимущественно растительностью и почвой. Чрезвычайно инте­ресно проследить дальнейшие пути поглощенной энергии в при-

родном комплексе, где она преобразуется в другие виды энергии, главным образом в тепловую и лишь в малой дозе и временно — в химическую энергию органического вещества.

Тепловой баланс.Пути преобразования поглощенной энергии в ПТКможно проследить с помощью его теплового баланса. Основ­ной приходной статьей баланса является поглощенная солнечная радиация (R). Второстепенной статьей, доля которой столь мала, что в подавляющем большинстве ПТКею можно пренебречь, слу­жит внутренняя теплота Земли. Главными статьями расхода явля­ются турбулентный обмен теплотой между подстилающей поверх­ностью и атмосферой (Р_А) и затраты теплоты на испарение как физическое (LE), так и транспирацию растений (LT), где L — скрытая теплота парообразования. Соотношение этих двух статей в общих чертах подчинено закону зональности. В гумидных районах затраты теплоты на испарение превышают затраты на турбулент­ный обмен, а в аридных основная часть теплоты расходуется на турбулентный поток теплоты в атмосферу (табл. 9). Обе эти статьи могут менять свой знак в разное время суток и в отдельные сезоны года, т.е. вместо испарения может происходить конденсация влаги (LC) в виде росы или инея. А турбулентный поток теплоты может быть направлен не только от земной поверхности в атмосферу, но и из атмосферы к поверхности Земли.

На другие статьи расхода тратится лишь небольшая часть теп­лоты, тем не менее они играют значительную роль в функциони­ровании ПТК. Особой статьей расхода являются затраты теплоты на биохимическую реакцию фотосинтеза, в результате которой про­исходит накопление солнечной энергии в растительной массе. Со­держание энергии в образовавшейся фитомассе (энергетический эквивалент) определяется по калорийности (теплоте сгорания) органического вещества. В среднем она близка к 4,5 ккал на 1 г сухого вещества, но существенно варьирует у разных сообществ, видов и отдельных органов растений (табл. 10). На долю этой ста­тьи приходится всего 1 — 2% поступающей в ПТКтеплоты, но принципиальное значение ее очень велико.

Еще одной статьей расхода является теплообмен с почвой (А), имеющий переменный знак: в теплое время года и днем он направ­лен от поверхности в глубь почвы, а в холодное время и ночью — впротивоположном направлении, но за годовой цикл в среднем

многолетнем этот поток равен нулю. При отрицательном потоке в некоторых местах образуется мерзлота, а при положительном про­исходит разогревание земной поверхности. Интенсивность этого теплообмена наибольшая в континентальных условиях с резкими колебаниями температур воздуха и поверхности почвы. Его вели­чина зависит также от влажности и механического состава почво-грунтов, от растительного покрова.

К.Н.Дьяконов (1996) приводит следующее уравнение теплово­го баланса ПТК:

В этом балансе не учтен расход теплоты на таяние снега, льда, сезонной мерзлоты в почве и деятельного слоя многолетней мер­злоты. Однако при расчете годового баланса он должен учиты­ваться, так как на таяние снега, льда и сезонной мерзлоты в об­щей сложности расходуется в умеренных и высоких широтах до 2 — 5% теплоты (при замерзании воды затраченная теплота вы­деляется).

Как уже отмечалось, важнейшими расходными статьями теп­лового баланса являются расход теплоты на турбулентный обмен и на суммарное испарение (физическое и транспирацию влаги рас­тениями).

Для расчета турбулентного теплообмена между поверхностью почвы и атмосферой существует несколько формул (для устойчи­вой и неустойчивой атмосферы, ветреной и безветреной погоды), основанных на использовании характеристик метеорологических элементов в приземном слое воздуха. Они могут быть взяты из «Ру­ководства по тегагобалансовым наблюдениям» (Л., 1977).

Определение суммарного испарения вызывает наибольшие слож­ности, но значение этой статьи теплового баланса очень велико, так как она во многом регулирует энергетический баланс при­земного слоя воздуха и является важнейшей частью водного ба­ланса.

Существует несколько методов определения испарения: весо­вой, водно-балансовый, градиентный теплобалансовый, расчет­ный (по данным метеорологических наблюдений). При использо­вании весового метода в местах наблюдений специально устанав­ливаются испарители, которые позволяют определять величину ис­парения за любые промежутки времени путем взвешивания моно-

; литов почв. Количество выпавших осадков за период между взве­шиваниями определяется почвенными дождемерами, осадкомером Голубева или другими приборами.

Для определения испарения за год используется уравнение вод­ного баланса. При этом испарение (Е) вычисляется как разница между годовой суммой осадков (г) и годовым суммарным стоком (г). Этот способ достаточно точен и обеспечен массовыми данны­ми наблюдений гидрометеослужбы, но он не позволяет опреде­лять испарение за короткие промежутки времени (декады, меся­цы, сезоны) и совершенно непригоден для расчета испарения мелких ПТК (фаций, урочищ, а иногда и для ландшафтов).

Чаще всего для расчета затрат теплоты на испарение исполь­зуется градиентный теплобалансовый метод, который позволяет определять также величину турбулентного теплообмена и тепло-поток в почву за любые интервалы времени (час, сутки, неделю,

| месяц, сезон и т.д.).

В основу расчета затрат теплоты на испарение этим методом положены данные срочных наблюдений за температурой и влаж-

t ностью воздуха на двух высотах (чаще всего на высоте 2 и 0,5 м от

' поверхности). Одновременно фиксируется значение радиацион­ного баланса (К) и определяется поток тепла в почву (А). В этом

I случае затраты теплоты на испарение определяются по формуле

Этот метод позволяет выявить разницу величины испарения для различных фаций, определить средние дневные величины испаре­ния, а также уловить некоторые особенности хода испарения в за-

4 Жучкова 97

висимости от субстрата и растительности, характеризующие до не­которой степени соотношение тепла и влаги в конкретных фациях.

Имеются специальные формулы для расчета величины ис­парения с поверхности снега и льда (К.Н.Дьяконов, 1996. — С. 137-138).

Важным членом уравнения теплового баланса за короткие отрез­ки времени (сезоны года, время суток) является теплообмен с поч­вой (А). Расчет его основан на измерениях температуры на поверх­ности почвы и на разных глубинах и производится по формуле

Как видим, интенсивность потока теплоты во многом зависит от теплоемкости сухой почвы, которая определяется ее механи­ческим составом и остается постоянной для изучаемого комплек­са, а также от ее влажности.

Необходимо отметить, что затраты теплоты на почвообразова­ние не исчерпываются притоком в почву солнечного тепла. Оно поступает и с гумусом, представляющим собой продукт ассими-

ляции солнечной энергии, т. е. в процессе массообмена. Энергети­ческий баланс почвы достаточно детально рассмотрен в работе В.Р.Волобуева(1974).

Полевые наблюдения для расчета теплового баланса ПТК долж­ны включать определение радиационного баланса; температуры и влажности воздуха, а также скорости ветра на высотах 0,5 и 2 м; температуры на поверхности почвы и на глубинах 5, 10, 15, 20 см, а иногда до 80 см; влажности и объемной теплоемкости (для слоя 0—20 см или 0 — 80 см) почвы; удельной теплоемкости сухой части почвы. На стационарах он определяется раз в три года.

ПТК могут быть описаны абсолютными значениями состав­ляющих теплового баланса (суммарной радиации, радиационного баланса, затратами тепла на испарение и турбулентный теплооб­мен, а для некоторых сезонов и величины потока теплоты в поч­ву) либо относительными, которые принято называть показателя­ми структуры теплового баланса (отношением затрат теплоты на

Последние показатели обычно используются для сравнения зо­нальных ПТК.

Водный баланс.Большой интерес при изучении ПТК представ­ляет его водный баланс, так как посредством потоков влаги про­исходит основной минеральный обмен внутри ПТК и с окружа­ющей средой (через поступление влаги в природный комплекс и сток). Перемещение влаги сопровождается формированием раство­ров, коллоидов и взвесей, транспортировкой и аккумуляцией хи­мических элементов.

Годовой запас влаги в пределах ПТК образуется за счет жидких и твердых атмосферных осадков и конденсации водяного пара в почве. Конечно, часть осадков, попадающих на деятельную поверх­ность, испаряется и выносится поверхностным стоком, но осталь­ное фильтруется в почво-грунты и образует наиболее активную составляющую внутреннего влагооборота. Расходные статьи ее рас­пределяются следующим образом: часть влаги уходит на подзем­ный сток, другая при иссушении почвы поднимается по капилля­рам к поверхности и испаряется, небольшая часть тратится на абио­тические процессы, но основная ее масса в большинстве ПТК всасывается растениями и вовлекается в продукционный процесс.

Структура и интенсивность влагооборота зависят от энергообес­печенности и количества осадков, поэтому имеет зональные и сек­торные изменения (табл. 12).

I

I ca почвенной влаги, расходуемой растениями, идет на транспира-цию. В ПТК с хорошо развитым растительным покровом транспи-рация намного превышает физическое испарение. Растительность ' прямо или косвенно способствует уменьшению стока, т. е. изыма-нию влаги из внутреннего влагооборота. Там, где в ПТК имеется мощная подстилка из растительных остатков, поверхностного стока практически не происходит.

Естественно, влагооборот существенно изменяется в пространст­ве (от комплекса к комплексу) и во времени (суточные, погодные, сезонные режимы). Это связано как с распределением осадков (вет­ровая экспозиция склонов, близость водных объектов), так и с изменениями структуры расходной части, зависящей от уклона поверхности, состава грунтов, характера растительности. При изу­чении внутреннего влагооборота ПТК важнейшее значение имеют суммарное испарение, фильтрация и капиллярный подъем влаги в I почве. Движение влаги в ПТК зависит от водопроницаемости грун-. тов, их капиллярности (и то и другое обусловлены механическим I составом почв), а также от удельной поверхности: с ней связано I количество пленочной влаги, которое может содержать почва.

Методы изучения водного баланса в основном эксперименталь-■ ные или расчетные. Для изучения водного баланса относительно простых ПТК (фаций, подурочищ) организуют наблюдения на ^ц стоковых площадках, на которых при помощи испарителей, ней-; тронных индикаторов влажности, лизиметров, инфильтрометров, почвенных дождемеров и других приборов определяют поверх­ностный, внутрипочвенный, почвенный сток, осадки, испарение, величину инфильтрации влаги.

Баланс вещества.Изучение баланса твердого вещества в ПТК затруднено его малой подвижностью. Правда, некоторые относя-I щиеся к нему процессы (пыльные бури, движение оползней, эро-; зионные процессы, поступление веществ с атмосферными осад­ками, например со снегом или кислотными дождями и т.д.) про­текают достаточно быстро и исследуются сравнительно простыми средствами. Изучением составляющих баланса твердого вещества разработанными для этого методами занимаются представители многих географических наук.

Приходными статьями баланса твердого вещества в автоном­ном ПТК являются его поступление с атмосферными осадками, воздушными потоками, тектоническими процессами, с подзем­ными водами, а расходными — вынос вещества поверхностным и подземным стоком, воздушными потоками и транспирацией, гра­витационными процессами. Важной составляющей внутренних потоков вещества в ПТК служит растительный опад.

Современная ситуация в комплексной физической географии сложилась так, что массообмен в ПТК изучается преимуществен­но геохимическими методами.

Баланс биомассы.Специфическим направлением исследования ПТКявляется изучение их биоэнергетики, но им занимается пре­имущественно биогеоценология: изучением фотосинтеза и связан­ных с ним энергетических потоков (Ю.Одум, 1975), анализом пи­щевых цепей и трофических уровней (П. П. Второв, Д. А. Криволуц-кий и др.). Биологический круговорот характеризуется многими показателями, в том числе и относящимися к внутренним обмен­ным процессам в самом биоценозе. Изучается он методами геохи­мии ландшафта.

При комплексных физико-географических исследованиях наи­больший интерес представляют взаимосвязи биоценоза как цело­го с другими компонентами ПТК, зависимость биогенных пото­ков и биологической продуктивности от географических факто­ров, его роль во внутреннем механизме функционирования и внеш­них связях ПТК. Исходя из этого важнейшими показателями биоло­гического круговорота являются его емкость и интенсивность, оп­ределяемые запасами фитомассы и величиной годовой первичной продукции, а также количеством опада и аккумулируемого мерт­вого органического вещества. Для оценки интенсивности биологи­ческого круговорота используются относительные показатели: от­ношение чистой первичной продукции к запасам фитомассы, от­ношение живой фитомассы к мертвому органическому веществу.

Основной приходной статьей баланса биомассы является обра­зование органического вещества из углекислого газа атмосферы, зольных элементов и азота, поступающих с водными растворами из почв, в процессе фотосинтеза. Около половины этого вещества окисляется в самих зеленых растениях в процессе дыхания и воз­вращается в атмосферу в виде СО₂. Оставшаяся чистая первичная продукция частично потребляется растительноядными животными, но основная ее масса более или менее длительное время находится в ПТК, участвуя в его функционировании и претерпевая различ­ные превращения.

Величина чистой первичной продукции и запасы фитомассы в том или ином ПТК определяются его природными условиями и биологическими особенностями тех видов и жизненных форм рас­тений, которые образуют фитоценоз. Наибольшими запасами фи­томассы характеризуется лесная растительность (табл. 13), так как деревья способны накапливать живое вещество в течение многих десятилетий и даже столетий. Запасы фитомассы многолетних тра­вянистых растений определяются их подземной частью. У однолет­них же растений корни являются однолетними органами и с на­ступлением зимы поступают в опад. Обычно у сообществ расте­ний, состоящих из аналогичных жизненных форм (древесных, кус­тарниковых, травянистых и др.), запасы биомассы тем больше, чем лучше теплообеспеченность и чем ближе к оптимальному со­отношение тепла и влаги. В величине ежегодной биологической

■ продукции наблюдаются большие колебания не только от комп-

I лекса к комплексу, но и от года к году.

Отношение чистой первичной продукции к запасам фитомассы

I наибольшее в травянистых сообществах, у которых нет многолет-

1 них надземных органов, а самое низкое — в лесных.

Значительная часть ежегодной продукции отмирает и разруша­ется, меньшая часть образует истинный прирост (табл. 14). Таким образом, основной статьей расходной части баланса биомассы яв­ляется ее отмирание и последующее разрушение животными-сап-рофагами, бактериями, грибами, актиномицетами. Конечным про­дуктом разрушения органики микроорганизмами являются прос­тейшие минеральные соединения, которые возвращаются в атмо­сферу (летучие соединения), водные растворы и твердую часть поч­вы (зольные элементы и азот). Однако отмершее органическое ве­щество минерализуется не полностью, часть его аккумулируется в ПТК в разных формах (подстилка, торф, гумус и т.д.). Скорость разложения органики, как и ее образование, зависит от соотно­шения тепла и влаги. Чем ближе оно к оптимальному, тем более сбалансировано продуцирование и разложение органики. В этих

условиях основная часть органических остатков преобразуется в почвенный гумус. Так, в черноземах луговых степей запасы гумуса достигают 600—1000 т/га, в почвах широколиственных лесов — около 300 т/га, в подзолистых почвах тайги — около 100 т/га, а в тундровых — около 70 т/га. При недостатке тепла значительная часть отмершей органики накапливается в ПТК в виде неразло-жившихся органических остатков. В тайге, например, велики запа­сы подстилки, валежника, мертвых корней, сухостоя и др. Чрез­мерное увеличение влаги в комплексе также замедляет процессы минерализации. В этих условиях накапливается торф.

Одним из показателей биологического круговорота служит от­ношение годовой первичной продукции к запасам мертвых расти­тельных остатков. Этот показатель существенно изменяется в раз-

| ных ПТК. В тундре он равен 0,02, в лесных комплексах — 0,15, в i луговых степях — 0,9, в пустынях — более 25.

Мертвое органическое вещество и запас биомассы в растениях служат резервом питательных веществ, обеспечивающим устойчи­вость биоты к колебаниям параметров внешней среды. В лесных сообществах резерв минеральных веществ, позволяющий поддер-^: живать биологический круговорот в условиях интенсивного абио­генного выноса элементов зольного и азотного питания, сосредо­точен в живом веществе и подстилке, где накапливаются элемен-| ты-органогены, а в степях, где интенсивно протекает гумифика­ция, — в почвенном гумусе.

Для характеристики вклада биоты в функционирование ПТК I важны такие биогеохимические показатели, как емкость биологи-, ческого круговорота и его химический состав, возврат элементов | сопадом и закрепление в истинном приросте, накопление в под-f стилке, потеря на выходе из ПТК и компенсация на входе.

Емкость биологического круговорота веществ непосредственно (• связана с величиной первичной биологической продуктивности и |: с биологическими особенностями доминирующих видов растений, I а его химический состав зависит от избирательной способности | растений фитоценоза к поглощению тех или иных элементов. Важ-¹ нейшими элементами биологического круговорота являются Na, 1 К, Са, Si, P, Mg, S, Fe, A1. Все они участвуют в минеральном [ обмене между растительностью и почвами. Однако основная часть I живого вещества строится из элементов, которые поступают в i растения из атмосферы (С и О), поэтому важную роль в биологи-; ческом круговороте играет углеродный обмен между живыми орга-| низмами и атмосферой, с которым связана биогенная трансфор-, мация солнечной энергии. Именно ей, а также роли биоты в вод-I ном балансе ПТК уделяется основное внимание при изучении био-[ логического круговорота с позиций геофизики ландшафта. В изу-I чении же биогенного звена функционирования ПТК ведущую роль играет ландшафтно-геохимический метод.

Изучение состояний ПТК.Неравномерное поступление солнеч-_г ной энергии и характер циркуляции атмосферы вызывают ритми­ческие (суточные, сезонные, годовые) и циклические (погодные) изменения функционирования ПТК — набора и интенсивности природных процессов, протекающих как в самом ПТК, так и между комплексом и его окружением.

Минимальным отрезком времени, в течение которого выявля­ются все типичные процессы функционирования ПТК, является год, поэтому обычно для характеристики функционирования ис­пользуют средние и суммарные годовые балансы и другие показа­тели. Однако для любого ПТК в тот или иной момент его суще­ствования можно получить временной срез его функционирова­ния, отражающий состояние ПТК в данный момент. Каждое такое

I

состояние характеризуется определенным природным режимом, т. е. набором процессов, их интенсивностью и длительностью.

В последние десятилетия изучение состояний ПТК привлекает все большее внимание исследователей. Существует несколько оп­ределений этого термина. Наиболее полное из них принадлежит, на наш взгляд, И. И. Мамай: «состояние ПТК — более или менее длительный отрезок его существования, характеризующийся опреде­ленными свойствами структуры комплекса» (1992, с. 31). Относи­тельно кратковременные внутригодовые состояния, отражающие функционирование ПТК, по продолжительности, обусловленной причиной, которая вызывает соответствующие состояния, могут быть подразделены на внутрисуточные, суточные, погодные, внут-рисезонные, сезонные и годовые. С внутригодовыми состояниями ПТКВ. Б.Сочава (1978) справедливо связывал устойчивость ПТК. Тем не менее необходимо отметить, что каждое из состояний вно­сит какие-то, порой совсем незначительные изменения, приво­дящие в конечном итоге к смене во времени одного ПТК другим. ' Многолетние состояния, измеряемые десятками и сотнями лет, — подфазы и фазы — результат совместного действия функ­ционирования и направленных процессов, ведущих к смене ПТК.

При изучении состояний ПТК разные исследователи центр тя­жести переносят на различные состояния. Н. Л. Беручашвили (1976, 1986 и др.) в качестве основного (узлового) объекта исследований рассматривает суточные состояния структуры и функционирова­ния ПТК (стексы) ранга фации. Именно они изучались на Март-копском стационаре Тбилисского университета. На стационарах Института географии Сибири изучаются внутрисезонные состоя­ния (фазы) фаций. А. А. Крауклис (1985) в годовом цикле функцио­нирования плакорной фации Приангарской тайги выделил 12 фаз. В.А.Фриш (1974) при изучении динамики ландшафтов Белорус­ского Поозерья отдал предпочтение погодным состояниям, выде­лив на их основании 35 стадий. И. И. Мамай считает, что на дан­ном этапе развития ландшафтоведения важнейшее значение име­ет изучение динамики ландшафта — основной географической еди­ницы, хотя и признает, что конкретные работы ведутся на самом малом ПТК — фации. В монографии «Динамика ландшафтов» (1992) она детально рассматривает организацию наблюдений над состоя­ниями ПТК и методику выявления внутрисуточных, суточных, погодных, внутрисезонных и сезонных состояний ПТК, а также методику выявления многолетних состояний, смен и антропоген­ной измененности ПТК.

Изучение состояний позволяет познать не только режим функ­ционирования ПТК (для этой цели, на наш взгляд, особенно важ­но изучение погодных и внутрисезонных состояний), его устойчи­вость и изменчивость (по среднему многолетнему годичному цик­лу, диапазону колебаний отдельных годичных циклов и многолет-

них периодов), но и направленность развития (по многолетним состояниям).

Таким образом, ландшафтно-геофизический метод находит все более широкое применение в комплексных физико-географиче­ских исследованиях для познания ПТК как целостных объектов и механизма их функционирования.

Сбор фактического материала.Как уже отмечалось, надежность геофизических показателей зависит от длительности и массовости наблюдений, поэтому основным методом сбора фактического ма­териала служат стационарные наблюдения над процессами, про­текающими в природе, однако некоторые данные для ландшафт-[: но-геофизического анализа могут быть получены и во время экс-| педиционных работ.

Основным и непременным условием сбора фактических дан­ных для изучения взаимосвязей в ПТК ландшафтно-геофизиче-I ским методом является синхронность (единовременность) наблю-■ дений, измерений, взятия проб по всем параметрам в различных | фациях исследуемой территории, проводимых с определенной s повторностью.

При стационарных исследованиях для проведения системати­ческих наблюдений на изучаемой территории закладывают несколь-, ко площадок, которые могут располагаться разобщенно на типич-f ных участках фаций, но лучше, если они будут приурочены к ¹ определенной профильной полосе (полигону-трансекту), которая пересекает ряд фаций, относящихся к нескольким различным уро­чищам. Это позволяет использовать возможности геофизического метода не только для анализа внутрифациальных связей, но и про­следить взаимосвязи между разными комплексами, входящими в то или иное урочище.

Количество площадок для наблюдения может быть различным I изависит прежде всего от фациального разнообразия изучаемого участка или профильной полосы. Частота наблюдений на площад­ках определяется динамичностью того компонента или процесса, над которым ведется наблюдение.

Для сбора фактических данных по изучению энергетического, теплового и водного балансов на площадках проводится достаточ-но широкий комплекс измерений с помощью разнообразных фи­зических приборов, ставится полевой эксперимент для определе­ния скорости впитывания и фильтрации влаги в почву, отбира­ются образцы для определения удельного веса и максимальной гигроскопичности почв. Для изучения баланса органического ве­щества ведется определение запасов биомассы, биологической про­дуктивности и осеннего опада и др.

При маршрутных исследованиях геофизические наблюдения целесообразнее всего проводить по линии ландшафтного профиля. Конечно, в таких условиях не может проводиться комплекс осо-

бенно сложных и длительных наблюдений. Для измерений в марш-ругах могут применяться лишь сравнительно простые в использо­вании портативные приборы. Часто наблюдения ведутся по сокра­щенной программе.

Обычно результаты этих измерений используются не для коли­чественной характеристики конкретных комплексов, а для уста­новления поправочных коэффициентов, вывода закономерностей. Расчет основных показателей производится при этом по различ­ным формулам с использованием корреляционных связей между разными показателями. Например, определение составляющих вод­ного и теплового баланса производится не на основе разнообраз­ных измерений, характерных для стационарных исследований, а по величине температуры и влажности воздуха. Во всех случаях, когда имеется несколько вариантов определения различных пока­зателей, для маршрутных исследований выбирается тот из них, который требует минимального количества наиболее простых из­мерений, пусть он будет и несколько менее точным.

Иногда при геофизических исследованиях одноразовых наблю­дений оказывается явно недостаточно. Необходимые повторные (многократные) наблюдения сосредоточиваются на профилях клю­чевого участка, где становится возможным проведение полустацио­нарных наблюдений.

Однако необходимо отметить, что геофизические исследова­ния при маршрутной съемке применяются пока значительно реже геохимических. Вероятно, поэтому и методика таких наблюдений, и сам объем возможных наблюдений остаются еще недостаточно разработанными. Чаще всего маршрутные исследования дополня­ются просто кратковременными (а иногда и одноразовыми) мик­роклиматическими наблюдениями на профилях. Они дают возмож­ность установить территориальные (от комплекса к комплексу), но не временные различия в тех или иных показателях.

Таким образом, при сборе фактического материала для ланд-шафтно-геофизических исследований используются методы наблю­дения, измерения, полевого эксперимента и отбора образцов для последующей обработки.

ГЛАВА 3