Энергетические факторы функционирования ландшафта

Первичные потоки энергии поступают в ландшафт извне - из космоса и земных недр.

Энергетическими функциями геосистем являются:

1) Поглощение энергии.

2) Пре­образование энергии.

3) Накопление энергии.

4) Высвобождение энергии.

Следовательно, круговорот энергии в ландшафте это совокупность процессов поступления, поглощения, преобразования, накопления и высвобождения потоков энергии.

Функционирование ландшафта неразрывно связано с солнечной энергией. Поток лучистой энергии Солнца по плотности многократно превышает все другие источники.

Электро­магнитное излучение Солнца поступает на земную поверхность и поглощается компонентами ландшафта. Затем оно превращается (в основном) в тепловую энергию и в виде тепла, в конечном счете, после трансформации в ландшафтах, излучается в космическое пространство.

Солнечная энергия в пределах ландшафта преобразуется в тепловую, химическую и механиче­скую. За счет солнечной энергии осуществляются внутренние обмен­ные процессы в ландшафте, включая влагооборот, биологический метаболизм и др. Все вертикальные связи в ландшафте и многие гори­зонтальные 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/м² * год. Энергия совре­менных тектонических движений (в том числе сейсмическая) в сравнении с солнечной составляет 0,03 МДж/ м² * год. Тепловая энергия недр Земли, связанная с перено­сом к земной поверхности продуктов вулканических извержений и термальных вод составляет, примерно, 2 МДж/ м² * год (0,04% суммарной солнечной радиации). Однако плотность этого по­тока резко дифференцирована в пространстве, и ландшафтообразующее значение она приобретает только в вулканических районах. В регио­нальных масштабах (для вулканических ландшафтов) величина по­тока геотермической энергии достигает 20 - 50 МДж/ м² * год, а в ло­кальных (в кратерах вулканов, горячих источниках) - нескольких тысяч МДж/ м² * год, т. е. соразмерна с солнечной энергией. Во время вулканических извержений поток геотермического тепла мо­жет достигать 800 Дж/см² *с, что в пересчете на один год состав­ляет 2,5-108 МДж/ м².

Преобразование приходящей солнечной радиации начинается с отражения части ее от земной поверхности. Потери радиации на отражение широко колеблются в зависимости от характера поверхности ландшафта. Так, отражательная способность 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, 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 затрачивается на круговорот воды и нагревание воздуха. 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 круговорот воды, а в арид­ных - на нагревание воздуха.

Хотя на другие тепловые потоки в ландшафте расходуется небольшая часть радиационного баланса, эти потоки играют существенную роль в функционировании ландшафта. Тепло­обмен земной поверхности с почвой имеет циклический ха­рактер: в теплое время года тепловой поток направлен от поверхно­сти к почве, в холодное - в противоположном направлении. В среднем за год оба потока балансируются. Интенсивность этого теплообмена наибольшая в континентальных ландшафтах с резкими сезонными колебаниями температур воздуха и поверхности почвы. Величина теплообмена зависит от влажности и литологического состава почв, 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 нескольких процентов от годового радиационного баланса.

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 анергии.

В трансформации солнечной энергии важнейшая роль принадле­жит биоте. 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 (15,9кДж) энергии. Около половины затраченной энергии высвобождается при дыхании продуцентов, остальная часть находится в чистой первичной 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 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. 8). В период вегетации КПД ФАР несколько выше, чем в среднегодовом выводе. При особо благоприятном сочетании условий у отдельных листьев он может достигать 15 - 24%.

Таблица8

Использование солнечной радиации растительными сообществами, по данным [19]

В процессе дыхания продуцентов, консументов и редуцентов и разложения органических остатков использованная при фотосинте­зе энергия снова превращается в тепло. 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.

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.

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.

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 [15].