Лекция: Энергетика ландшафта и интенсивность функционирования
Функционирование геосистем сопровождается поглощением, пре-
образованием, 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 эффек-
тивна; она способна превращаться в различные иные виды энер-
гии — прежде всего в тепловую, а также в химическую и механиче-
скую. За счет солнечной энергии осуществляются внутренние обмен-
ные 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 гори-
зонтальные так или иначе, прямо или косвенно связаны с трансфор-
мацией солнечной энергии.
Поток суммарной радиации к поверхности суши составляет
в среднем около 5600 МДж/м2-год, а радиационный баланс — при
мерно 2100 МДж/м2-год. Для сравнения укажем, что энергия кос-
мических лучей оценивается приблизительно в 10~4 МДж/м2-год,
а энергия приливного трения — в 0,1 МДж/м2-год. Энергия совре-
менных тектонических движений (в том числе сейсмическая) также
ничтожна в сравнении с солнечной — порядка 0,03 МДж/м2-год.
Более ощутим тепловой поток из недр Земли, связанный с перено-
сом к земной поверхности продуктов вулканических извержении
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 по-
тока резко дифференцирована в пространстве, и в вулканических
районах он приобретает ландшафтообразующее значение. В регио-
нальных масштабах (для вулканических ландшафтов) величина по
тока геотермической энергии достигает 20—50 МДж/м2-год, а в ло-
кальных (в кратерах вулканов, горячих источниках) — нескольких
тысяч МДж/м2-год, т. е. соразмерна с солнечной энергией. Во
время вулканических извержений поток геотермического тепла мо-
жет достигать 800 Дж/см -с, что в пересчете на один год состав-
ляет 2,5-108 МДж/м2.
С потоком солнечной радиации связана пространственная и вре
менная упорядоченность вещественного метаболизма в ландшафтах.
Обеспеченность солнечной энергией определяет интенсивность фун-
кционирования ландшафтов (при равной влагообеспеченности).
а сезонные колебания инсоляции обусловливают основной — годич-
ный — цикл функционирования. На земной поверхности электро-
магнитное 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
сотражения части ее от земной поверхности. Потери радиации на
отражение широко колеблются в зависимости от характера повер-
хности 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, ерни-
ковой и мохово-лишайниковой тундры — 0,15—0,25, травяной вето-
ши и болот—0,15—0,20, лиственного леса в период вегетации
и пожелтения — 0,15—0,20, хвойного леса — 0,10—0,15. Эффектив-
ное излучение, зависящее от температуры излучающей поверхности,
облачности и влажности воздуха, также сильно дифференцируется
по ландшафтам. В результате наибольшую часть суммарной радиа-
ции 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 широ-
колиственнолесных суббореальных ландшафтах (59—62%).
Подавляющая часть полезного тепла, поглощаемого земной по-
верхностью, т. е. радиационного баланса, затрачивается на испаре-
ние (точнее, на эвапотранспирацию) и на турбулентную отдачу
тепла в атмосферу, иными словами — на влагооборот и нагревание
воздуха (тепловая энергия, затраченная на испарение, также выде-
ляется в атмосферу при конденсации водного пара). Соотношение
указанных двух расходных статей радиационного баланса сущес-
твенно различается по ландшафтам и в общих чертах подчинено
зональности, причем в гумидных ландшафтах основная доля радиа-
ционного баланса расходуется на эвапотранспирацию, а в арид-
ных— на турбулентный поток тепла в атмосферу (табл. 13).
На другие тепловые потоки в ландшафте расходуется лишь
небольшая часть радиационного баланса, как правило, не выходя-
щая 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 ха-
рактер: в теплое время года тепловой поток направлен от поверхно-
сти 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 литологи-
ческого состава почво-грунтов, влияющих на их температуропро-
водность, и от растительного покрова. Мохово-торфяный слой слу-
жит теплоизолятором, затрудняющим теплообмен между атмосфе-
рой и почвой; под пологом леса вследствие уменьшения притока
солнечного тепла к поверхности почвы теплообмен слабее, чем на
безлесных территориях. Теплообмен проникает в почво-грунты боль-
шей частью на глубину 10—20 м, его величина составляет не более
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 принадле-
жит 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 потреб-
ляется 3,8 ккал (15,9кДж) энергии. Общее количество связанной
энергии можно рассчитать умножением этого коэффициента на
величину брутто-продукции. Около половины затраченной энергии
высвобождается при дыхании продуцентов, остальная часть —-
в чистой первичной продукции (нетто-продукции). Содержание энер-
гии 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 калорийно-
сти 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 диапа-
зоне 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-гео-
графических условий. Наиболее высокий коэффициент использова-
ния ФАР наблюдается при максимальной теплообеспеченности в со-
четании с оптимальным соотношением тепла и влаги, т. е. на эквато-
ре, 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%.
В процессе дыхания продуцентов, консументов и редуцентов
и разложения органических остатков использованная при фотосинте-
зе 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 боль-
шие потери.
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)1.
В живой биомассе суши аккумулировано примерно 4-1016 МДж
энергии, что соответствует 5% годовой суммарной солнечной радиа
ции или около 14% радиационного баланса. В отдельных сообщест-
вах эти соотношения более высоки. Так, в таежных темнохвойных
лесах запас связанной энергии составляет в среднем около
500 МДж/м2 (что эквивалентно 40% годового радиационного ба-
ланса), в листопадных широколиственных — 650 МДж/м2 (40%).
1 См.: Шуйцев Ю. К. Некоторые особенности энергетики южнотаежны.х ельников
Новгородской области // Вопросы географии. 1981. № 117. С. 208—215.
в экваториальных лесах — 850 МДж/м2 (24%), а в североамерикан-
ских лесах из секвойи и дугласии — более 1700 МДж/м2 (70%).
Некоторая часть аккумулированной солнечной энергии содер-
жится в мертвом органическом веществе (подстилке, почвенном гу-
мусе, торфе). В гумусе мощных тучных черноземов она превышает
1000 МДж/м2, в торфе — тысячи МДж/м2.
Ежегодно лишь ничтожная часть биологически связываемой
энергии Солнца «консервируется» в мертвой органической массе
и превращается в потенциальную химическую энергию, однако куму-
лятивный эффект этого процесса, продолжавшегося на протяжении
геологических эпох, выразился в накоплении огромного запаса энер-
гии в каустобиолитах, соразмерного с годовым поступлением сум-
марной солнечной радиации к суше.
Энергетическое значение биоты в функционировании геосистем
определяется не только преобразованием солнечного тепла непосред-
ственно 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 турбулент-
ный 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 ландшаф-
тах 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)1.
Необходимость больших затрат энергии на транспирацию (и тем
самым обеспечения минерального питания растений, а также пре-
дотвращения их перегрева), очевидно, служит причиной низкого
КПД фотосинтеза и лимитирует возможности повышения биологиче-
ской продуктивности. В ландшафтах, достаточно обеспеченных вла-
гой, на транспирацию расходуется не менее 60—80% энергии радиа-
ционного баланса, а в экваториальных лесах этот показатель места-
ми приближается к 100%. Если допустить гипотетическую возмож-
ность полного перехвата стока и физического испарения и утилиза-
ции всех атмосферных осадков, то в гумидных ландшафтах попросту
.нехватит 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.
естественные пределы фотосинтеза и продуцирование биомассы оп-
ределяются недостатком осадков.
Топологические, или ландшафтно-морфологические (внутриланд-
шафтные), закономерности в энергетике геосистем изучены недо-
статочно. Ю. К. Шуйцев, изучая энергетику южнотаежных ельников,
пришел к заключению, что автономные (плакорные) сообщества
используют солнечную энергию наиболее эффективно, а суперак-
вальные (с застоем влаги) — наименее. Трансэлювиальные и транс-
аккумулятивные местоположения занимают в этом отношении про-
межуточное место. Соответственно изменяются запасы энергии в жи-
вой фитомассе (МДж/м2): в плакорном ельнике-черничнике — 799,
в чернично-зеленомошном и хвощево-папоротниковом — по 705,
в сфагновом — 275. Запасы энергии в мертвом органическом вещест-
ве, 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/м2.
Особый аспект энергетики ландшафта связан с потоками механи-
ческой 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 ра-
за 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 десяти-
миллионной доли этого запаса, что соответствует десятитысячным
долям процента от величины суммарной радиации. При кажущейся
незначительности этой цифры с ней связаны мощные потоки твердо-
го материала, о которых уже речь шла выше.
В количественном отношении на 2—3 порядка выше потоки
механической энергии, происходящие за счет трансформации солнеч-
ного тепла и обусловливающие перемещения воздушных и водных
масс, а также ледников, пыли, органического опада. Нарушение
теплового и связанного с ним гравитационного равновесия в атмос-
фере 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 механи-
ческую энергию ветра ежегодно переходит n*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 n*1013 МДж*год (около 0,01%
суммарной радиации).
В каждом конкретном случае запасы потенциальной механиче-
ской энергии геосистемы и величина работы, производимой при
механическом перемещении вещества, могут быть определены пу-
тем сравнения потенциалов силы тяжести («энергия положения»)
масс, расположенных на разных гипсометрических уровнях. Напри-
мер, если при разнице высот в 20 м в пределах площади 1 га годо-
вой слой денудации составляет 0,1 мм при объемной массе 2,5 г/см2,
т. е. перемещается 2,5*103 кг материала, то работа по его пере-
мещению (денудации) составит: АД= 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, про-
изведенная текучими водами, равна: Ас = 3*10б 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 возможно-
сти интегральной количественной оценки функционирования ланд-
шафтов 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 свя-
занная с ним созидающая функция, которая выражается прежде
всего в биологической продуктивности. В свою очередь, все пе-
речисленные процессы определяются соотношением теплообеспечен-
ности и увлажнения. Однако до сих пор не найдено удовлетворитель-
ного способа выражения этого соотношения в виде того или иного
коэффициента. Наиболее удачным представляется предложенный
Н. Н. Ивановым «показатель биологической эффективности клима-
та» (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 продуктив-
ность 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 влаго-
обеспеченности различных ландшафтов и при этом хорошо коррели-
рует с другими показателями функционирования, в качестве которых
в табл. 15 приведены также относительные значения интенсивности
внутреннего влагооборота, или, что то же, затрат тепла на эва-
потранспирацию Е, величины чистой первичной продукции фитомас-
сы Б и годового потребления зольных элементов и азота раститель-
ностью МN. По всем перечисленным показателям первое место
занимают экваториальные ландшафты, для которых значения ТК, Е,
Б и МN приняты за 100. Данные по остальным ландшафтам пред-
ставлены в виде отношения к 100, т. е. в процентах по отношению
к абсолютным величинам, свойственным экваториальным ландшаф-
там. В качестве типичных значений для разных зональных типов
ландшафтов приняты те, которые наблюдаются в более или менее
сравнимых условиях секторности, а именно в умеренно-континен-
тальных секторах.
Нетрудно заметить, что по всем принятым в табл. 15 признакам
типы ландшафтов располагаются практически в одинаковой после-
довательности 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 сравне-
нию с лесными. В целом же та последовательность ландшафтных
типов, которая представлена в табл. 15, может рассматриваться
в первом приближении как их ранжированный ряд по относительно-
му убыванию интенсивности функционирования.