методы исследований, книга. Высшее профессиональное образование
 Скачать 11.53 Mb.
|
|
Тепловой баланс. Пути преобразования поглощенной энергии в ПТК можно 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 ПТК ею можно пренебречь, служит внутренняя теплота Земли. Главными статьями расхода являются турбулентный обмен теплотой между подстилающей поверхностью и атмосферой (РА) 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 ПТК теплоты, 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 — в противоположном 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- 96 ; 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- tностью 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 Iслучае 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). 99   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. 101   Баланс биомассы. Специфическим направлением исследования ПТК является 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 102 ■ 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 103   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- 104 | 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 | с опадом 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-Iном балансе ПТК уделяется основное внимание при изучении био-[ логического круговорота с позиций геофизики ландшафта. В изу-Iчении же биогенного звена функционирования ПТК ведущую роль играет ландшафтно-геохимический метод. |