Природные процессы формирования, функционирования и развития ландшафтов

Структурно-функциональные связи ландшафта

В ландшафте различаются две системы внутренних связей — вертикальные (межкомпонентные) и горизонтальные (территориальные). Вертикальные связи опосредованы через горизонтальную структуру ландшафта, то есть входящих в него элементарных геосистем.

Между элементарными геосистемами и самими ландшафтами существуют многообразные связи, которые можно классифицировать по их физической природе, направленности, значимости, устойчивости и другим признакам. Первооснову этих связей составляет обмен энергией, веществом и информацией. Геосистемы пронизаны вещественно-энергетическими потоками разного происхождения и разной мощности. Следует различать потоки внешние (входящие и выходящие) и внутренние, односторонние и двусторонние, прямые и обратные.

Суть взаимосвязей в ландшафте не исчерпывается простой передачей вещества и энергии между компонентами или подчинёнными геосистемами разного топологического уровня. Вещественно-энергетические потоки подвергаются преобразованию (трансформации).

Совокупность процессов перемещения, обмена, трансформации вещества и энергии в геосистеме обеспечивает её функционирование. Функционирование ландшафта является интегральным природным процессом, то есть слагается из множества элементарных процессов, имеющих различную физико-механическую, химическую или биологическую природу. Однако элементарные природные процессы, связанные с отдельными формами движения, переплетаются и переходят друг в друга, поэтому их расчленение условно. Так, например, частный географический процесс — сток является одновременно гидрологическим, геоморфологическим, геохимическим и служит лишь звеном ещё более сложного и комплексного процесса — влагооборота.

Основой формирования, функционирования и развития ландшафта является энергообмен между компонентами ландшафта и геосистемами, его образующими. Энергообмен есть особое функциональное звено ландшафта. Влагооборот является важной составной частью механизма взаимодействия между компонентами и одним из главных функциональных звеньев ландшафта. Третьим звеном является вещественный обмен — биогенный и абиогенный — минеральный обмен, или геохимический круговорот, который вместе с энергообменом, влагооборотом и газообменом обеспечивает все вещественно-энергетические потоки в геосистеме.

Таким образом, формирование, функционирование и развитие ландшафта обеспечивают энергообмен, влагооборот, биогенный и абиогенный обмен вещества.

Энергетика ландшафта

Как уже отмечалось, энергетика ландшафта является основой его образования, функционирования и развития. В ходе энергообмена происходит поглощение, преобразование, накопление и высвобождение энергии.

Первичные энергии поступают в ландшафт извне — из космоса (космическая изначальная энергия), от Солнца (лучистая, или электромагнитная, и корпускулярная), энергия от взаимодействия небесных тел с Землёй (энергия приливов и отливов), энергия Земли (гравитационная, радиоактивности ряда химических элементов Земли).

Лучистая энергия Солнца, поток которой многократно превышает все остальные источники, является важнейшей ландшафтообразующей энергией. Солнечная энергия способна превращаться в иные виды энергии — тепловую, химическую, механическую, электрическую. За счёт солнечной энергии осуществляются внутренние обменные процессы в ландшафте — влагооборот, биологический метаболизм (оборот веществ), циркуляция воздушных масс и др. Все вертикальные и горизонтальные ландшафтные связи осуществляются прямо или косвенно за счёт трансформации солнечной энергии.

Поток суммарной солнечной радиации к поверхности суши составляет в среднем около 134 ккал/см² в год, а радиационный баланс — около 50 ккал/см² в год. Энергия современных тектонических движений ничтожна в сравнении с солнечной — 0,0007 ккал/см² в год. Большее значение имеет тепловой поток из недр Земли, связанный с переносом к поверхности продуктов вулканических извержений и термальных вод, — 0,05 ккал/см² в год, что эквивалентно 0,04% суммарной солнечной радиации, однако в вулканических районах эта энергия имеет ландшафтообразующее значение.

Преобразование приходящей солнечной радиации начинается с отражения её части от земной поверхности. Потери радиации на отражение широко колеблются в зависимости от характера подстилающей поверхности ландшафта. Так, наибольшее количество тепла теряют приполярные ландшафты из-за высокого показателя альбедо (арктические пустыни — 87%), затем — тундровые (80%), а также пустынные и таёжные (65%, что близко к среднему показателю для всей суши). Наименьшие потери присущи экваториальным лесным ландшафтам (47%), промежуточное значение имеет альбедо в степных, лесостепных и широколиственных суббореальных ландшафтах (59–62%).

Подавляющая часть полезного тепла, поглощаемого земной поверхностью, то есть радиационного баланса, затрачивается на испарение и на турбулентную отдачу тепла в атмосферу — на влагооборот и нагревание воздуха. Соотношение этих двух расходных показателей радиационного баланса существенно различается по ландшафтам и подчинено зональности (см. таблицу 12).

 

Таблица 12

Затраты тепла на испарение и турбулентный обмен по ландшафтным зонам

 

Зоны	Радиационный баланс, ккал/см2• год	Затраты тепла на
испарение	турбулентный обмен
ккал/см2• год	%	ккал/см2•год	%
Тундра	14,9	11,9		3,0
Тайга северная	26,3	21,5		4,8
Тайга средняя и южная	32,3	26,9		5,4
Смешанные леса (подтайга)	34,7	29,3		5,4
Широколиственные леса	37,0	31,1		5,9
Лесостепь	38,2	30,6		7,6
Степь	43,0	27,0		16,0
Полупустыня	45,4	14,7		30,7
Пустыня (туранская)	51,4	9,1		42,3
Субтропические влажные леса	59,7	47,8		11,9
Тропическая пустыня	64,5	<4,8	<5	>59,7	>95
Саванна опустыненная	71,7	14,3		57,4
Саванна типичная	75,3	39,4		35,9
Саванновые леса (саванна южная)	78,9	57,4		21,5
Влажный экваториальный лес	83,6	75,3		8,3

 

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 сотые или тысячные доли процента от всех затрат солнечной энергии.

В трансформации солнечной энергии важнейшая роль принадлежит биоте, хотя на фотосинтез растения суши используют лишь 0,5% от общего потока суммарной радиации (или 1,3% радиационного баланса). В живой биомассе суши аккумулируется 5% годовой суммарной радиации (или 14% радиационного баланса). Этот показатель также подчинён зональности. Так, в ландшафтах таёжных тёмнохвойных лесов и листопадных широколиственных лесов запас связанной энергии составляет 40% годового радиационного баланса, постоянно влажных вечнозелёных тропических лесов — 24%, а в ландшафтах североамериканских лесов из секвойи и дугласии — более 70%.

Некоторая часть аккумулированной солнечной энергии содержится в мёртвом органическом веществе (подстилке, почвенном гумусе, торфе). В гумусе мощных чернозёмов она превышает 24 ккал/см², в торфе составляет более 50 ккал/см².

Важную роль в формировании ландшафта играют также механические энергетические потоки, которые образуются за счёт энергии тектонических процессов и энергии солнечных лучей. В надводной части материков накоплено потенциальной механической энергии в 3 раза больше суммарной солнечной радиации, поступающей на сушу. Сюда же входят механическая энергия ветра и всех текучих вод.

Влагооборот в ландшафте

Влагооборот в ландшафте протекает через сложную систему водных потоков и пронизывает ландшафт, подобно кровеносной системе. Посредством потоков влаги осуществляется основной минеральный обмен внутри ландшафта. Внешние вещественные связи ландшафта также осуществляются через водные потоки. Перемещение влаги сопровождается формированием растворов, коллоидов, взвесей; транспортировкой и аккумуляцией химических элементов.

Ежегодный запас обращающейся в ландшафте влаги составляют жидкие и твёрдые атмосферные осадки. Часть осадков перехватывается поверхностью растительного покрова и, испаряясь с неё, возвращается в атмосферу. Влага, непосредственно выпадающая на поверхность почвы, частично уходит за пределы ландшафта с поверхностным стоком и затрачивается на физическое испарение, остальное количество фильтруется в почво-грунты и образует наиболее активную часть внутреннего влагооборота.

Интенсивность влагооборота и его структура специфичны для разных ландшафтов и зависят прежде всего от энергообеспеченности и количества осадков, подчиняясь зональным и отчасти азональным закономерностям. Так, абсолютные показатели внешнего влагообмена хорошо увязываются с зональными закономерностями циркуляции и влагооборота атмосферы (см. таблицу 13).

Наиболее обильное поступление внешних осадков и соответственно более интенсивный вынос воды из ландшафта наблюдается в экваториальных широтах, а также в муссонных тропиках и субтропиках, затем в приокеанических областях пояса западного переноса. Наиболее слабые входящие и выходящие потоки влаги свойственны внутриконтинентальным областям и особенно поясу тропической пассатной циркуляции.

При наличии достаточного запаса влаги интенсивность внутриландшафтного влагооборота определяется энергоресурсами. Поэтому чётко выраженный пик внутреннего оборота влаги также приходится на экваториальную зону и отсюда происходит закономерный спад к полюсам. В аридных зонах и секторах наблюдается резкий спад влагооборота.

Только в высоких широтах внешние потоки влаги превосходят внутренний оборот; в гумидных экваториальных, тропических и субтропических ландшафтах оба типа потоков примерно равны; с усилением аридности доля внутреннего потока растёт, хотя по абсолютной величине он уменьшается.

 

Таблица 13

Основные элементы водного баланса типичных ландшафтов в различных зонах (средние годовые показатели)

 

Ландшафты	Осадки (мм)	Испарение (мм)	Сток (мм)	Коэф. стока
Тундровые восточноевропейские				0,60
Северотаёжные восточноевропейские				0,50
Среднетаёжные восточноевропейские				0,45
Южнотаёжные восточноевропейские				0,40
Подтаёжные восточноевропейские				0,35
Подтаёжные западносибирские				0,15
Широколиственные западноевропейские				0,30
Широколиственные восточноевропейские				0,20
Лесостепные восточноевропейские				0,15
Лесостепные западносибирские				0,04
Степные северные восточноевропейские				0,12
Полупустынные казахстанские				0,02
Пустынные туранские			<1	<0,01
Субтропические влажные лесные восточноазиатские				0,50
Пустынные тропические североафриканские			<1	<0,01
Саванновые опустыненные североафриканские				0,04
Саванновые типичные североафриканские				0,10
Саванновые влажные северо-африканские				0,20
Влажные экваториальные центральноафриканские				0,35
Влажные экваториальные амазонские				0,50

 

Биогеохимический цикл

Биогеохимический цикл, или малый биологический круговорот, представляет продукционный процесс, то есть образование органического вещества первичными продуцентами — зелёными растениями, которые извлекают углекислый газ из атмосферы, зольные элементы и азот — с водными растворами из почвы.

Около половины создаваемого при фотосинтезе органического вещества (брутто-продукция) окисляется до СО₂ при дыхании и возвращается в атмосферу. Оставшаяся фитомасса называется первичной продукцией. Часть её поступает в трофическую цепочку — потребляется растительноядными животными (фитофагами); следующий трофический уровень представлен плотоядными животными (зоофагами).

Основная часть фитомассы после отмирания разрушается животными — сапрофагами, бактериями, грибами, актиномицетами. В итоге мёртвые органические остатки минерализуются микроорганизмами. Конечные продукты минерализации возвращаются в атмосферу (СО₂ и другие летучие соединения) и в почву (зольные элементы и азот). Процессы созидания и разрушения биомассы не всегда сбалансированы — часть её (в среднем менее 1%) может выпадать из круговорота и аккумулироваться в почве (в виде гумуса) и в осадочных породах.

Важнейшие показатели биогенного звена функционирования ландшафта — запасы фитомассы и величина годичной первичной продукции, а также количество опада и аккумулируемого мёртвого органического вещества. Для характеристики вклада биоты в функционирование геосистем важны биогеохимические показатели: количество элементов питания, потребляемых для создания первичной биологической продукции, и их химический состав, возврат элементов с опадом и закрепление в истинном приросте, накопление в подстилке.

В величине ежегодной продукции фитомассы чётко проявляются региональные и локальные географические закономерности, включая зональность, секторность, высотную поясность и внутриландшафтную морфологическую дифференциацию.

При достаточном количестве влаги продуктивность фитомассы возрастает от высоких широт к низким в соответствии с ростом энергообеспеченности. В одинаковых термических условиях наибольшая продуктивность наблюдается при оптимальном (медиальном) соотношении тепла и влаги. Максимальная биологическая продуктивность присуща экваториальным ландшафтам, заметно меньше она во влажных субтропических лесах. Среди суббореальных ландшафтов наивысшей продуктивностью обладают луговые степи, им несколько уступают широколиственные леса. Самая низкая продуктивность фитомассы присуща ландшафтам с резким дефицитом тепла или влаги — полярным и пустынным.

С увеличением теплообеспеченности основная часть органических остатков при достаточном количестве влаги переходит в почвенный гумус. В луговых чернозёмных степях его запасы достигают 800–1000 т/га, в почвах широколиственных лесов — около 300 т/га, таёжных лесов — около 100 т/га, в тундровых почвах — 70 т/га. В тундре и тайге в составе мортмассы (мёртвой части органического вещества ландшафта) преобладают неразложившиеся растительные остатки — главным образом подстилка, а также сухостой, валежник, мёртвые корни и др. Запасы подстилки в этих зонах достигают 40–50 т/га; в широколиственных лесах они сокращаются до 10–15 т/га, а в постоянно влажных вечнозелёных тропических лесах — до 2 т/га. В степях наземная мортмасса представлена растительной ветошью (4–10 т/га).

⇐ Предыдущая20212223242526272829Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: