Функционирование геосистем

9.1 Круговорот воды, водный баланс, биогенный оборот веществ

Функционирование геосистем выражается в совокупности процессов перемещения, обмена и трансформации вещества и энергии. Функционирование ландшафта – интегральный природный процесс.

Влагооборот – важная составная часть механизма взаимодействия между компонентами геосистем и между самими геосистемами; его можно определить как одно из главных функциональных звеньев ландшафта. Другим звеном является минеральный обмен (вместе с газообменом) охватывают все вещественные потоки в геосистеме. Но перемещение, обмен и преобразование вещества сопровождаются поглощением, трансформацией и высвобождением энергии – массообмен тесно связан с энергообменом, который следует рассматривать как особое функциональное звено ландшафта.

Сложная система водных потоков пронизывает ландшафт подобно кровеносной системе. Посредством потоков влаги происходит основной минеральный обмен между блоками ландшафта. Внешние вещественные связи геосистемы также осуществляются преимущественно через входные и выходные водные потоки. Перемещение влаги сопровождается формированием растворов, коллоидов и взвесей, транспортировкой и аккумуляцией химических элементов; подавляющее большинство геохимических (в т.ч. биохимических) реакций происходит в водной среде.

Ежегодный запас обращающейся в ландшафте влаги составляют атмосферные осадки – жидкие и твердые, а также вода, поступающая в почву за счет конденсации водяного пара. Часть осадков перехватывается поверхностью растительного покрова и, испаряясь с нее, возвращается в атмосферу; в лесу некоторое количество стекает по стволам и попадает в почву. Влага, непосредственно выпадающая на поверхность почвы, частично уходит за пределы ландшафта с поверхностным стоком, частично затрачивается на физическое испарение, остальное количество фильтруется в почвогрунты и образует наиболее активную часть внутреннего влагооборота. Относительно небольшая доля расходуется на абиотические процессы в почве, участвует в гидратации и дегидратации, более или менее значительное количество почвенно-грунтовой влаги выпадает из внутреннего оборота (потери на подземный сток); при иссушении почвы влага поднимается по капиллярам и может пополнить поток испарения. Однако в большинстве ландшафтов почвенные запасы влаги в основном всасываются корнями растений и вовлекаются в продукционный процесс.

Величина суммарного (поверхностного и подземного) стока служит показателем выходного потока влаги. Основные элементы водного баланса складываются из количества осадков, испарения и стока. Наиболее интенсивное поступление и вынос воды из ландшафта наблюдается в экваториальных широтах.

Обобщенным показателем внутриландшафтного влагооборота можно считать суммарное испарение. Соотношение между внешним (осадки) и внутренним влагооборотом выражаются коэффициентом стока и дополняющим его до единицы коэффициентом испарения.

Однако, главное звено биологического влагооборота – транспирация. В ландшафтах с развитым растительным покровом транспирация намного превышает физическое испарение, и подавляющая часть влаги поступает от подстилающей поверхности в атмосферу через транспирацию.

Биологический цикл, или «малый биологический круговорот», – одно из главных звеньев функционирования геосистем. В основе его лежит продукционный процесс, т.е. образование органического вещества первичными продуцентами – зелеными растениями, которые извлекают CO₂ из атмосферы, зольные элементы и азот – с водными растворами из почвы. Около половины создаваемого при фотосинтезе органического вещества (брутто-продукции) окисляется до CO₂ при дыхании и возвращается в атмосферу. Оставшаяся фитомасса называется чистой первичной продукцией. Часть ее поступает в трофическую цепочку – потребляется растительноядными животными (фитофагами); следующий трофический уровень представлен плотоядными животными (зоофагами).

При переходе от одного трофического уровня к другому отношение биомасс уменьшается на 2-3 порядка, т.е. в 100-1000 раз.

Основная часть фитомассы после отмирания разрушается животными-сапрофагами, бактериями, грибами, актиномицетами. В конечном счете, мертвые органические остатки минерализуются микроорганизмами (в меньшей степени путем абиотического окисления). Конечные продукты минерализации возвращаются в атмосферу (CO₂ и др. летучие элементы) и в почву (зольные элементы и азот).

Для ландшафтоведа первостепенный интерес представляют взаимоотношения биоценоза как целого с другими блоками геосистемы, зависимость биогенных потоков и биологической продуктивности от географических факторов, закономерности их проявления на региональном и локальном уровнях, степень замкнутости или открытости биологического круговорота и его роль во внутреннем механизме функционирования ландшафта и его внешних связях.

С этой точки зрения, важнейшие показатели биогенного звена функционирования – запасы фитомассы и величина первичной годичной продукции, а также количество опада и аккумулируемого мертвого органического вещества. Для оценки интенсивности круговорота используются производные показатели; отношение чистой первичной продукции к запасам фитомассы; отношение живой фитомассы к мертвому органическому веществу. Для характеристики вклада биоты в функционировании геосистем особенно важны биогеохимические показатели: количество элементов питания, потребляемых для создания первичной биотической продукции (емкость биологического круговорота) и их химический состав, возврат элементов с опадом и закрепление в истинном приросте, накопление в подстилке, потеря при выходе из геосистемы и степень компенсации при выходе.

Одним из показателей скорости трансформации органического вещества может служить отношение годичной первичной продукции к запасам мертвых растительных остатков (без почвенного гумуса): в тундре – 0,02, в лесах – 0,15, в луговых степях – 0,9, в пустынях – 25 и >.

9.2 Трансформация энергии

Функционирование геосистем сопровождается поглощением, преобразованием, 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 эффективна; она способна превращаться в различные иные виды энергии – прежде всего в тепловую, а так же в химическую и механическую. За счет солнечной энергии осуществляются внутренние обменные процессы в ландшафте, включая влагооборот и биологический метаболизм, а также циркуляцию воздушных масс. Все вертикальные связи в ландшафте и многие горизонтальные 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. Для сравнения укажем, что энергия космических лучей равна 10^-4 МДж/м² год, приливов – 0,1 МДж/м² год, тектонических движений (в том числе сейсмическая) 0,03 МДж/м² год, из недр Земли 2 МДж/м² год. Однако плотность земной энергии резко дифференцирована в пространстве, и в вулканических районах она приобретает ландшафтообразующее значение.

С потоком солнечной энергии (радиации) связана пространственная и временная упорядоченность вещественного метаболизма в ландшафтах. Обеспеченность солнечной энергией определяет интенсивность функционирования ландшафтов (при равной влагообеспеченности), а сезонные колебания инсоляции обуславливают основной годичный – цикл функционирования.

Преобразование приходящей солнечной радиации начинается с отражения части ее от земной поверхности (альбедо), от 5 до 95%.

Подавляющая часть полезного тепла затрачивается на испарение и на турбулентную отдачу тепла в атмосферу, иными словами, на влагооборот и нагревание воздуха.

На другие тепловые потоки в ландшафте расходуется лишь небольшая часть радиационного баланса. Тем не менее эти потоки играют существенную роль в функционировании ландшафта. Тепловой обмен земной поверхности с почвогрунтом имеет циклический характер: в теплое время года тепловой поток направлен вглубь почвы, в холодное – в противоположном направлении. Интенсивность этого теплообмена наибольшая в континентальных ландшафтах. Тепло проникает на глубину 10-20 м. небольшая часть тепла (2-5%) расходуется на таяние льда, снега, мерзлоты (сезонной и многолетней), на выветривание горных пород.

На биохимическую реакцию фотосинтеза растения суши используют около 0,5% от общей суммарной радиации или 1,3% радиационного баланса. При фотосинтезе используется фотосинтетическая активная радиация (ФАР) – часть солнечного излучения в диапазоне волн от 0,4 до 0,7 мкм, это около 45% от суммарной радиации. Растительный покров поглощает около 90% световой энергии ФАР, но подавляющая часть ее идет на трансформацию и поддержания определенных термических условий в сообществе и только 0,8-1% - на фотосинтез. Наибольший коэффициент полезного действия ФАР на экваторе. При разложении органических остатков энергия превращается в тепло и рассеивается, не возвращаясь в биологический цикл.

9.3 Перенос твердых масс

Абиотические потоки вещества в ландшафте в значительной мере подчинены воздействию силы тяжести и в основном осуществляют внешние связи ландшафта. В отличие от биологического метаболизма абиотическая миграция не имеет характера круговоротов, поскольку гравитационные потоки однонаправлены, т.е. необратимы. Точнее, можно говорить лишь о больших геологических циклах (млн. лет), море становится сушей и наоборот. Ландшафтно-географическая сущность абиотической миграции вещества литосферы состоит в том, что с нею осуществляется латеральный перенос материала между ландшафтами и между их морфологическими частями, и безвозвратный вынос вещества в Мировой океан.

Вещество литосферы мигрирует в ландшафте в двух основных формах: 1) в виде геохимически-пассивных твердых продуктов денудации – обломочного материала, перемещаемого под действием силы тяжести вдоль склонов; механических примесей в воде и воздухе; 2) в виде водорастворимых веществ, т.е. ионов.

Твердый сток составляет в тундре 5-10; в широколиственном лесу 10-20; в степи 50-100; в горах 2000-3000 т/км² ∙год.