Геологический круговорот веществ - циклические процессы перемещения и трансформации химических элементов в пределах Земли: превращение их в биосфере в горные породы дальнейшее погружение в магматическую область Земли, переплавление и выход на поверхность в виде изверженных магматических пород (Снакин, 1991).

Абиотические потоки вещества в ландшафте в значительной мере обусловлены силой тяжести. В отличие от биологического круговорота абиогенные потоки вещества однонаправлены и не имеют циклического характера. Сущность абиогенной миграции вещества заключается в горизонтальном переносе материала между ландшафтами и между их морфологическими единицами и безвозвратный вынос веществ в Мировой океан.

Миграция вещества литосферы происходит в двух формах:

1) В форме твердых продуктов под действием силы тяжести (обломочный материал, взвешенные наносы в воде, механические примеси в воздухе).

2) В форме водорастворимых веществ, которые перемещаются с водными потоками и участвуют в геохимических реакциях (ионы химических элементов).

В абиотической миграции веществ нередко проявляется ярко выраженная контрастность по локальным геосистемам. Плакорные (элювиальные, автономные) фации, для которых источником привноса веществ служат атмосферные осадки и пыль характеризуются резким преобладанием выноса веществ над привносом. Переходные (транзитные, трансэлювиальные) склоновые фации при наличии интенсивных сквозных потоков, приближаются к равновесному состоянию. В аккумулятивных фациях преобладает привнос вещества.

Абиотические потоки потоки вещества по своим масштабам сильно уступают биогенным. Например, вынос фосфора с ионным стоком в 1000 раз меньше его потребления организмами, азота в 150, углерода в 100.

ландшафт круговорот вода биологический

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 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 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. 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%.

Таблица. Использование солнечной радиации растительными сообществами, по данным В. Лархер (Экология растений. М., 1975)

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 (Исаченко, 1991).

Размещено на Allbest.ru