big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

Выход растений на сушу, местное испарение и изменение структуры биофизического влагооборота

Процесс фотосинтеза, развивающийся количественно и качественно в геологическом времени, оказывает активизирующее влияние на общий влагооборот Земли, усиливая через транспирацию интенсивность поступления паров воды в атмосферу.

С момента выхода растений на сушу начал развиваться атмосферно-почвенно-биологический (биофизический) тип влагооборота. Этот тип влагооборота обычно характеризуется водным балансом суши. При этом приходную часть баланса составляют осадки, расходную — испарение с почвы и транспирация, сток поверхностный и сток подземный.

Забегая несколько вперед, отметим, что основным критерием интенсивности биофизического влагооборота мы считаем степень приближения испарения к испаряемости: чем ближе испарение по величине приближается к испаряемости, тем интенсивнее биофизический влагооборот. Биофизический влагооборот неизбежно должен был активизировать общий влагооборот. Чтобы убедиться в этом, достаточно напомнить, что испарение с поверхности суши, покрытой растительностью, всегда больше, чем с обнаженной почвы, по крайней мере в гумидных зонах. А так как более 90% органического углерода сосредоточено во влажных или умеренно влажных зонах и очень мало его в аридных, то вывод об увеличении испарения с выходом растений на сушу приобретает большую убедительность в оценке воздействия биофизического влагооборота на общий влагооборот.

Испарение через растения (транспирация) колеблется от 20 до 80% общего испарения. В гумидных зонах доля транспирации и в общем испарении ближе к верхнему пределу (60—80%), в аридных — к нижнему. Однако испарение с почвы, не покрытой растительностью, возрастает после удаления растений, но не достигает уровня, характеризующего общее испарение, слагающееся из транспирации и испарения с поверхности почвы. Поэтому по мере освоения растениями новых, до этого биологически не обжитых территорий, нарастала масса воды, испаряемой в атмосферу с поверхности суши, нарастала также и интенсивность общего влагооборота.

В последние годы теория обмена местной и адвективной влаги разрабатывалась К. И. Кашиным и X. П. Погосяном (1950), М. И. Будыко и О. А. Дроздовым (1950, 1953), А. И. Бурцевым (1955), В. В. Орловой (1955), О. Г. Сорочан (1961), О. А. Дроздовым и А. С. Григорьевой (1963) др. Общий вывод из работ всех этих исследователей сводится к признанию ими малой доли местных осадков в общей сумме выпадающих атмосферных осадков. Для северной половины Евразии она составляет не более 10% адвективных осадков.

Однако С. И. Жаков (1959) показал, что на Русской равнине доля осадков континентального происхождения в общей сумме осадков достаточно велика. Она возрастает с запада на восток от 20% у западных границ СССР до 30% и более в Среднем и Нижнем Поволжье и Западном Казахстане. Для территории Северной Америки осадки континентального происхождения составляют около 32% их общей суммы (Begemann, Libby, 1957).

О. А. Дроздов обращает внимание на существенное обстоятельство, влияющее на количество выпадающих осадков: на интенсивное увеличение их при относительной влажности воздуха в интервале 55—75%. Более высокие сезонные значения ее вызывают пропорциональные изменения осадков. При средних сезонных значениях влажности ниже 50% интенсивность осадков быстро снижается. Эти данные подчеркивают стимулирующее влияние местного испарения на осадки, особенно при больших значениях относительной влажности воздуха.

Роль местного испарения в образовании атмосферных осадков достаточно велика, о чем в свое время писал А. И. Воейков (1888). Во всяком случае в гумидных зонах испарение прямо и косвенно способствует более частому выпадению осадков.

Классическим примером, характеризующим влияние местного испарения на атмосферные осадки, может служить экваториальная зона, где местное испарение приближается по своей величине к испаряемости и где адвективные осадки играют небольшую роль во влагообороте.

В умеренных широтах, где западно-восточный перенос воздуха представляет собой наиболее частый тип атмосферной циркуляции, первое место в общей сумме осадков занимают адвективные осадки. Но и в этих широтах, как только что было показано, местному испарению принадлежит видная роль в образовании осадков. В недалеком прошлом некоторые ученые несколько преувеличивали ее.

Очевидно, становление и развитие транспирационного процесса на Земле в связи с выходом растений на сушу не могло не способствовать увеличению интенсивности влагооборота через развитие его биофизического типа.

Обобщение ряда отечественных и зарубежных исследований в различных зонах природы, относящихся к установлению испарения с оголенной и покрытой растительностью почвы, показывает варьирование соотношений между ними в пределах 110—170%, если за 100% принять испарение с оголенной почвы. В среднем увеличение испарения с выходом растений на сушу приблизительно можно оценить величиной порядка 25—30%. В абсолютных величинах, если ориентироваться на современное годовое испарение, увеличение его за счет транспирации в аридных зонах (годовое испарение 100—200 мм) может быть оценено в 20—35 мм и в гумидных зонах (годовое испарение 500—1000 мм) — 170—330 мм.

Увеличение испарения с поверхности суши происходило не только за счет захвата наземными растениями новых территорий и нарастания в геологическом 'времени общепланетарной продуктивности фотосинтеза, что означало рост органической массы на Земле, но также за счет увеличения мощности почв от карликовых до глубокогумусных. Во всяком случае достаточно мощные почвы многих природных зон — экваториальной, тропической, умеренных широт — образовались не сразу. Будучи маломощными в молодом возрасте, они не могли на ранней стадии развития запасать много воды, а следовательно, этот резерв влаги мог заметно увеличить испарение только с образованием достаточно мощных почв, способных запасать не менее 25—30% суммы атмосферных осадков за год.

Образование почвенного покрова неоднократно прерывалось различными тектоническими процессами, следствием которых часто бывали крупные трансгрессии и регрессии, уничтожавшие древние почвы на больших территориях. Однако все трансгрессии моря на платформы, по данным Магницкого (1965), никогда не захватывали более 1/3—1/2 их площади. На остальной части платформ преобладала континентальная денудация. И в этом случае, как показывает изучение древных кор выветривания, происходили их постоянные переотложения и образование новых почв соответственно изменению физико-географических условий.

Увеличение испарения с поверхности суши изменило соотношение между отдельными составляющими водного баланса суши. Как известно, уравнение водного баланса суши имеет вид:

 

где Р—атмосферные осадки, Еп — испарение с почвы, Ет - транспирация, D1 — поверхностный и D2 — подземный сток.

Если испарение возросло в связи с выходом растений на сушу, то при неизменной сумме осадков объем стока и его интенсивность неизбежно должны были убывать, хотя частичное замещение лесных формаций травянистыми в связи с естественной эволюцией и влиянием человека несколько ослабляло этот процесс.

В свою очередь уменьшение интенсивности стока не могло не повлиять на ослабление интенсивности эрозии поверхности суши. В связи с этим логично заключить, что денудация горных систем, образовавшихся после выхода растений на сушу, протекала менее интенсивно по сравнению с допалеозойским периодом. Появляющиеся иногда в печати утверждения о нарастании денудации от палеозоя к мезозою и кайнозою необходимо оценивать критически. В частности, предположение о меньшей в прошлые геологические периоды скорости седиментации отмечал В. А. Магницкий (1965), Г. У. Менард (1966) и др. Одним из основных аргументов в пользу этого вывода приводят факты, свидетельствующие об увеличении размеров материков, что увеличивало площадь сноса материала и объем транспортируемых с суши в океан продуктов седиментации.

Очевидно рост континентов должен был привести к увеличению общего объема осадочных отложений, как и их поднятия над уровнем океана в отдельные геологические периоды. Однако это не доказывает нарастания скорости седиментации с единицы площади континентов, которая является единственно правильной мерой скорости денудации, но не общий объем осадочных отложений.

Современные наблюдения не подтверждают мнение о нарастании скорости денудации от палеозоя к кайнозою. Растительный покров повсюду сдерживает интенсивность размыва континентов, хотя воздействие его на ослабление эрозии неодинаково в разных природных зонах.

Оценивая влияние растительного покрова на сток, мы исходили из предположения, что количество атмосферных осадков не изменяется под воздействием растений. В действительности же в связи с увеличением местного испарения после выхода растений на сушу неизбежно его влияние на изменение атмосферных осадков. Они, в свою очередь, должны были возрасти за счет увеличения влажности воздуха.

В свете современных представлений об атмосферно-континентально-океаническом типе влагооборота, неточно называемом влагооборотом в атмосфере, адвективные осадки имеют доминирующее значение в увлажнении континентов, по крайней мере Евразии и Северной Америки, где эти процессы исследованы достаточно полно.

Местные осадки, как было указано выше, составляют обычно небольшую долю от адвективных — не более 10% на территории средних и высоких широт Евразии. Однако местное испарение стимулирует выпадение осадков за счет повышения влажности воздуха и снижения температуры, что увеличивает их сумму. Для Европейской территории СССР это увеличение, согласно расчетам, составляет 28%, или около 160 мм за год (Дроздов и Григорьева, 1963). Если из этого количества 25% отнести на дополнительное испарение за счет транспирадии, то и в этом случае увеличение осадков в умеренно влажных условиях, где за год выпадает около 500 мм осадков, составит около 40 мм.

Таким образом, выход растений на сушу неизбежно должен был способствовать повышению интенсивности общего влагооборота через активизацию его атмосферно-континентально-океанического типа.

Рассмотрим другой элемент водного баланса суши, который также, как и транспирация, изменяет структуру биофизического влагооборота с появлением растений на суше.

Речь будет идти о просачивании воды через почву, за счет которого пополняются подземные воды и подземный сток. Достаточно надежно о просачивании можно судить в первом приближении по соотношению осадков и испаряемости.

Известно, что во влажных физико-географических зонах атмосферные осадки ежегодно или почти ежегодно промачивают всю толщу почвы, причем часть их проникает до грунтовых вод. При этом осуществляется, согласно классификации А. А. Роде (1956), промывной тип водного режима почв.

В средних широтах северного полушария он отчетливо выражен в подзонах тайги и смешанных лесов, где образуются бедные питательными веществами подзолистые почвы. В лесостепях также наблюдается просачивание атмосферных осадков до грунтовых вод, но в этой зоне оно бывает реже вследствие недостатка влаги и более интенсивного иссушения почв растениями.

В степях и пустынях умеренного пояса просачивание осадков до грунтовых вод редкое явление.

А. М. Алпатьев и А. И. Трофимова (1964) показали, что на пашнях суглинистого механического состава в многолетнем периоде просачивание осадков до грунтовых вод даже летом — нередкое явление в лесных провинциях северо-запада Европейской территории СССР.

На песчаных почвах это явление имеет место не только в лесных, но и в лесостепных провинциях.

В низких широтах просачивание атмосферных осадков до грунтовых вод, судя по соотношению осадков и испаряемости, достигает значительных величин только во влажных провинциях экваториальной, тропической и субтропической зон. В саваннах же, тем более в полупустынях и пустынях субтропического и умеренного поясов, пополнение грунтовых вод за счет просачивания осадков незначительное.

Зонально-провинциальные различия, указывающие на наличие, или отсутствие просачивания атмосферных осадков через почву в грунтовые воды, представляют для нас интерес не сами по себе, а лишь в связи с влиянием просачивания на структуру биофизического влагооборота и изменение его интенсивности. Здесь уместно остановиться на трех возможных случаях биофизического влагооборота. Первый случай характеризуется полным отсутствием поверхностного и подземного стока, когда Епт=Р, т. е. испарение равно осадкам, что характерно для бессточных областей пустынь и полупустынь.

Во втором случае водный баланс может быть записан в виде: En+EТ+D1=P, где D1 — поверхностный сток. Это имеет место в условиях пересеченного рельефа пустынь и полупустынь, где подземный сток отсутствует. Для третьего случая более типично уравнение: En + ET+D1 + D2 = P, где D2— подземный сток. Оно характерно для гумидных зон, но в отдельные годы осуществляется и в засушливых зонах, например в степях. Во втором и третьем случаях часть атмосферных осадков уходит из сферы биофизического влагооборота данного региона.

Как изменилось просачивание в связи с появлением растений на суше — вот основной вопрос, рассмотрение которого соответствует принятому аспекту исследования структуры биофизического влагооборота.

Сравнительное изучение водного режима полей, не покрытых и покрытых растительностью, всегда дает одни и те же результаты, а именно: просачивание всегда меньше или равно нулю на объектах, покрытых растительностью. Следовательно, можно сделать общий вывод для всех природных зон о том, что выход растений на сушу означал при всяких условиях уменьшение потерь атмосферных осадков на просачивание их в грунтовые воды. Такое изменение структуры биофизического влагооборота неизбежно вызывало увеличение испарения, что, в свою очередь, означало увеличение интенсивности влагооборота, осуществляемого при участии растений.

Количественная оценка подземного стока по природным зонам и провинциям в современную геологическую эпоху представляет большие трудности.

В Советском Союзе исследования в этом направлении проведены Институтом географии АН СССР и Московским государственным университетом. Они показали отчетливо выраженную зональность географического изменения подземного стока на равнинах: от нулевого значения в пустынях и полупустынях до 100 мм в год в тайге.

Для лесных провинций Западной Европы Р. Келлер (1965) приводит величины порядка 80—150 мм.

Во влажных тропических провинциях Китая подземный сток возрастает до 250 мм, в высокогорном поясе Большого Кавказа — до 385 мм, а для всей суши земного шара он исчисляется величиной 81 мм (Львович, 1962; Кашкай, 1966).

Этими примерами не исчерпываются возможные пределы колебаний подземного стока, на основе которого косвенно можно судить о просачивании атмосферных осадков до грунтовых вод в современную геологическую эпоху. Но приблизительное представление о порядке величин они дают.

В общем виде приведенные числа подтверждают вывод об отсутствии просачивания атмосферных осадков до грунтовых вод в пустынях и полупустынях и незначительных его размерах в степях и сухих саваннах при наличии современного растительного покрова.

Однако до выхода растений на сушу условия просачивания осадков были другими: просачивание в аридных условиях было более частым и более значительным. Опыт удаления растительного покрова в аридных условиях показывает увеличение инфильтрации атмосферных осадков в почву и грунтовые воды. Отсюда логично заключить, что в период, предшествующий образованию на суше фитосферы, просачивание осадков до грунтовых вод в степях, сухих саваннах и полупустынях было более частым явлением. Это должно было способствовать ускорению выноса растворимых солей в реки, озера, моря и океаны. В лесах умеренного пояса наблюдается заметное увеличение подземного стока за счет сокращения поверхностного, что в основном объясняется высокой инфильтрационной способностью лесных почв. На облесенных водосборах подземный сток более устойчив несмотря на увеличение испарения в лесных массивах нормального бонитета.

Таким образом, с выходом растений на сушу отдельные составляющие водного баланса суши изменялись не однозначно в разных природных зонах: в аридных условиях инфильтрация атмосферных осадков в почву и грунтовые воды оказалась затрудненной вследствие пересыхания почв под влиянием десукции растений; в гумидных условиях, где недостаток влаги — более редкое явление, инфильтрация влаги в почву в лесных провинциях возросла, что неизбежно ускорило вынос минеральных и органических соединений из почв в грунтовые воды и далее — в реки, моря и океаны.

В итоге в аридных условиях, в связи с более полным использованием атмосферных осадков на испарение, интенсивность влагооборота возросла. При этом более существенные сдвиги в этом аспекте имели место в полуаридных зонах типа степей и саванн, где потенциальные возможности глубокого промачивания почв осадками больше, чем в полупустынях и пустынях. Однако этот процесс не мог существенно повлиять на степень увлажненности аридных и полуаридных провинций.

В гумидных условиях, где формируются умеренно влажные или влажные леса, потенциально возможные резервы влаги, способные увеличить интенсивность биофизического влагооборота за счет увеличения испарения, не используются полностью естественной растительностью вследствие роста потерь атмосферных осадков на подземный сток. Высокая инфильтрационная способность лесных почв ограничивает рост интенсивности влагооборота. Этим, между прочим, объясняется довольно значительный дефицит осадков даже в типичных влажных лесных провинциях Западной и Восточной Европы (100—200 мм), несмотря на благоприятные условия увлажнения (Келлер, 1965),

Среди естественных факторов, изменяющих структуру биофизического влагооборота, необходимо назвать еще один — механический состав почв и грунтов, значение которого ощутимо сказывается в районах преобладания песчаных массивов.

Многочисленные наблюдения в природе показывают, что песчаные почвы существенно меняют соотношение отдельных элементов водного баланса территории. Давно подмечено, что древесные сообщества продвигаются на песчаных массивах дальше к югу, где аналогичные ассоциации на суглинистых и глинистых почвах отмирают. Равным образом и культурные растения дают более устойчивые урожаи на песчаных почвах аридных провинций, что было подмечено еще В. В. Докучаевым. В гумидных условиях на песчаных массивах в средних широтах чаще образуются сосновые леса низкого класса бонитета.

В песчаных массивах резко убывает поверхностный сток, нередко почти до нулевого значения, на что указал С. В. Басе (1963), обобщивший обширные материалы наблюдений над весенним поверхностным стоком с разных угодий в подзоне смешанных лесов Русской равнины (табл. 8).

Соответственно убыванию поверхностного стока в песчаных массивах возрастает подземный сток, что подтверждают почвенные исследования и специальные опыты. В песках гумидных зон чаще образуются сильно подзолистые почвы и подзолы.

В песках аридных зон более интенсивно протекает выщелачивание..

По данным лизиметрических наблюдений в Кастрикуме и Эберсвальде (Тюрк, 1958), где часть лизиметров заполнена песком, подземный сток был значительно больше, чем в суглинистых и глинистых почвах при одних и тех же количествах атмосферных осадков.

В аридных условиях на песчаных почвах возрастает доля атмосферных осадков, расходуемых на транспирацию и соответственно убывает непродуктивное испарение с поверхности почвы, что было установлено в разных регионах и не требует доказательств..

В гумидных условиях на тех же почвах происходит аналогичный процесс — увеличение доли продуктивного испарения за счет роста транспирации. Однако даже в этих условиях на песчаных почвах чаще, чем на глинистых, наблюдается недостаток влаги, что обусловлено их малой влагоемкостью, исключающей возможность образования больших запасов влаги.

В итоге краткого рассмотрения связи составляющих водный баланс суши с механическим составом почв можно констатировать однозначное влияние этого фактора в разных природных зонах на биофизический влагооборот. В аридных условиях его интенсивность возрастает за счет увеличения продуктивного испарения при одновременном снижении непродуктивного. При этом просачивание атмосферных осадков в глубокие слои песчаных толщ в отдельные годы мало лимитирует процесс интенсификации влагооборота, так как десукция влаги растениями с глубокой корневой системой неизменно вовлекает просочившиеся осадки во влагооборот (А. Г. Гаель, 1948). Основной фактор лимитирования влагооборота в этих условиях — недостаток влаги.

В гумидных условиях, где, казалось бы, недостаток влаги существенно не ограничивает испарение, этот фактор на песчаных землях также лимитирует влагооборот. Это парадоксальное явление обусловлено двумя причинами: малой влагоемкостью песчаных почв и неглубокой корневой системой растений. Оглеение, наблюдаемое обычно в глубоких горизонтах песчаных почв гумидных зон, препятствует углублению корней растений до грунтовых вод, что в значительной мере ограничивает вовлечение их во влагооборот. Исключение составляют случаи, когда воды, заболачивающие песчаные почвы, не являются застойными (приручейные ельники). В этих случаях обеспечен достаточный приток кислорода к корням растений, что благоприятствует нормальной десукции влаги из более глубоких горизонтов почв и соответственно интенсифицирует биофизической влагооборот.

Наконец, существенно влияет на интенсивность влагооборота глубина грунтовых вод. Повсюду, где имеются слабо минерализованные, неглубоко залегающие от поверхности почвы грунтовые воды, а также верховодка, биофизический влагооборот осуществляется более интенсивно, что доказано наблюдениями в природных и лабораторных условиях и всесторонне рассмотрено в обстоятельной монографии А. А. Роде (1965). Наиболее значительное влияние грунтовых вод на биофизический влагооборот наблюдается при залегании их не глубже 1 —1,5 м в песчаных почвах и 2—2,5 м в суглинистых.

Выше были рассмотрены принципиальные изменения биофизического влагооборота на равнинах, обусловленные воздействием растений и почв в аридных и гумидных условиях.

 

Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.