Нам остается рассмотреть, в каких природных зонах и провинциях в современную геологическую эпоху биофизический влагооборот осуществляется на оптимальном уровне и в каких он не достигает оптимума, оставаясь полуэкстенсивным и экстенсивным; в каких природных условиях имеются потенциальные перспективы интенсификации этого типа влагооборота.
Региональная характеристика биофизического влагооборота по степени соответствия его оптимальному уровню имеет большое значение для хозяйственной оценки продуктивности биосферы, в первую очередь фитосферы.
Оптимальный биофизический влагооборот соответствует таким физико-географическим условиям, в которых потребность растений в воде удовлетворяется полностью.
Сама потребность растений в воде в нашем представлении — категория биогеографическая, обусловленная продолжительностью вегетации фитоценоза, природным биологическим ритмом его жизненного цикла (накопление и старение органической массы) и испаряющей способностью приземных слоев атмосферы (Алпатьев, 1950, 1954).
В работах географов, геофизиков, климатологов (А. А. Григорьев, М. И. Будыко, А. И. Будаговский, Н. Н. Иванов, В. С. Мезенцев, П. И. Колосков, А. Р. Константинов, Ж. Морман и Ж. Кесслер, X. Л. Пенман, Г. Т. Селянинов, К. Торнтвейт, Л. Тюрк) основу оценки степени увлажненности территорий составляют количественные взаимосвязи тепла и влаги. Впервые принципиальное значение соотношения тепла и влаги (в виде отношения осадков к испаряемости) в развитии природных зон было показано в трудах В. В. Докучаева (1948) и Г. Н. Высоцкого (1905).
Нередко эти оценки не относятся к конкретным фитоценозам; не учитывают стока, что в условиях пересеченной местности искажает действительную картину увлажнения; не принимают во внимание накопленных к весне запасов влаги в почвах, что преувеличивает действительный дефицит влаги для растений умеренного пояса.
В многолетнем периоде геофизические методы оценки увлажненности отдельных регионов суши, за исключением горных стран, дают удовлетворительные результаты, что проверено географическими сопоставлениями геофизических показателей страницами природных зон.
Поэтому, наряду с географическими, нами будут использованы и геофизические исследования для региональной оценки интенсивности биофизического влагооборота.
Первый вывод, к которому можно было прийти, изучая ряд опубликованных источников, сводится к признанию незначительного распространения на нашей планете оптимального или близкого к нему биофизического влагооборота. Потребность в воде естественных фитоценозов редко удовлетворяется на Земле полностью.
Если делать заключение только по средним многолетним коэффициентам увлажнения, то в группу оптимального влагооборота можно отнести гилей в составе вечнозеленых «дождевых» лесов экваториальной зоны, тропиков и субтропиков, географическое положение которых хорошо известно (Амазония и отдельные районы Центральной Америки, Гвинейское побережье, котловина Конго с окраинными горами, Малайские острова, Новая Гвинея с прилегающими островами, полуостров Индокитай, Гавайские острова, восточное побережье о. Мадагаскар, часть Новой Зеландии, влажные субтропики Средиземья, острова Карибского моря, полуостров Флорида и т. д.). В средних и высоких широтах в эту же группу попадают лесная зона умеренного пояса и влажные провинции тундры.
Однако внимательное изучение природных условий упомянутых географических зон приводит к иным выводам. Большинство областей вечнозеленых «дождевых» лесов экваториальной зоны, тропиков и субтропиков представляет собой сильно пересеченную местность, где сток достигает внушительных величин. Согласно карте стока Львовича (1960), в экваториальных, тропических и субтропических провинциях гилей годовой сток составляет от 400 до 1500 мм. Если вычислить коэффициенты увлажнения с учетом стока, то из группы оптимального влагооборота низких широт должны быть исключены многие районы Индокитая, бассейна Конго, Южной Америки, Центральной Америки, Восточной Австралии и т. д. Почти все влажные субтропики Средиземья, США и Китая также не попадают в группу оптимального влагооборота, хотя сток в этих областях меньше.
В недавно опубликованном исследовании Ф. Ф. Давитая и И. И. Трусова (1966), относящемся к характеристике климатических ресурсов Кубы, отмечено, что на этом обильно увлажняемом острове в отдельные годы бывают засухи. С другой стороны, на низменных равнинах гилей довольно часто переувлажнены. П. У. Ричарде (1961) считает, что тропический дождевой лес растет там, где осадков более 2000 мм и нет сухого периода.
Оптимальный влагооборот осуществляется в низких широтах только в исключительно благоприятных по географическому и орографическому положению провинциях.
В обстоятельном исследовании увлажнения тропических и сопредельных стран Н. Н. Иванова (1958), охватившем около 52% всей суши Земли, общая площадь физико-географических областей положительного баланса исчислена в 23 млн. км2, или около 31% всей площади суши в исследованных им границах. В действительности территория гарантированного оптимального влагооборота не превышает ¼ — 1/5 этой площади, или 4— 5 млн. км2, если принять во внимание сток и наличие в тропиках и субтропиках засушливых периодов в 50 дней и более.
Ни один травянистый мезофит, к которым относится большинство культурных растений, не способен выдержать засушливый период более 40—50 дней без снижения продуктивности. По многолетним наблюдениям автора этих строк, прирост массы у травянистых растений в лесной зоне умеренного пояса прекращается после 17—25 дней бездождья.
В средних и высоких широтах, вопреки установившемуся представлению, даже в лесной зоне, в частности в подзонах смешанных лесов и тайги, не везде потребность5 растений в воде удовлетворяется полностью, что указывает на отсутствие и в этих условиях оптимального влагооборота во многих районах, за исключением заболоченных мест.
Опыт массового осушения заболоченных земель в западных районах Европейской территории СССР и в Западной Европе в последние десятилетия подтверждает хозяйственную необходимость сооружения на них мелиоративных систем так называемого двустороннего действия — осушительно-оросительного, что получило всеобщее признание и частично реализуется на практике (Чехословакия, Польша, Румыния и др.). После осушения недостаток влаги ощущается и на многих бывших заболоченных территориях по мере удаления «векового» избытка влаги.
Обратимся к картографическим источникам — к новейшей карте испарения Н. Н. Дрейера (1966), карте испарения с водной поверхности Б. Д. Зайкова (1949), картам испаряемости Н. Н. Иванова (1959) и Л. И. Зубенок (1965). По разности между испарением и испаряемостью можно установить приблизительные границы, где эти два показателя балансируются, уравновешивают друг друга и где, следовательно, влагооборот близок к оптимальному.
В Сибири на равнинах почти всюду, кроме тундр, северной и средней тайги, испаряемость больше испарения, что указывает на недостаток влаги. В Западной Сибири, по карте И. В. Карнацевича (1966), отношение испарения к испаряемости >0,9 имеет место только к северу от 62—63° с. ш. Эту территорию по климатическим условиям можно безошибочно считать избыточно увлажненной. Согласно атласу В. С. Мезенцева (1961), в Западной Сибири гидролого-климатическая зона оптимального увлажнения по среднему году совпадает с подзоной северной лесостепи, что южнее аналогичных границ по Карнацевичу. При осушении зона оптимального увлажнения Западной Сибири по аналогии с Европейской частью СССР неизбежно передвинется к северу, в район Васюганья.
На Европейской территории СССР в группу провинций оптимального влагооборота попадают преимущественно южная тайга и северные районы подзоны смешанных лесов.
По шкале радиационных индексов сухости Будыко южной границе территории оптимального влагооборота на Русской равнине приблизительно соответствует индекс сухости, равный 2/3.
О необходимости вносить поправки в индекс сухости в горных районах в связи с влиянием стока на увлажнение территорий недавно сообщал А. И. Токмаков (1965). По-видимому, и на равнинах аналогичные поправки необходимы.
В последние годы Ж. Морманом для равнин Западной Европы были составлены карты дефицитов осадков (Келлер, 1965) по разности между суммами годовых осадков и испаряемостью, вычисленной по формуле Тюрка. Оказалось, что в группу областей оптимального влагооборота попадают только горные западные районы Скандинавского полуострова и Северная Шотландия. На всей остальной территории, исключая высокогорный пояс, существует дефицит осадков не менее 100 мм. С учетом стока дефицит влаги должен получиться еще больше.
Рассмотрим, наконец, результаты, вытекающие из исследований водного баланса территории Северной Америки, где циркуляция воздушных масс иная, а наиболее увлажненными областями являются восточные атлантические провинции тундры и северо-западного тихоокеанского побережья. Сравнение карт испарения и испаряемости (Келлер, 1965) дает картину, близкую к той, которая получена для лесной зоны и тундр СССР. На территории Северной Америки оптимальный влагооборот наблюдается в пределах преимущественно южной тайги, севернее которой наблюдается явный избыток влаги.
На северо-западном тихоокеанском побережье Северной Америки действительные условия увлажнения неясны вследствие большого стока; по-видимому, они близки к оптимальным.
В юго-восточных влажносубтропических провинциях на территории США, согласно картам Хортона и Бойлига, наблюдается четко выраженный дефицит влаги.
Таким образом, в средних и высоких широтах в группу регионов оптимального влагооборота следует относить в основном южную тайгу и примыкающую к ней подзону смешанных лесов. Именно здесь, в умеренных широтах, складываются наиболее благоприятные соотношения тепла и влаги, обеспечивающие при достаточном уровне питания максимальную продуктивность фотосинтеза, а не в лесостепной зоне, которую А. А. Григорьев (1964) считает зоной оптимального соотношения тепла и влаги.
Может возникнуть сомнение в справедливости такой ревизии установившихся взглядов. Одним из аргументов, свидетельствующих против этого вывода, может служить широкое распространение заболачивания в южной тайге и подзоне смешанных лесов.
Однако большой хозяйственный опыт осушения земель в подзоне смешанных лесов на Европейской территории СССР и в Западной Европе надежно подтверждает наш вывод.
Дело в том, что в этой подзоне после осушения начинает сказываться недостаток влаги при выращивании культурных растений.
После осушения потребность в воде растений возрастает вследствие влияния двух факторов: а) изменения местного климата и микроклимата в направлении большей испаряющей способности приземных слоев атмосферы (повышение температуры и снижение относительной влажности воздуха) и б) увеличения продуцируемой органической массы растений.
В естественных условиях подзоны смешанных лесов фитоценозы, представленные дикорастущими сообществами, не всегда полностью используют влагу вследствие низкой продуктивности, потребность в воде у них часто бывает меньше испаряемости. Поэтому избыток влаги в этой подзоне частое явление.
После осушения и последующего окультуривания земель испарение увеличивается, приближаясь к испаряемости, вследствие увеличения продуцируемой растительной массы и изменения микроклимата. Избыток влаги становится редким явлением. Соответственно новым условиям «зона» оптимального влагооборота из лесостепной зоны перемещается к северу — в пределы подзоны смешанных лесов и южной тайги.
Необходимо учитывать еще один аргумент в пользу перемещения в более высокие широты зоны оптимального влагооборота — частые потери осадков на просачивание глубже корнеобитаемого слоя (Алпатьев и Трофимова, 1964). Эта часть осадков практически исключается из биофизического влагооборота.
В зависимости от типа и разновидности почв, от их сложения (двучленные наносы) и пересеченности местности границы зоны оптимального влагооборота в полевых условиях изменяются. Однако преобладающее их положение всегда лежит вне (севернее) лесостепных провинций и подзоны широколиственных лесов.
Д. И. Абрамович (1948) один из первых в основу интенсивности физико-географического процесса положил частное от деления испарения на испаряемость: е/Е где е — испарение и Е — испаряемость. На его карте «зона» хорошего соответствия тепла и влаги, где в естественных условиях должны формироваться наиболее продуктивные фитоценозы, совпадает на Русской равнине с подзонами смешанных и широколиственных лесов.
Тот же показатель был принят А. Г. Исаченко (1953) при составлении карты относительной интенсивности влагооборота на Русской равнине и Л. И. Зубенок (1965) на картах увлажнения всей территории Советского Союза.
Нами при оценке условий оптимального влагооборота были использованы те же исходные показатели — испарение и испаряемость, но взятые в виде разности е —Е.
Эта разность дает возможность автоматически вносить поправку на сток и таким образом избежать в умеренных широтах ошибок в оценке действительных условий увлажнения.
Кроме личных разработок, нами была принята во внимание серия карт, появившихся в печати по вопросам испарения, испаряемости, потерь осадков на фильтрацию влаги за последние 20 лет.
Принципиальные основы оценки условий увлажнения, принятые Абрамовичем, Исаченко, Зубенок и нами, по существу одни и те же, однако результаты получились несколько различные.
На картах Абрамовича и Исаченко южная граница оптимального соотношения тепла и влаги на Русской равнине проходит несколько севернее лесостепной зоны. На картах Зубенок (1965) заслуживает внимания внутригодовое изменение границ оптимального увлажнения, что справедливо для умеренного пояса. Соответственно ее картам, южная граница оптимального влагооборота мигрирует на Русской равнине от лесостепей в мае до тайги включительно в августе.
По нашим исследованиям, она ближе к южной границе тайги и заходит в подзону смешанных лесов.
Как было упомянуто выше, близкие результаты дало изучение аналогичных карт Западной Европы и Северной Америки.
В целом в средних широтах в группу оптимального влагооборота мы относим: в умеренном континентальном климате — подзону смешанных лесов и южную тайгу, в резко континентальном — подзону смешанных лесов.
В нашей интерпретации оценка увлажнения, соответствующего оптимальному биофизическому влагообороту, в значительной мере свободна от недостатков, свойственных методам, основанным на показателях, не учитывающих поверхностный сток. Для территорий с ясно выраженными холодным и теплым, сухим и влажным периодами, а также для горных областей суши без внесения поправок на сток невозможно реально оценить условия увлажнения без больших погрешностей.
Характеризуя условия увлажнения природных зон по годовой разности «испарение минус испаряемость», необходимо иметь в виду, что получаемые таким путем показатели ближе всего отвечают условиям обеспеченности влагой фитоценозов максимальной продолжительности вегетации. В умеренных широтах это пояснение в первую очередь будет относиться к древесным формам наиболее продолжительной вегетации, а также к многолетним травянистым фитоценозам лугового типа, устойчивым к заморозкам.
Вместе с тем те же показатели менее точно характеризуют условия обеспеченности влагой фитоценозов короткой и средней продолжительности вегетации, требующие меньше воды для завершения жизненного цикла.
Применительно к этим фитоценозам, к которым можно отнести некоторые разновидности разнотравно-злаковых и злаковых лугов, а также сообщества культурных однолетних растений, например, ранних зерновых хлебов, южная граница территорий оптимального влагооборота отодвигается на суглинистых почвах в более низкие широты, включая северные лесостепи. На почвах легкого механического состава даже для коротко вегетирующих фитоценозов в подзоне смешанных лесов оптимальное увлажнение — редкое явление. На таких почвах, если они не заболочены, даже в южной тайге недостаток влаги наблюдается довольно часто.
Характеризуя зоны и подзоны оптимального влагооборота как природные образования, размежевывающие территории различных типов современных и будущих преобразований, нельзя не отметить факта повсеместной миграции их границ в конкретные годы в сторону избытка или недостатка влаги. В средних широтах особенно показательны в этом отношении подзона широколиственных лесов и зона лесостепей, в тропических и субтропических — подзоны влажных саванн. Во всех этих подзонах часто наблюдается неустойчивое увлажнение с переходами от недостаточного до оптимального и редко от оптимального до избыточного. Наконец, нельзя не учитывать также уровень грунтовых вод и его влияние на сезонную динамику оптимального влагооборота.
В табл. 9 приведена укрупненная группировка природных зон по степени увлажнения. В ней показано всего четыре группы: избыточного, оптимального, неустойчивого, недостаточного увлажнения.
Некоторые природные зоны, например тайга и гилей, попали в группы избыточного и оптимального увлажнения в зависимости от уровня грунтовых вод, от степени дренированно-сти территории.
Двойственное положение, обусловленное разными условиями дренирования территории, свойственно не только тайге, смешанным лесам и гилеям. Однако в этих зонах и подзонах наблюдаются наиболее отчетливые и наиболее частые переходы одного и того же природного образования из группы избыточного в группу оптимального увлажнения и обратно.
Такая группировка природных выделов отражает как естественные условия, так и измененные преобразовательной деятельностью человеческого общества.
Заканчивая главу, посвященную взаимосвязи влагооборота и биосферы, сформулируем наиболее существенные выводы теоретического и прикладного характера:
а. Наиболее заметное воздействие на атмосферу и гидросферу оказывает через фотосинтез та часть биосферы, которую называют фитосферой. По своей массе она в десятки тысяч раз больше массы зоосферы.
б. В течение геологического времени масса растении, образующих фитосферу, непрерывно нарастала от одного геологического периода к другому. Современная масса сухопутных растений, по приблизительным подсчетам, выполненным разными способами, в сотни тысяч раз больше той, которая образовалась в девоне.
в. Из общей массы органического вещества, образующегося в процессе фотосинтеза, захороняется не более 1%. Остальное вновь разлагается с возвратом воды и углекислоты обратно в атмосферу и другие геосферы.
г. В процессе фотосинтеза изменяется не только газовый состав атмосферы, но происходит также частичное разложение воды на кислород и водород и связывание ее в фоссилизированном (захороненном) органическом веществе. Расчеты показывают что в фоссилизированной массе связано воды в пересчете на всю поверхность Земли слой 100 м, а на поверхность океана — 140 м.
д. Часть связанной воды человек постоянно высвобождает в процессе сжигания угля, нефти, горючего газа, а также’ в процессе замены лесов пашнями.
е. Нарастание органической массы растений стимулирует местное испарение на континентах, что увеличивает количество атмосферных осадков и интенсифицирует влагооборот.
Тот же процесс, наряду с увеличением в геологическом времени мощности и водоудерживающей способности почвы, способствовал ослаблению поверхностного стока.
ж. По степени увлажнения все природные зоны разделены на четыре группы: избыточного, оптимального, неустойчивого, недостаточного увлажнения. В зависимости от степени дренированности территории некоторые зоны помещены в двух смежных группах.
з. Территории оптимального биофизического влагооборота на суше, где потребность растений в воде удовлетворяется полностью, занимают ограниченные площади. В предшествующих работах площадь их нередко преувеличивали. В данном исследовании в группу природных зон оптимального влагооборота при нормальном дренировании местностей включены: 1) в высоких и средних широтах тайга средняя, тайга южная, леса смешанные; 2) в тропиках и субтропиках — гилей экваториальные, тропические и субтропические.
и. В основу деления зон на группы по степени увлажнения положена разность между фактическим испарением и испаряемостью. Влияние стока, искажающее действительные условия увлажнения, исключено.
к. Подавляющая часть территории материков (не менее 90%) нуждается в мероприятиях, направленных на преобразование водного баланса.
—Источник—
Алпатьев, А.М. Влагообороты в природе и их преобразования/ А.М. Алпатьев. – Л.: Гидрометеорологическое издательство, 1969.– 323 с.
Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава
