У

Потоки і трансформація енергії у ландшафті

сі процеси в ландшафті неможливі без їх енергетичного забезпечення – вони супроводжуються поглинанням, перетворенням, нагромадженням та вивільненням енергії. Основним джерелом енергії для більшості процесів у ландшафті є сонячна¹¹. До верхньої межі атмосфери надходить 2 кал/см²·хв сонячної енергії. Проходячи крізь атмосферу, вона послаблюється атмосферними газами та пилом, причому менше всього послаблюється видиме світло, яке необхідне для фотосинтезу, тому він може відбуватися й у похмурі дні. Потрапляючи у межі ландшафтного комплексу, потік сонячної енергії істотно ускладнюється, трансформується в інші види енергії (теплову, хімічну, механічну) й набуває структури, яка схематично зображена на рис. 23.

Рисунок 23. Схема потоків та трансформації сонячної енергії в ландшафтному комплексі:

сонячна радіація: R – сумарна; RI – пряма; RS – розсіяна; RA – відбита; RE – ефективне випромінення; RB – радіаційний баланс; T– витрати тепла на транспірацію; E – те ж на фізичне випаровування; Q – турбулентна віддача тепла атмосфері; P – енергія на фотосинтез; P_a – чиста первинна продукція; P_b – енергія дихання рослин; P_m – витрата енергії з річним опадом; P_i – енергія у фітомасі; BM – енергія, накопичена у прирості біомаси; Z – енергія, що надходить до травоїдних тварин; Z_b – енергія дихання тварин; Z_i – енергія синтезу нової зоомаси; Z_m – енергія, що втрачається із загибеллю тварин; Z_е – енергія, що виводиться з екскрементами тварин; Z_z – енергія, що переходить до вищого трофічного рівня; M – енергія мортмаси; M_b – енергія на дихання сапрофагів; M_c – енергія окислення мортмаси; M_m – енергія мінералізація мортмаси; H – енергія, накопичена в гумусі.

Досягаючи меж ландшафтного комплексу, частина сумарної сонячної радіації витрачається на ефективне випромінення в атмосферу ( RF на рис. 24) та відбивається в атмосферу його різними поверхнями (геогоризонтами). Величина відбитої радіації RA залежить від геогоризонтної структури ландшафтного комплексу та фізичних характеристик геогоризонтів (їх кольором, щільністю тощо). Так, у ландшафтах бореальних мішаних лісів його розвинена структура фітогоризонтів перехоплює до 98% сонячної радіації, що надходить до верхньої шати фітоценозу. Отже, до поверхні гнуту надходить близько 2% цієї енергії. Натомість у ландшафтних комплексів ріллі перехоплення радіації рослинністю немає зовсім.

Ефективне випромінення та відбита сонячна радіація повертаються в атмосферу, а решта енергії йде на забезпечення різних процесів у ландшафтному комплексі. Ця частина енергії носить назву радіаційного балансу RВ. Більша його частина витрачається на забезпечення випаровування, яке складається з фізичного випаровування Е та транспірації Т (випаровування води рослинами), а також на турбулентну віддачу атмосфері Р. Отже, ця енергія йде на забезпечення вологообігу та прогрівання повітря ландшафтного комплексу.

На забезпечення біопродуційних процесів ландшафту витрачається дуже мала частка радіаційного балансу. В середньому витрати тепла на фотосинтез Р складають 1,3% від величини RВ. При фотосинтезі використовується фотосинтетично активна радіація – ФАР. Хоча рослинний покрив поглинає близько 90% світлової енергії ФАР, однак більша частина цієї енергії витрачається на транспірацію та терморегуляцію рослин й лише 0,5 – 1,5% - на фотосинтез.

Частка енергії ФАР, яка йде безпосередньо на фотосинтез, називають ефективністю фотосинтезу. Вона залежить від гідротермічних умов ландшафтного комплексу. За максимальної теплозабезпеченості при оптимальному співвідношенні тепла та вологи, ефективність фотосинтезу досягає 4,5% ФАР, або 1,5% сумарної сонячної радіації. Такі умови складаються в ландшафтах екваторіальних лісів. У штучних умовах (теплицях) ефективність фотосинтезу можна довести до максимально можливої – 34% ФАР.

Енергія, що пішла на забезпечення фотосинтезу, витрачається на дихання рослин (близько 50%), а решта накопичується в утвореній фітомасі. Ця частина енергії носить назву чистої первинної продукції (Р_а на рис. 24). Вона витрачається на три головні частини. Одна з них разом з відмиранням рослин або їх органів переходить до мортмаси Р_m, друга частина Р_і залишається у фітомасі й забезпечує її щорічний приріст, а третя частина Z разом з фітомасою, що поїдається тваринами, переходить до зоомаси ландшафтного комплексу. Ця енергія частково йде на потреби самих травоїдних тварин (дихання, енергетичні витрати на розмноження, пересування у ландшафті тощо), частково разом з ексрементами та із загибеллю організму переходить до мортмаси, а частково разом із поїданням травоїдних тварин тваринами-хижаками переходить до вищого трофічного рівня. На ньому структура енергетичних потоків повторюється (див. рис. 23).

З одного трофічного рівня до вищого в середньому переходить не більше 5 – 15% енергії. Такі її значні втрати не дозволяють сформуватися необмеженій кількості трофічних рівнів й лише в енергетично багатих ландшафтах і екваторіальних лісів їх кількість може досягати 5 – 6. Таким чином, частка енергії первинної продукції, що переходить до мортмаси ландшафтного комплексу, сягає 95%. Сукупність процесів її переробки називають детритним циклом. Головну роль у ньому відіграють живі організми, що живляться неживим органічним матеріалом. Такі організми називають сапрофагами або редуцентами. До них належать такі великі тварини, як грифи, ворони, краби, а також черви, кліщі, бактерії та гриби. Вони здатні спожити до 90 – 95% усієї чистої первинної продукції. Решта цієї енергії витрачається на окислення мортмаси, в результаті чого виділяється СО₂.

Більшу частину енергії сапрофаги витрачають на дихання, а решта переходить спочатку в проміжні продукти розкладу органічної речовини та неспецифічну органічну речовину ґрунту. на наступному етапі трансформації цієї енергії до 70% її втрачається на мінералізацію органічної речовини мікроорганізмами та до 25% на їх дихання. решта енергії переходить у специфічні гумусові речовини Таким чином, у гумус переходить не більше 5 – 10% енергії рослинних решток.

Господарська діяльність людини істотно впливає на потоки та трансформацію енергії в ландшафті. Так, забруднення атмосферного повітря аерозолями та пилом призводить до збільшення частки відбитої радіації, через що до ландшафтного комплексу надходить менше сумарної радіації й зменшується її радіаційний баланс. Наприклад, смог здатний зменшити її на 30 – 40%. Зміни вертикальної структури ландшафтних комплексів, пов'язані із зведенням природної рослинності (розорюванням), призводять до трансформації їх трофічної структури і всієї структури енергетичних потоків. Зокрема набагато зменшується потік енергії, що надходить до детритного циклу ландшафтного комплексу – енергетичного базису формування гумусу. Внаслідок цього вміст і відсоток гумусу у ґрунті невпинно зменшуються. Лише шляхом внесення великих обсягів органічних добрив цей процес можна призупинити.