WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 12 | 13 || 15 | 16 |   ...   | 45 |

2.4 Энергообмен в лесных экосистемах Причерноморья Связь массообмена и энергообмена в лесных экосистемах Уравнения водного, радиационного и теплового балансов в экологических системах отражают общий закон сохранения материи (первое – закон сохранения вещества, второе – закон сохранения энергии) и являются количественной основой гидрометеорологических процессов, происходящих на водосборных бассейнах. Общепризнанным является мнение, что уравнение водного баланса экосистемы должно решаться совместно с уравнением теплового баланса через уравнение связи элементов водного и теплового балансов.

Ведущий компонент теплового баланса – это радиационный баланс, который определяет величину и годовой ход испарения и конденсации. Уравнение радиационного баланса имеет вид: B = S’ + D + Ea – Eз - R, (7) где: S’ - прямая солнечная радиация, приходящая на горизонтальную поверхность; D - рассеянная радиация; Ea - длинноволновое излучение, а Eз - собственное излучение земной атмосферы; R - отраженная коротковолновая радиация.

Обычно уравнение (7) приводят в виде: B = Q (1 – A) – Eэф, (8) где: Q – суммарная радиация (Q = S’ + D); Eэф – эффективное излучение (Eэф= Eз – Ea); A – альбедо подстилающей поверхности, равное A = R/ Q.

Чтобы получить уравнение теплового баланса подстилающей поверхности, следует просуммировать все потоки энергии теплоты между элементами подстилающей поверхности и окружающим пространством: B = LE + P + C (9) Здесь: B- радиационный баланс; LE – затраты тепла на испарение или выделение тепла при конденсации (L – скрытая теплота парообразования); P – турбулентный теплообмен подстилающей поверхности с атмосферой; C – теплообмен в почве.

В уравнении (9) не учитываются такие второстепенные члены, как теплообмен (положительный или отрицательный), обусловленный приносимыми в почву осадами, как тепло, затрачиваемое на фотосинтез органического вещества и некоторые другие. Указанные составляющие значительно меньше влияют на тепловой баланс, чем основные члены баланса, поэтому ими можно пренебречь без ущерба для общей точности уравнения.

Водные ресурсы земной поверхности связаны уравнением водного баланса (в редакции М.А. Великанова, 1940).: Х = Е + У +W (10) Здесь: Х -осадки в виде дождя, снега, инея или росы; Е –суммарное испарение; У – сток.

Уравнение одного баланса в общем виде впервые было сформулировано А.И. Воейковым в 1884 г., затем Пенком в 1896 г. и в 1904 на примере Верхнего Днепра рассмотрено Е.В. Оппоковым. Для любого участка поверхности (как имеющего периферийный водообмен, так и не имеющего его) и любого отрезка времени Д.Л. Соколовский (1968) приводит следующее уравнение водного баланса:

Х = Упов + Упод +Еп +Ет + Ек + + W ± u, (11) где: Упов – поверхностный, а Упод – подземный сток; Еп – испарение с почвы Ет – транспирация; Ек – конденсация; W – периферийный водообмен; u – аккумуляция воды в бассейне.

Для временных и промежуточных водотоков, которые не полностью дренируют подземные воды, уравнение баланса принимает вид:

Х=Упов + к1Упод + к2Упод +Е ± u, (12) где: к1- часть подземного стока, дренируемая данным водотоком; к2 - часть подземного стока, дренируемая водотоком высшего порядка с более глубоко врезанным руслом.

Исходя из того, что испарение входит в качестве важнейшего компонента как в уравнение теплового, так и в уравнение водного баланса, М.И. Будыко (1956) установил связь между этими уравнениями в виде:

B E LX =1- e, (13) X где: e – основание натурального логарифма.

Особенности водного и теплового баланса леса Как указывает Ю.Л. Раунер (1965), суммарный расход влаги лесными насаждениями путем транспирации и физического испарения является центральным вопросом при оценке экологической эффективности лесного ландшафта. Высокая оптическая плотность в лесу обеспечивает максимальное использование почвенной влаги на транспирацию. В связи с этим для лесных насаждений особо важное значение приобретают уравнения водного баланса корнеобитаемой зоны почвы, которая при глубоком залегании уровня грунтовых вод практически совпадает со слоем фактического влагооборота.

Уравнение водного баланса корнеобитаемой зоны можно записать в следующем виде (Будаговский, 1965):

dW (14) hk = X -Y - E +Q, dt где hk – толщина корнеобитаемого слоя; W – его средняя влажность; Q – влагообмен с нижележащим горизонтами почвы и грунтовыми водами.

А.Р. Константинов (1954) отмечает, что перемещение влаги из нижележащих горизонтов в её корнеобитаемый слой при испарении в случае достаточно глубокого залегания грунтовых вод и низкого уровня капиллярной каймы, практически не наблюдается.

Вообще, многочисленные данные исследований передвижения влаги в почво-грунтах и водного режима почвы (Пушкарев, 1954, и др.) показывают, что слой активного влагообмена определяются слоем суточных колебаний температуры почвы, т.е. не превышает глубины 40-50 см. Следовательно, при изучении водного режима широколиственных лесов достаточно ограничиться метровым слоем почвы.

Тепловой баланс для леса имеет свои характерные особенности. Так, Ю.Л. Раунер (1962) представляет уравнение теплового баланса, связывающее тепловые потоки через верхнюю границу деятельного слоя леса, в следующем виде:

B = P + LEc + C, (15) где: B – радиационный баланс на верхней границе деятельного слоя; P – турбулентный теплообмен между лесом и атмосферой; LEc – затраты тепла на суммарное испарение леса; C – тепловой поток через верхнюю границу деятельного слоя. Уравнение (12) относится к условному уровню, т.е. к средней высоте верхней границы леса.

Турбулентный теплообмен между деятельной поверхности лесного массива и атмосферой состоит из двух слагающих:



P = Pд + Pп, (16) где: Pд – турбулентный теплообмен, возникающий между лесной кроной и атмосферой; Pп - турбулентный теплообмен между кроной и лесной подстилкой (теплообмен под пологом).

Затраты тепла на суммарное испарение лесным массивом определяются формулой:

LEc = L(Em + Hk + Eп) (17) Здесь: Em – транспирация древостоем, Hk – осадки, задержанные кронами; Eп – испарение под пологом леса, представляющее собой сумму транспирации травяного покрова, испарения с поверхности и испарения осадков, проникающих на поверхность лесной подстилки.

Теплообмен в деятельном слое леса можно представить в следующем виде:

С = Сд + Сп, (18) где: Сд – теплообмен, обусловленный аккумуляцией тепла в биомассе; Сп – теплообмен в лесной подстилке и в верхнем горизонте почвы под пологом.

Исходя из приведенных выражений, Ю.Л. Раунер получил уравнение теплового баланса под пологом леса:

Bп = Pп + LEп + Cп, (19) где: Bп – радиационный баланс вблизи поверхности почвы.

Уравнение теплового баланса полога древостоя будет выглядеть следующим образом:

Bк = Pд + L (Em + Hк) + Cд, (20) Здесь: Bк – радиационный баланс полога леса.

Как отмечает М.И. Будыко (1948), для решения уравнения теплового баланса необходимо определить величину испарения или турбулентного теплообмена деятельной поверхности с окружающим приземным воздухом. При этом, определив один из указанных членов теплового баланса, можно решить уравнение водного баланса, поскольку величина испарения входит в оба уравнения.

Основными параметрами в режиме солнечной радиации являются: проницаемость лесного полога для коротковолновой части радиации и суммарной радиации, альбедо подстилающей поверхности. Проницаемость лесного полога для солнечного света изучается с помощью люксметров в постоянных точках, расположенных по профилям на местности.

Очевидно, что проникновение света под полог леса будет определяться рядом условий, основными из которых являются состав и структура полога, сомкнутость насаждений, экспозиция и крутизна склона. При этом для различных состояний полога влияние каждого из перечисленных факторов сказывается в разной степени. Работы по изучению солнечной радиации в лесу следует проводить при безоблачной погоде или при сплошной слоистой облачности, поскольку переменная облачность влияет на точность сопоставления параллельных наблюдений под кронами и на открытом месте.

Энергообмен в естественных лесных экосистемах Материалы по влиянию лесной растительности на окружающую среду приведены по данным многолетних комплексных исследований на лесогидрологических стационарах «Аибга» (зона буковых лесов) и «Горский» (зона дубрав). Программа исследований включала как лесоводственные вопросы (рост, продуктивность, структура и развитие насаждений), так и изучение микроклимата (температуры и влажности воздуха), теплобалансовые исследования (радиационный и тепловой режим леса, тепловой режим почвы, градиентные наблюдения), а также воднобалансовые вопросы (испарение с почвы, транспирация, осадки, сток и режим влажности почв).

- Радиационный режим буковых насаждений Как отмечено выше, ведущим компонентом теплового баланса деятельной поверхности залесенных водосборов является радиационный баланс, который определяет величину и знак потоков тепла в воздух и почву, суточный и годовой ход испарения и конденсации. Радиационный баланс состоит из суммы прямой и рассеянной солнечной радиации и длинноволнового излучения атмосферы и разности собственного излучения земной поверхности и отраженной коротковолновой радиации.

Чтобы получить уравнение теплового баланса подстилающей поверхности, следует просуммировать все потоки тепловой энергии между элементом подстилающей поверхности и окружающим пространством:

B=L*E+P+C (21) Здесь: В - радиационный баланс; L*E - затраты тепла на испарение или выделение тепла при конденсации; Р - турбулентный теплообмен подстилающей поверхности с атмосферой; С - теплообмен в почве.

Тепловой баланс для леса имеет свои характерные особенности, состоящие в составлении уравнения для тепловых потоков через верхнюю границу деятельного слоя лесного полога и уравнения теплового баланса под пологом леса, на уровне поверхности почвы. Весь этот сложный процесс аккумуляции и перераспределения поступающей солнечной энергии определяет режим элементов микроклимата в лесу. При характеристике радиационного режима водосборов, занятых лесом, необходимо учитывать особенности деятельного слоя этих площадей. Поскольку насаждение целиком участвует в поглощении и излучении суммарной солнечной радиации, деятельный слой здесь простирается от поверхности почвы до верхней границы полога древостоя, а также включает корнеобитаемый слой почвы.

Изучение радиационного режима буковых насаждений производилось на стационаре (ЛГС) «Аибга». Как отмечено ранее, стационар находится на водоразделе рек Псоу и Мзымта, в 30 км от берега моря, в интервалах высот 485…1152 м над уровнем моря при юго-западной экспозиции склона. Насаждения стационара представлены почти чистыми девственными разновозрастными буковыми древостоями с единичным участием ильма, клена, липы, граба (табл.9,10). С высоты 850…900 м над уровнем моря примесь второстепенных пород достигает 20%. Сомкнутость полога насаждении высокая — 0,81…0,91, преобладающий тип леса — разнотравно-ежевиковый, бонитет I и Iа.

- Радиационный режим на верхней границе полога леса На стационаре «Аибга» за радиационным режимом были выполнены серии наблюдений, приуроченные к началу, середине и концу вегетационного периода и позволившие определить переводные коэффициенты для пересчета величин радиации, наблюденных на ближайшей метеостанции опорной сети Гидрометслужбы (позже - Роскомгидромета). Для измерений были использованы стандартные актинометрические приборы — альбедометр и пиранометр.





Ближайший пункт, где ведутся регулярные актинометрические наблюдения — агрометеостанция Сочи — находится в 48 км к западу от стационара. Другой пункт— метеостанция Красная Поляна, имеющая лишь данные по продолжительности солнечного сияния, удалена на 21 км к северо-востоку от стационара. Известно, что актинометрические данные по прямой, рассеянной и суммарной радиации могут быть распространены на ближайшие окрестности в радиусе 50 км, но в условиях равнинного рельефа, а данные по поглощенной, отраженной радиации и радиационному балансу могут существенно изменяться в зависимости от микроклиматических особенностей местности, даже в этих условиях.

Для рассматриваемой местности до высот 600 м над уровнем моря возможный годовой приход прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность при ясном небе составляет 140… 148 ккал/см2 [322…324].

С увеличением высоты местности до 1400 м приход прямой радиации увеличивается до 154 ккал/см2. Следовательно, возможный годовой приход прямой радиации для стационара «Аибга» составит в среднем 150 ккал/см2. Рассеянная радиация пpи безоблачном небе (по данным того же справочника) достигает 15—20% годовой суммы общей радиации.

Значительная облачность, характерная для рассматриваемого района, понижает интенсивность прямой, суммарной радиации и радиационного баланса и увеличивает рассеянную радиацию. При этом стационарные наблюдения характеризуют сложный режим облачности в горах, который определяет дневную и сезонную продолжительность солнечного сияния. Расчет притока прямой радиации на склон стационара произведен по формуле [324]:

Sскл= Sв • sin + S' • cos, (22) где Sскл — прямая солнечная радиация, поступающая на наклонную поверхность;

S' — прямая радиация, поступающая на горизонтальную поверхность;

—крутизна склона (для стационара в среднем =25°50');

Sв — прямая, радиация, поступающая на вертикальную поверхность и определяемая по выражению:

Sв = S• cos ho• cos (Ao – A) (23) Здесь: S — прямая солнечная радиация, поступающая на перпендикулярную к лучам поверхность; ho—высота солнца; Ao — азимут солнца; А — азимут нормали к вертикальной поверхности (экспозиция склона, равная для стационара 52°).

В свою очередь, азимут солнца рассчитывается по следующей формуле (Янишевский, 1957):

sin Ao = (cos : cos ho) • sin (24) где —широта местности; а —время наблюдений.

По формуле (23) были рассчитаны величины интенсивности прямой солнечной радиации на вертикальную стенку с учетом экспозиции склона в сроки наблюдений (6 ч. мин., 9 ч. 30 мин., 12 ч. 30 мин., 15 ч. 30 мин., 18 ч. 30 мин.,) за шестилетний период (1964—1969 гг.), а затем найдены месячные суммы за этот период.

По выражению (24) введены поправки на крутизну склона и получены месячные суммы прямой солнечной радиации на склон юго-западной экспозиции и крутизной 25°50', в условиях Сочи. Учтя разницу в числе часов солнечного сияния (K1=0,83) и увеличение высоты местности К2 =1,09), определим окончательные величины прямой радиации на территории ЛГС «Аибга» (рис. 1).

Рассеянная радиация на стационаре «Аибга» должна возрасти по сравнению с АМС Сочи из-за уменьшения числа часов с открытым солнечным диском. Поэтому месячные суммы рассеянной радиации получим по данным АМС Сочи, введя поправочный коэффициент Кз=1,20. Рассеянная и суммарная радиация приведены также на рис. 1.

Оценить величину интегрального альбедо участка, покрытого буковым насаждением, представляется возможным лишь по литературным данным. Известно, что альбедо лиственного леса в период вегетации имеет весьма слабовыраженный суточный ход с минимумом в дневные часы. По данным Ю. Л. Раунера и Н. И. Руднева (1962), среднесуточное значение альбедо при листве оказалось равным приблизительно 12%, а после опадения листвы — 9%. В Справочнике по климату СССР, вып. 14 (1968) приведены обобщенные данные по альбедо леса; в частности, для дубового густого леса летом альбедо равно 14%, при желтеющих кронах — 17%, а лиственный лес, покрытый свежевыпавшим снегом, дает 55%. Исходя из приведенных величин, приняты следующие средние значения альбедо (табл. 10).

Таблица 10 - Средние месячные значения альбедо под пологом леса на стационаре «Аибга» Месяцы I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Альбедо, 45 55 40 25 16 14 14 14 16 17 18 % Эффективное излучение подстилающей поверхности, или разность восходящего и нисходящего потоков длинноволновой радиации на уровне подстилающей поверхности, является наименее изученным элементом радиационного баланса. Доказана зависимость эффективного излучения от температуры и влажности, воздуха, а также от наличия и характера облачности. Для расчета величины эффективного излучения предложен ряд эмпирических формул.

25,22,21,20,17,20,15,12,15,10,10,14,13,7,7,8 7,813,6,10,5,6,4 6,4,8 6,9,9,4,3,5 4,3,7,3 2,1,6,2,5,5,3,3,2,2,0,I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Прямая Рассеянная D Суммарная Q = Sскл + D Рис. 1. Прямая, рассеянная и суммарная солнечная радиация в зоне букняков (по многолетним данным ЛГС «Аибга») Однако указанные эмпирические формулы не учитывают всех важных физических факторов и их изменений, от которых зависит величина эффективного излучения, и расчеты дают весьма приближенные значения.

Pages:     | 1 |   ...   | 12 | 13 || 15 | 16 |   ...   | 45 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.