ЛЕСОВЕДЕНИЕ, 2004, № 5, с. 36-44
ОРИГИНАЛЬНЫЕ ^^^^^^^^^^^^ СТАТЬИ
УДК 630*111:582.475.4:551.511.62(470.1)
ОСОБЕННОСТИ ЭНЕРГО- И ВОДООБМЕНА В СОСНЯКАХ
ЕВРОПЕЙСКОГО СЕВЕРА*
© 2004 г. Э. П. Галенко
Институт биологии Коми НЦ УрО РАН 167982 Сыктывкар, ул. Коммунистическая, 28 Поступила в редакцию 25.11.2003 г.
Приведены данные радиационно-теплового режима, составляющих теплового и водного баланса сосновых фитоценозов Севера. Установлено, что по мере продвижения с севера на юг в пределах лесной зоны в сосняках альбедо уменьшается на 5-7%, пропускание солнечной радиации пологом древостоя в - 1.5-3.5 и осадков - в 2-2.5 раза; увеличивается на 10-15% величина поглощения потоков солнечной энергии, эвапотранспирация - в 2.5-4 раза. Для северных фитоценозов характерно возрастание роли турбулентного потока тепла и снижение доли испарения в тепловом балансе, что рассматривается как особенность внешнего тепловлагообмена.
Тайга, сосняк, солнечная радиация, осадки, испарение, транспирация, радиационный и тепловой баланс.
Мониторинг биологически контролируемых составляющих энергомассообмена (ЭМО) актуален в связи с проблемами рационального природопользования, биоразнообразия и устойчивости лесных экосистем к различного типа воздействиям.
Выделяют три группы основных составляющих формирования процессов ЭМО между растительным покровом (РП) и атмосферой [10]. Первая группа процессов описывает реакции растительности на изменение климата и включает в себя изучение видового состава и возрастной структуры растительности, фенологии, запаса надземной и подземной фитомассы, фитопатоло-гического состояния растительного покрова. Сюда же относят и почвенный блок: влажность, дыхание, температуру, минеральное питание.
Вторая группа процессов описывает ЭМО между подстилающей поверхностью и атмосферой. Ее основные составляющие: альбедо, радиационный баланс, поглощенная радиация, тепловой баланс, осадки, температура. Третья группа процессов включает в себя базовые экофизиологические процессы (транспирация, газообмен СО2).
В фитометеорологии как составные энергообмена традиционно рассматриваются лучистый энергообмен, теплообмен, обмен количеством движения. В массообмене исследуются водообмен, газообмен СО2, а также частично обмен некоторыми другими газовыми и пылевыми компонентами. Но даже это ограниченное число исследованных компонентов энерго- и массообмена
*Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (99-04-49263, 02-04-48162).
РП с атмосферой и внутри деятельного слоя РП не изучено достаточно полно, нет единой теории и модели тепло- и влагообмена РП с атмосферой и внутри РП [3, 7, 10, 15, 18, 19, 22, 27-29, 31].
Цель настоящей работы дать характеристики некоторых составляющих процессов ЭМО сосняков Европейского Севера и проанализировать их зональные особенности.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Рассматривается трансформация солнечной радиации в чернично-зеленомошных сосняках средней и северной тайги. Сосняки возраста 6090 лет, Ш-1У класса бонитета, полнотой 0.82-0.64, высотой 16-13 м. Проводится сравнительный анализ в зональном аспекте некоторых составляющих энерго-массообмена в системе "лесные фи-тоценозы-атмосфера". Из элементов энергообмена между фитоценозом и атмосферой рассматриваются процессы поступления, пропускания, отражения и поглощения суммарной солнечной радиации. Осадки, испарение и транспирация в лесных экосистемах анализируются как компоненты массообмена.
Использованы данные экспериментальных наблюдений 1967-1968 гг. в северной и 1982-1983 гг. -в средней подзоне тайги. Погодные условия во время наблюдений приведены в табл. 1. Летние сезоны 1967, 1982 и 1983 гг. характеризовались умеренно теплой погодой с количеством осадков, соответствующим многолетней норме. Лето 1968 г. было прохладным, с резкими перепадами температур при быстром окончании теплых периодов с
Таблица 1. Метеорологические характеристики летних сезонов
Метеорологические Месяц Многолетняя норма Год исследования
показатели северная тайга средняя тайга 1967 1968 1982 1983
Температура Июнь 11.2 13.7 11.2 10.7 9.8 12.4
воздуха, °С Июль 14.6 16.3 16.9 11.0 17.4 17.8
Август 12.2 13.7 15.5 12.0 11.2 12.8
Количество Июнь 56 70 35 58 101 72
осадков, мм Июль 66 71 58 34 81 102
Август 70 69 81 54 38 54
Сумма за У!-УШ 192 210 173 146 220 228
последующими затокоми арктического холода. Сумма осадков составила 76% от нормы, но количество дней с дождями было значительным, а дожди - чаще моросящие.
РП мы принимаем как единый деятельный слой, так как в формировании потоков тепла и радиации, определяющих теплообмен с атмосферой и окружающим пространством, участвуют все части РП и верхний горизонт почвы. Таким образом, единый деятельный слой РП включает в себя весь фитоценоз и активный горизонт почвы, ограниченный снизу уровнем постоянных суточных температур, т.е. той границей, до которой уже не доходят тепловые волны. В летние месяцы этот слой равен в северной тайге 20, в средней тайге - 30 см [13]. В основе исследования энерго-и массообмена внутри РП и РП с атмосферой лежит балансовый метод [25]. Основным элементом, поглощающим и трансформирующим лучистую энергию и осадки, является лист (хвоя). Стволовая часть деревьев, ветви, сучья играют меньшую роль.
В результате прямых измерений получены данные вертикального распределения нисходящих и восходящих потоков радиации, а также величины радиационного баланса внутри единого деятельного слоя [4, 9]. Установлена зависимость величины потоков радиации от высоты и относительной площади фитомассы (ю). Соотношения бю/б; гю/г; Кк/К характеризуют распределение по вертикали относительных величин нисходящего потока суммарной радиации (б), восходящего потока отраженной радиации (г), поглощенной коротковолновой и длинноволновой радиации (радиационного баланса) (К). Количество тепла, поглощенное единым деятельным слоем РП (К), расходуется в процессе энерго- и массообмена на испарение, турбулентный теплообмен деятельного слоя с атмосферой и на теплообмен в деятельном слое почвы.
Воднобалансовые измерения включали в себя измерение осадков под пологом древостоев и оп-
ределение влажности корнеобитаемой зоны почвы. Суммарное испарение всего деятельного слоя сосняка, турбулентный теплообмен и теплообмен в почве рассчитывались по формулам теплового баланса. Составляющие теплового баланса (Р -турбулентный теплообмен, ЬЕ - затраты тепла на суммарное испарение) вычислялись в дневные часы (7, 10, 13, 16) по формулам теплового баланса [5, 6, 20, 21]. В расчетах использовались данные градиентных наблюдений за температурой и влажностью воздуха, скоростью ветра и актино-метрические характеристики в зеленомошном сосняке на высотах 1, 2 м (под пологом леса), 6 (нижняя граница кронового пространства), 10, 14 (кроновое пространство), 17 (верхняя граница крон) и 23 м (надкроновое пространство). Теплообмен (В) в верхнем 20-сантиметровом слое почвы рассчитывался согласно методике, приведенной в работе [26]. По полученным данным строились кривые суточного хода всех составляющих теплового баланса. Суммы тепла (Р, ЬЕ, В) подсчитаны как суммы площадей многоугольников между осью абсцисс и кривой суточного хода. Транспирацию полога фитоценоза в малооблачные дни считали равной разности между суммарным испарением и испарением с поверхности почвы. Ее вычисляли на основе совместного анализа уравнений теплового баланса над кронами леса и под его пологом.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ Энергообмен фитоценоза с атмосферой
Поступление суммарной солнечной радиации и ее пропускание пологом насаждений. Суммарная (интегральная) радиация (б) является основной составляющей радиационного баланса (К). Ее приход определяется высотой Солнца, прозрачностью атмосферы, отражательной способностью подстилающей поверхности (альбедо) и облачностью.
А
20 15 10 5 0
£ * 20 лД 82 15
«
Им К
р я
^ а
ни рц
аа и
I 5
Сура
10 5 0
20 15 10 5 0
Над пологом Под пологом
Над пологом Под пологом
III декада Июнь Июль Август II декада мая сентября
В
Над пологом Под пологом
III декада Июнь мая
Июль Август
Средние суточные величины поступающей суммарной солнечной радиации в сосняке черничном (средняя подзона тайги) при различных условиях облачности: А - ясно, Б - переменно, В - пасмурно.
Поступление радиации к верхнему пологу растительных сообществ характеризуется существенными цикличными и ацикличными изменениями в течение суток и года. Суточное изменение потока суммарной радиации при безоблачном небе характеризуется одним максимумом в дневные дополуденнные часы. В это время интенсивность радиации несколько выше, чем в соответствующие по высоте Солнца вечерние часы, что связано с уменьшением прозрачности атмосферы во вторую половину дня. В условиях тайги, по нашим данным, в ясные дни июля до истинного солнечного полудня к верхней границе полога древостоя поступает 60-70% солнечной радиации от общей ее суммы за сутки. Количество солнечной радиации, поступающее в среднем за сутки в летние месяцы при различных условиях облачности в надкроновое пространство (высота 23-19 м) и под полог леса (высота 1 м), представлено на рисунке. Максимальные величины солнечной радиации в сумме за день над пологом леса в июне-июле равны: в ясную погоду - 17.5-20.5; при переменной облачности - 12.9-18.6; в пасмурную погоду - 8.5-12.0 МДж м-2. Существенное уменьшение поступления солнечной радиации в августе (на 30-40) и в сентябре (на 80-85%) обусловлено сезонным снижением высоты Солнца над горизонтом.
Пропускная способность полога леса обеспечивается ажурностью крон и просветами между ними. Сезонная динамика пропускания радиации
связана с оптической плотностью древесного яруса и условиями инсоляции. Изменение оптических свойств полога хвойных лесов зависит от динамики старения, опада и нарастания хвои текущего года и от наличия сопутствующих лиственных пород и их фенологии [1]. По мере распускания листьев, роста побегов и хвои количество радиации, проникающей под полог сосняка, в северной тайге уменьшается с 47 в июне до 39% в июле; увеличиваясь в августе вновь до 44%. В средней тайге в III де
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.