О.А. Барабанова, И.Н. Безкоровайная, Е.Б. Бухарова [и др.]
Экология: курс лекций
Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2010. – 325 с.
Глава 1. Структура и функции биосферы
Лекция 6. Круговороты веществ в экосистемах
6.1. Круговорот воды
Круговорот воды – один из главных компонентов абиотической циркуляции
веществ, включает переход воды из жидкого в газообразное и твердое состояние и
обратно (рис. 9). Он обладает всеми основными чертами других круговоротов –
также примерно сбалансирован в масштабе всего земного шара и приводится в
движение энергией. Круговорот воды – самый значительный по переносимым массам и
затратам энергии круговорот на Земле. Каждую секунду в него вовлекается 16,5
млн м3 воды и тратится на это более 40 млрд МВт солнечной энергии.
Рис. 9. Круговорот воды в природе
Основные
процессы, обеспечивающие круговорот воды, – инфильтрация, испарение, сток:
1. Инфильтрация – испарение – транспирация:
вода впитывается почвой, удерживается в качестве капиллярной воды, а затем
возвращается в атмосферу, испаряясь с поверхности земли, или же поглощается
растениями и выделяется в виде паров при транспирации;
2. Поверхностный и внутрипочвенный сток: вода
становится частью поверхностных вод. Движение грунтовых вод: вода попадает под
землю и движется сквозь нее, питая колодцы и родники, вновь попадает в систему
поверхностных вод.
Таким образом,
круговорот воды можно представить в виде двух энергетических путей: верхний
путь (испарение) приводится в движение солнечной энергией, нижний (выпадение
осадков) – отдает энергию озерам, рекам, заболоченным землям, другим экосистемам
и непосредственно человеку, например на ГЭС. Деятельность человека оказывает
огромное влияние на глобальный круговорот воды, что может изменять погоду
и климат. В результате покрытия земной поверхности непроницаемыми для воды
материалами, строительства оросительных систем, уплотнения пахотных земель,
уничтожения лесов и т. п. сток воды в океан увеличивается и пополнение фонда
грунтовых вод сокращается. Во многих сухих областях эти резервуары выкачиваются
человеком быстрее, чем заполняются. В России для водоснабжения и орошения
земель разведано 3 367 месторождений подземных вод. Эксплуатационные
запасы разведанных месторождений составляют 28,5 км3/год. Степень освоения
этих запасов составляет в РФ не более 33 %, а в эксплуатации находится 1 610
месторождений.
Особенность
круговорота в том, что из океана испаряется воды больше (примерно 3,8·1014
т), чем возвращается с осадками (примерно 3,4·1014 т). На суше,
наоборот, осадков выпадает больше (примерно 1,0·1014 т), чем
испаряется (суммарно около 0,6·1014 т). В связи с тем, что из океана
воды испаряется больше, чем возвращается, значительная часть осадков,
используемых экосистемами суши, в том числе и агроэкосистемами, производящими
пищу для человека, состоит из воды, испаряющейся из моря. Излишки воды с суши
стекают в озера и реки, а оттуда снова в океан. По существующим оценкам, в
пресных водоемах (озерах и реках) содержится 0,25·1014 т воды, а
годовой сток составляет 0,2·1014 тонн. Таким образом, время оборота
пресных вод составляет примерно один год. Разность между количеством осадков,
выпадающих на сушу за год (1,0·1014 т), и стоком (0,2·1014
т) составляет 0,8·1014 т, которые испаряются и поступают в подпочвенные
водоносные горизонты. Поверхностный сток частично пополняет резервуары
грунтовых вод и сам пополняется от них.
Атмосферные
осадки являются основным звеном влагооборота и во многом определяют
гидрологический режим экосистем суши. Их распределение по территории, особенно
в горах, неравномерно, что связано с особенностями атмосферных процессов и
подстилающей поверхности. Так, например, для лесотундровых редколесий
Путоранской лесорастительной провинции Средней Сибири годовая сумма осадков
составляет 617 мм, для северотаежных лесов Нижне-Тунгусского лесорастительного
округа – 548, а для южнотаежных лесов Приангарья она уменьшается до 465 мм (табл. 2).
Таблица 2
Эвапотранспирация лесных
экосистем Енисейского меридиана
Округ, провинция
|
Запас древостоев, м3/га*
|
Осадки, мм**
|
Испарение, мм***
|
перехваченных осадков
|
всего
|
Притундровые леса
|
Путоранская лесорастительная провинция
|
68
|
617
|
36
|
196
|
Северная тайга
|
Туруханский лесорастительный
округ
|
90
|
508
|
111
|
283
|
Южная тайга
|
Приангарский лесорастительный
округ
|
188
|
465
|
104
|
387
|
* – Ведрова и др. (из кн. Лесные
экосистемы Енисейского меридиана, 2002);
**, *** – Буренина и др.(там же).
Испарению
принадлежит одно из ведущих мест. С появлением жизни на Земле круговорот воды
стал относительно сложным, так как к физическому явлению превращения воды в пар
добавился процесс биологического испарения, связанный с жизнедеятельностью
растений и животных – транспирация. Наряду с осадками и стоком
эвапотранспирация, включающая испарение перехваченных осадков, транспирационный
расход влаги растениями и подпологовое испарение, является основной расходной
статьей водного баланса, особенно в лесных экосистемах. Например, в тропическом
влажном лесу количество воды, испаряемой растениями, достигает 7000 м3/км2
в год, тогда как в саванне на той же широте и высоте с той же площади оно
не превышает 3000 м3/км2 в год.
Растительность
в целом играет значительную роль в испарении воды, влияя тем самым на климат
регионов. Интенсивность эвапотранспирации зависит от радиационного баланса и
различной продуктивности растительности. Как видно из табл. 2, при увеличении
надземной фитомассы вследствие большего испарения перехваченных осадков и
транспирационного расхода влаги суммарное испарение возрастает.
Кроме того, высшая растительность выполняет очень
важную для наземных экосистем водоохранную и водорегулирующую функцию: смягчает
паводки, удерживая влагу в почвах и препятствуя их иссушению и эрозии.
Например, при вырубке леса в одних случаях увеличивается вероятность затопления
и заболачивания территории, в других – прекращающийся процесс транспирации
может привести к «осушению» климата. Обезлесение негативно влияет на подземные
воды, снижая способность местности задерживать осадки. В некоторых местах леса
помогают пополнять водоносные слои, хотя в большинстве случаев леса как раз
истощают их.
Таблица 3
Долевое соотношение пресных и
соленых вод на Земле
Типы вод
|
Процент от общих запасов
|
Поверхностные воды
|
Пресноводные озера
Соленые озера и внутренние моря
Текучие воды
|
0,007
0,008
0,0002
|
Подземные воды
|
Подземные воды
В том числе пресные
|
1,7
0,76
|
|
Ледники и постоянные снега
Атмосфера
Океаны
|
1,74
0,001
96,5
|
Общие запасы
воды на Земле оцениваются приблизительно от 1,5 до 2,5 млрд км3.
Соленая вода составляет около 97 % объема водной массы, на Мировой океан
приходится 96,5 % (табл. 3). Объем пресных вод, по разным оценкам, составляет
35–37 млн км3, или 2,5–2,7 % общих запасов воды на Земле. Большая
часть пресных вод (68–70 %) сосредоточена в ледниках и снежном покрове (по
Реймерсу, 1990).
|