Баланс энергии и микроклимат

Лист может «избавиться от забот» о полученной через радиационный баланс и адсорбированной самим листом энергии с помощью четырех способов: (1) термическое излучение; (2) фотохимическое связывание энергии (максимум 1 —2 % от общей PAR); (3) транспирация воды Тг; (4) отдача энергии через тепловую конвекцию К (отток ее через нагретый окружающий воздух).

Q = Тг + К; Тг = gAwv; К = hATq,

где g — способность к диффузной проводимости листового эпидермиса для газообразной воды (по сути, способность к проводимости устьич- ных отверстий); Aw — градиент молярных соотношений водяного пара и воздуха между внутренними тканями листа и окружающим воздухом (на уровне моря при давлении воздуха 0,1 МПа численно соответствует градиенту давления пара); v— теплота испарения воды (при 20 °С равна 2,45 кДж/г); h — способность поверхностных слоев листа отдавать теплоту в воздух (функция ширины листа и скорости ветра)’ ДТ — разница между температурами листа и воздуха; q — теплоемкость воздуха. Проводимости — обратные величины соответствующих сопротивлений (сопротивление диффузии водяного пара и сопротивление отдаче теплоты).

Посредством g и h растения с помощью своих листьев оказывают физиологическое и морфологическое воздействие на свой собственный климат, а также на климат окружающей среды, при этом они сами зависят от водоснабжения. Охлаждение может отнимать энергию только при более высокой влажности почвы («латентный» тепловой поток; температура самого листа остается близкой к температуре окружающего воздуха или ниже ее на 1 —2 К). При недостатке влаги и закрытых устьицах поток энергии идет в принудительном порядке к тепловой конвекции («ощутимый поток теплоты»), что может привести к их гибели от перегревания, если отсутствуют морфологические адаптации, облегчающие теплоотдачу Растениям более жарких и сухих местообитаний часто свойственны листья, перпендикулярно направленные к солнечным лучам, мелкие и хорошо отражающие свет.

В растительных сообществах для газового и теплового обмена добавляются еше и аэродинамические препятствия. Чем гуще и ниже сообщество, тем сильнее его независимость от атмосферных условий и поэтому тем больше оно удерживает теплоту и влагу. В наибольшей степени это проявляется у прижатых к земле горных растений (особенно подушек), в листовом ярусе которых при ярком солнце могут создаваться условия, близкие к влажным тропикам, что не имеет ничего общего с данными какой-либо метеостанции. При таких эффектах сомкнутости прямое влияние устьиц на транспирацию уменьшается. Структура сообщества сама становится определяющей воздействующей величиной.

В целом аналогичные связи имеют значение и для энергетического баланса всей экосистемы. Роль транспирации листьев и всего сообщества выполняет эвапотранс- пирация ЕТ (или, иначе, общее испарение V, включая эвапорацию почвы и ее увлажненных поверхностей; причем в сомкнутых сообществах, а также при увлажненной поверхности почвы вклад транспирации листьев составляет более 80%). При повышенном испарении экосистема остается сравнительно холодной, при пониженном нагревается. Эквивалент энергии, выраженный отношением K:V, называют отношением Боуэна, (3 (англ. Bowen ratio). Считается, что если р меньше 1, растительность не испытывает недостатка во влаге. В условиях сухости или при наличии почвенной корки р увеличивается в направлении бесконечности, т.е., когда вся вода используется, энергия должна почти целиком уходить на нагревание воздуха (небольшая ее часть временно аккумулируется в почве в виде теплоты; рис. 13.2). Значение р можно бесконтактно определить метеорологическими методами (измерение радиационного баланса и вертикальных климатических градиентов над растительным сообществом).

Поверхность почвы после дождя высыхает за несколько дней, причем испарение с самой почвы очень небольшое. После освоения глубоких слоев почвы корнями (см. табл. 13.3 в разделе 13.7.5.1) испаряющаяся вода попадает в атмосферу, что невозможно без участия растений. Растения связывают таким образом глубоко залегающие запасы воды с атмосферой и посредством устьиц сохраняют контроль надданным процессом (см. 13.5.2). Эти закономерности объясняют тот факт, почему скверы и парки в городах представляют собой прохладные островки и почему после сведения лесов температура повышается так, что может даже изменить климат на больших площадях (теплые восходящие потоки воздуха снижают количество осадков, рис. 13.3). Зеленый растительный покров влияет как на водный (см. 13.5), так и на энергетический баланс в ландшафте. Благодаря своей морфологии и регуляции транспирации растения влияют на собственный климат и на климат экосистемы

Р- 18.6

Рис. 13.2. Влияние транспирирующих растений на окружающую температуру.

В качестве примера представлено три ситуации, в которых из-за редуцирования зеленого покрова все большая часть лучистой солнечной энергии должна «отторгаться» в виде тепловой конвекции (К). При сомкнутом растительном покрове и влажной почве более половины энергии через теплопотребление затрачивается на испарение воды (V) в «холодном» состоянии, воздух остается прохладным, так называемое отношение Боуэна: [3 = K/V, lt; 1, и тепловым потоком от почвы можно пренебречь. С возрастанием уплотнения почвы вследствие преобладания нетранспирирующих поверхностей значение К увеличивается, [3 становится gt; 1, воздух и почва нагреваются сильнее. Рисунок наглядно показывает, почему воздух в городских зеленых насаждениях холоднее, чем в застроенных, «опечатанных» районах (численные значения даны в % от излучаемой энергии)

Рис.

Между левым и правым изображениями лежит примерно 400 летняя история. Первооткрыватели 16-го столетия описывали эти места как зеленые джунгли (А- близ Валенсии); в наше время в этой части Венесуэлы в результате сведения лесов, перевыпаса скота, деградации почв и повторяющихся пожаров господствуют колючие кустарники (В — близ Баркисимето). Прогрессирующая ликвидация транспира- ционного охлаждения (см. рис. 13.2) привела к региональному потеплению и семиаридному климату. Отношение Боуэна ((3), равное примерно 1, держит экосистему слева сравнительно прохладной (lt; 30 "С), а равное значительно больше 1, допускает повышение температуры в системе справа свыше 40 "С, что само по себе вызывает сильный восходящий поток тепла и приводит к снижению осадков

Пример действия транспирации растений, регулирующего климат, может дать изучение А.Х.Розенфельдом и Дж.Дж. Роммом городского климата Лос-Анджелеса. Под воздействием непрерывного роста городской агломерации и связанного с этим уплотнения почв температура воздуха в черте города повышается в среднем на 1 К все 15 лет. Если бы между домами было посажено больше тенистых деревьев (транспираци- онное охлаждение) и крыши были окрашены в более светлый цвет (отражение), можно было бы сэкономить в год 0.5 млрд долларов, расходуемых на охлаждение и очистку воздуха от смога. Во всех городах южной части США эффект составлял бы по приблизительным подсчетам 5 — 10 млрд долларов в год, даже не считая улучшения качества жизни в столь зеленом городе. Благодаря расходу энергии на транспирацию растения, не считая затенения, действуют еще и как охлаждающее климатическое устройство.