(一)景观的能量基础
景观中的一切过程都必须以能量为动力,景观的能量来源从宏观上看,除太阳能外,还有地球内能、潮汐能。太阳能是景观中一切过程的能量源泉,也是景观地带性分异的动因;地球内能使地表有了海洋和陆地、高山和低地等非地带性的景观差异;潮汐能则是地球、太阳和月球之间的引潮力,产生潮涨潮落的局部变化,是景观局地分异的动因之一。
(二)能量在景观中的转化
1.太阳能在景观中的转化
太阳辐射是景观中强度最大的直接能量,它是导致大气变化的最主要动力,也是加热大气的唯一热源。如大气纬向环流的产生使地表低、高纬度获得的太阳能不均,或净辐射不同,使大气获得的热量存在差异,产生高低纬大气气团温度差,于是出现了大气纬向运动。
地表有植被覆盖和无植被覆盖的景观对太阳能的转化途径是不同的。
2.太阳能在景观中的作用
(1)景观协调性的能量基础。太阳能在景观中的重要意义,首先表现在它通过地表、大气、水体、生物、土壤和岩石地形复合体之间的能量交换,把景观在垂直方向上联结成“千层饼”式的能量系统。景观中各组成部分之间相互制约的基础,就是太阳能在各组成部分之间的能吸交换。当然,不同组成部分能够组成统一整体,还必须有物质循环作为另一种基础一一物质基础。景观中物质循环的主要动力是太阳能。景观中全部的自然过程,如大气环流、地表环流、绿色植物生产过程、土壤形成过程及外地貌过程等,都与获得太阳能的多少有重要关系。如热带,地面获得的辐射净值高,用于增温的热量多,大气增温效果明显,气温高,终年长夏,植物全年都能正常地进行光合作用,物种丰富,生物量相对高,食物链也相对复杂。高温使景观中的热发、蒸腾作用加强,输入到大气中的水分增多,丰沛的降雨降至地表后对地表的侵蚀与雕琢作用也相对强,流水地貌发育;由于易溶元素的迁移强烈,景观中易溶元素的积累相对变少,导致不易迁移的元素在景观中相对富积。为了适应高温的气候,植物的叶面面积普遍宽大,以利于散热。为了对抗强对流的天气,植物的根系发达,多板状根、气生根。苔原带和极地展现的是另一种景观过程。由于获得的太阳辐射净位低,气温低,全年气候寒冷,冬季漫长,白昼短,蒸发量小,相对湿度大,致使高等植物无法存活,只有苔藓、地衣等低等植物可以生存,植物的根只能在地表大约30 cm的深度内自由伸展,30 cm以下则是坚如磐石的永久性冻土层。苔原植被在长期演化过程中形成了能够适应极地特殊环境的生活特征:植物矮小、紧贴地面匍匐生长的常绿植物在春季可以很快地进行光合作用,不必耗时形成新叶,还能抗风、保温、减少植物蒸腾。景观特征是物种极其贫乏,食物链十分简单。
太阳能也是水平方向上景观整体性的能量基础。同一纬度获得的太阳能可能相同,但下垫面不同,反射率不同,空气增温不同,必然产生水平方向上的能量差异。全球尺度的环流、海陆风、洋流都是这种水平方向上存在的能量梯度导致的热量从暖区向冷区的运动。陆地表面小尺度的空气运动也是如此。例如,夏季收获后,炎热的农田释放的热量,传到邻近的森林和居住区,使森林变干、邻近居住区变得酷热难当。
森林和周围空阔地斑块间夜间的温度变化,在无风的夜晚,热量会从前者向后者水平流动。这种空气流动已经被人们称为没有海洋的海洋风。温暖的森林气流水平流向寒冷的空阔地,而冷的开阔的空气在垂直方向上流向更冷的空间。夜晚发生的这种气流携带气体、浮尘,孢子、种子和其他粒子实现了水平方向和垂直方向上的运动。
白天空阔地上的温度比森林高,在无风的时候,空气的运动方向与夜晚相反。在日出前和日落后景观中的水平温度剖面是最均衡的。与白天和夜晚相比,在日出和日落时局地生态系统中太阳能量呈现出一个很陡的上升区和下降区。
局部能量梯度差使景观产生沿压力差方向的空气流,风穿越不同的景观,进而使能量在景观中均匀分布。
水平流在相邻生态系统间的流动不仅引起能量的变化,亦可引起土壤温度、空气温度或ET的变化。土壤温度升高可使永久冻结带融化,种子提早发芽和根部生长,这种效应在生长季早期或晚期表现更明显。水平流导致的空气温度升高可使积雪融化,促进或阻碍动物活动,提高生产力或使霜冻的危害降至最小,延长生长季,进而提高生态系统对太阳能的固定。
水平流引发的燕发力提高称之为“绿洲效应”。绿洲植物在垂直方向上加速了水汽的运动,原因是白天从周围沙漠吹来的热而干的风如同一架水分抽干机,加速了水分的蒸发。湿地中也存在绿洲效应,上风向灌丛区的水平流使湿地的ET加大,水分损失率可提高5%,绿洲效应在撒瓦纳草原和沙漠中尤其突出。
风驱动的水平流是区域景观间能量联系的主要动因。源景观是能量释放系统,如沙漠、草原等。汇景观是森林或湿地、泥炭等。当秋季气温转低时,湿地和湖泊就相当于能量源,当春天气温转暖时,它就变成热量汇,直接影响着下风向的土壤和蒸发。(www.xing528.com)
(2)太阳能决定景观的自然生产潜力。一地的太阳总辐射的多少,实际上决定着该地单位面积上每年最多能产生多少光合产物。如果其他环境条件均适宜于绿色植物的生产,即空气中的CO2供应充足,有良好的土壤肥力,适宜的气候条件(有适量的水分和适宜的温度),以及完善的田间管理,则绿色植物可以达到最高的生产力。如果选用的品种也是高光合效率的,那么这些条件下的绿色植物的最大生产力,就只与太阳总辐射的多少有关。
纬度高的地区,存在日平均气温低于10℃的季节,绿色植物不能活跃生长,太阳总辐射不能被植物用来进行光合作用。此时的气温便成为关键的限制因素。若想将理想的生产力转化为现实的生产力,就必须将高于或等于10℃期间的太阳总辐射能尽可能地固定于绿色植物中,没有其他限制因子,仅由光热资源决定的绿色植物的生物量称为光—温自然生产潜力。
(3)太阳能产生不同的景观地带。苏联学者M.H.布德科根据A.A.格里高里耶夫的意见,认为辐射平衡与降水的比例关系,对于景观中的主要自然地理过程的发生和强度具有确定意义。
景观地带周期律在景观表层出现,主要由太阳能在地表分布决定。掌握这一规律,只要知道某地的辐射净值,就可以确定其属于哪一热量带;知道其辐射干燥指数,便可知其所在地的景观类型。
2.地球内能与地貌格局
地球内部的聚变反应主要发生在地幔对流层以下。起主导作用的是岩石中所含的铀、钍等放射性元素在衰变过程中产生的热能。测得的热通量与太阳能相比极其渺小。其绝对值不足地表吸收总能量的0.0002%。
地球内能产生的作用力主要表现为地壳运动、岩浆活动与地震。地球内能量占地表能量总收入的很小部分,却决定了地表形态的基本格局。构造运动造成地球表面的巨大起伏,因而成为地表宏观地貌特征的决定性因素。大陆与大洋两个不同的景观型就是构造运动的差异造成的。陆地上的大山系、大高原、大盆地和大平原以及海洋中的大洋中脊、洋盆、海沟、大陆架与大陆坡的形成,都具有构造运动的背景。仅以陆地而论,巨大的高原、盆地与平原多,与地块的整体升降运动有关。巨大的山脉与山系则与地壳褶皱带相联系。在中观尺度,呈上升运动的水平构造是形成桌状山、方山与丹霞地貌的前提;单斜构造是形成单面山、猪背山必不可少的基础,褶曲构造可形成背斜山与向斜谷、穹状山与坳陷盆地;断层构造可形成断层崖、断层三角面、断层谷、错断山脊、地垒山与地堑谷、断块山与断陷盆地等众多地貌类型;火山活动则可形成火山锥、火山口、熔岩高原等地貌。地壳升降运动可在短距离、小范围内形成巨大的地表高度差异,不同高度的地貌特征因而表现出垂直分异。当地壳处于活动期时,地貌营力以内力为主,地表高低起伏变化明显;当地壳处平静期时,地貌营力以外力为主,地表趋于准平原化。地壳处不同营力期,对景观的形成与发展有着决定性的影响。
地质时期的构造作用形成了地表的巨大起伏,在不同高度上其有不同的重力位能。当剥蚀作用发生时,重力位能转化为机械运动的动能,支配固体物质的移动。气团和水体(包括冰川)的运动则是凭借太阳辐射引起的大气上升提高其位能。在大气下沉、降水、径流过程和冰川移动时,位能转化为动能。重力在自然地理环境中的作用十分广泛,地形的改变、物质的搬运和堆积、气团的运动、水分循环、生物生长、乃至于地球物质的调整等,都离不开重力作用。可见,对于景观而言,重力(能)也是一个基础能量并发挥着相当重要的作用。
3.潮汐能
引潮力是月球(或太阳)对地球的万有引力和因地球绕地月(或地日)公共质心运动所产生的惯性离心力的合力。在引潮力的作用下,景观表面发生了潮汐变形。这种周期性的变形出现在海洋叫海洋潮汐,出现在陆地叫固体潮汐。
海洋潮汐对地球自转具有阻碍作用。这实质是潮汐的摩擦效应。由于潮汐波移动方向与地球自转方向相反,海水与海底之间便产生摩擦作用阻碍着地球的自转运动。另外,这种摩擦作用加上海水内部由于其黏滞性引起的摩擦,使得潮汐高峰并不正对月球的周期,而是滞后一定时间。月球对地球向月一面的潮汐隆起部分的引力就可以产生一个与地球自转方向相反的力矩,其结果也对地球自转有刹车作用。由于潮汐摩擦效应的存在,地球极其缓慢地降低自转速率,导致一天的时间增长。如13亿年前地球每年有500多天,一天17.5小时。距今二亿五千万年的二叠纪每年为390天,每天22.5小时。最近两千年,每百年一昼夜大约增加0.0016~0.0024秒,这个数值尽管极其微小,但它的累积效应不可忽视。
地球自转速度的变化导致了一系列过程的变化:当地球自转加快时,海水从两极涌向赤道,大陆面积扩大,使全球气候由温暖潮湿转向干燥寒冷,当自转减速时,海水从赤道向两极运动,则出现与上述相反的情况。地球自转速度变化引起海陆沧桑巨变,从而促使生物界从低级到高级的跃进。古生代以来,地球的自转速度有三个时期变化较大。第一次在早、晚古生代之间,运动后引起植物界一次重大进化,出现了鱼类和两栖类;第二次在古、中生代之间,中生代出现了巨大的爬行动物和裸子植物;第三次在中、新生代之间,新生代时,被子植物代替了裸子植物,哺乳动物开始繁衍并且出现了人类。每一次变化都恰巧对应一次剧烈的地壳运动、大规模的海陆变迁及景观的进化。若地球自转速度的变化一年超过5秒,地球上就会出现强烈地震、特大海啸和严重的天气异常现象。
海洋潮汐对生物的演化有促进作用。由于海洋具有周期性升降的潮汐运动,从而使海岸地区出现高潮时被浸没,低潮时露出的潮间带。这一潮间带,在生物的演化过程中,可成为海洋生物挣脱水域束缚的跳板。原始海生生物首先在作为过渡环境的潮间带受到历练,从而加快了海生生物向陆生生物的进化。如果没有海洋潮汐,没有因海洋潮汐出现的潮间带,海洋生物的登陆过程就可能要迟缓很多世纪。海洋潮汐具有巨大的能量。它是海岸及河口地貌发育的外营力之一。
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