ДАННЫЕ О ДИНАМИКЕ ЭНЕРГЕТИКИ ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ

Весьма значительный интерес представляет изучение энергетики почвообразования с его сезонными фазами. Но здесь имеются большие трудности в связи с новизной постановки задачи, так же как и вследствие отсутствия фактических данных наблюдений. Попытки в этом направлении пока весьма ограниченны из-за недостатка исследовательских материалов.
Для первых исследований в этом направлении используем материалы стационарного изучения динамики органического вещества по некоторым биогеоценозам Азербайджана.
Вначале остановимся на опыте энергетической характеристики сезонной динамики на примере степного биогеоценоза (темнокаштановые почвы Степного плато, Азербайджан).
На основе материалов стационарных наблюдений за два года (Алиев, 1966) найдены с известной приближенностью осреднен- ные значения соответствующих показателей за полный годичный цикл (рис. 30). Исходным материалом для всего последующего анализа послужила кривая динамики растительной массы (суммарно — подземной и корневой). Кривая 1 (см. рис. 30) отражает сложное соотношение во времени двух противоположных процессов: накопления растительной массы и ее разложения. Оба эти процесса происходят одновременно значительную часть времени года. Между тем методов для их раздельной оценки не имеется. Кривая 1 (см. рис. 30) в отношении темпов накопления и разложения растительной массы достоверно говорит лишь о том, что с весны и до августа темп накопления растительной массы превышает ее разложение, в остальное же время года соотношение обратное. Однако нам представляется, что, прибегнув к методу дифференцированного анализа кривой динамики растительной массы, можно дать количественную оценку каждого из этих процессов в отдельности.
Сущность этого метода заключается в том, что по динамике растительной массы (см. рис. 30) за периоды преобладания накопления растительных веществ над их разложением (т. е. по восходящим отрезкам кривой 1) определяется ежемесячное приращение растительного вещества, а за периоды количественного преобладания разложенных растительных остатков (т. е. по нисходящим отрезкам кривой 1) — их ежемесячная убыль. Снятые данные, выставленные на отдельные графики, хорошо выявляют общий закономерный ход каждого из процессов, т. е. как накопления, так и разложения растительных веществ. Этот закономерный вид данных позволяет путем экстраполяции продолжить кривые и для периодов, на которые нет прямых данных (кривые 2 и 4), и таким путем раздельно выявить наиболее вероятный порядок изменения накопления и разложения растительных веществ.

Рис. 30. Динамика накоплении и разложения растительной массы (надземной и корневой, ц/га) (темно-каштановая почва, Степное плато, Азербайджанская ССР, 1955—1957 гг.)


1 — изменение количества растительной массы (надземной и корневой); 2 — изменение величины прироста растительной массы согласно кривой 1 (пунктиром показано вероят_ ное накопление); з — общий вероятный прирост растительной массы с учетом данных ходе разложения растительной массы; 4 — динамика разложения растительной массы согласно кривой I; 5 — общий вероятный ход разложения растительной массы с учетом общего хода ее накопления; 6 — интегральная кривая накопления растительной массы
Рис. 31. Гидротермический режим темно-каштановой почвы (1955—1957 гг.) — динамика запасов влаги в почве (в слое 0—100 еле); г — температура почвы (средняя в слое 0—100 слг); з — режим атмосферных осадков; 4 — суммарный расход влаги на испарение и транспирацию; 5 — динамика содержания влаги в вочве (иссушение и пополнение за счет атмосферных осадков)
В частности, пользуясь кривыми 2 и можно приближенно определить как накопление веществ за период количественного преобладания процессов их разложения, так и размеры разложения за период количественного преобладания процессов накопления растительных веществ.

Из сопоставления кривых 2 ж 4 (см. рис. 30) выясняется возможность получить величину общего прироста растительной массы, более близкую к действительной. Этого мы можем достичь путем увеличения значений прироста, устанавливаемого по кривой 2, на количество растительного вещества, равного тому, которое разложилось в период с января по август, т. е. в период, когда накопление растительного вещества превышало его разложение (пунктирная часть кривой 2). Аналогичным путем можем уточнить общую величину разложения растительного вещества, прибавив к данным разложения то количество прироста, которое выявляется кривой 2 за период с сентября по декабрь. С учетом этих дополнений получим кривые 3 и 5, которые, полагаем, более полно характеризуют действительные темпы разложения и накопления растительного вещества.
На основе кривых 3 и 5 устанавливаем, что действительный прирост растительного вещества за год в данных условиях был не 79 ц/га (М1)1 как это следовало из кривой 7, а 129 ц/га (Af0). Та же величина, очевидно, приходится и на разложение. В пересчете темпа прироста в граммах на 1 см2 получаем 0,129 г/см2-год.
Для перехода к количеству энергии, аккумулированной в этом приросте растительного вещества, воспользовались приближенным расчетом по энергетике фотосинтеза, как это уже было сделано. Согласно этому расчету примем, что в 0,128 г растительного вещества аккумулировано 484 кал энергии солнечного луча. Расчеты энергетических затрат данного биогеоценоза производились по рис. 30, а также аналогично табл. 15 по полынно-эфемеровому сообществу. Исходя из этих данных и темпов прироста растительной массы, можем охарактеризовать и динамику накопления и расхода энергии во времени. Так, наибольшую аккумуляцию энергии имеем в июне (109 кал/см2 • год). Довольно высока энергетическая аккумуляция в мае и августе (83—97 кал/см2-год). Зимой энергия не аккумулируется или она мала (0—15 кал/см2- *год). Освобождение энергии в процессе разложения органической массы начиная с февраля постепенно нарастает и становится наибольшим в октябре-ноябре (98 кал/см2-год).
Перейдем далее к расчету энергетических затрат на суммарное испарение. Для этой цели нам полезны прежде всего данные о динамике влагосодержания в почве (рис. 31). На основании этой кривой можем представить динамику расхода и накопления влаги в виде новой кривой (см. рис. 31).
Но динамика запасов влаги в почве еще не дает полного представления о величине суммарного испарения, так как при этом не выявляется влага атмосферных осадков, непосредственно испарившаяся с поверхности почвы. Чтобы определить величину этого испарения, надо учесть ход выпадения атмосферных осадков на протяжении года.
Надо также учесть, что не вся влага атмосферных осадков испаряется, а некоторая ее часть уходит в форме поверхностного стока. После соответствующих поправок определяем сумму влаги атмосферных осадков, участвующей в процессе транспирации и испарения, которая равна 425 мм. Распределение ее на протяжении года видно на рис. 31.
Исходя из затрат энергии на скрытую теплоту парообразования в 580 кал/см3, определяем общий расход энергии на испарение за год, равный 24 800 кал/см2. При этом наибольший расход энергии на суммарное испарение имеем в апреле-мае (4600— 5200 кал/см2), зимой же всего 300—500 кал/см2.
По этим данным можем сопоставить количество энергии, участвующей в биохимических процессах фотосинтеза и процессах испарения и транспирации.
Так, просуммировав затраты энергии на фотосинтез (484 кал) и на транспирацию и испарение с поверхности почвы (24 800 кал), находим общую величину основных затрат энергии в биогеоценозе, связанных с процессом почвообразования, равную 25 310 кал/см2 • год. На основе этого устанавливаем, что затраты энергии на фотосинтез составляют 1,8% от общей суммы затраты энергии на почвообразование.
Интересно сопоставить найденные значения энергетики с обобщенными энергетическими характеристиками, приведенными на рис. 10—13. По рисункам видно, что для климатических условий пункта стационарных наблюдений (годовая сумма осадков 490 лш и средняя годовая температура 12,5°)
Суммарный расход энергии на почвообразо- 25 000 кал/см2 • год вание
Расход энергии на биологические процессы 390 кал/см2 • год в почве
Относительная доля расхода энергии на              1,6%
биологические процессы в % от общей суммы затрат энергии на почвообразование
Как видим, между обобщенными данными и результатами исследований по конкретному стационарному пункту имеется хорошее соответствие.
Известный интерес представляет также изменение соотношения расхода энергии на биологические процессы и общей суммы затрат энергии на почвообразование на протяжении года. Конечно, в связи с допущениями, принятыми при всех проделанных расчетах, данные по месяцам могут оказаться в ряде случаев неточными. Поэтому к их истолкованию надо подходить с большей осторожностью, чем к среднегодовым величинам. Тем не менее некоторые выводы намечаются достаточно отчетливо. Так, расход энергии с наибольшей эффективностью в отношении накопления растительного вещества осуществляется в июне — сентябре. При этом весьма интересно то, что даже при наивысшей продуктивности энергетических затрат на фотосинтез они достигают лишь 4,6% от всей суммы энергии, участвующей в почвообразовании.
Другим опытом получения энергетических характеристик явилась обработка данных стационарных наблюдений по полупустынному полынно-злаковому сообществу с лугово-сероземными солонцеватыми почвами в Восточной Ширвани Азербайджана. При этом динамика накопления и разложения растительного вещества охарактеризована по данным С. Ю. Алиева (1965, 1967), собранным в период 1959—1960 гг. по 15 срокам наблюдений.

По динамике влажности почв использованы данные М. Р. Абдуе- ва (1968) для близко расположенной площадки.
Обработка данных произведена с применением той же методики, что и по темно-каштановой почве, и в итоге выяснено (см. табл. 15), что суммарная величина энергии, затраченной на испарение + транспирацию и энергию, аккумулированную в растительном веществе, равна 18 230 кал/см2-год. Относительная доля энергии, аккумулированной в растительном веществе и в дальнейшем участвующей в реакциях превращения почвенных веществ, оказалась равной 2,3%.
Данные по энергии разложения растительного вещества указывают, что наиболее активно идет поступление новообразованны х веществ в изучаемую почву в июле — августе. Но так как этот период характеризуется высокими температурами и низкой влажностью, то должен быть сделан вывод, что фаза наиболее энергичных превращений веществ носит характер быстрой минерализации накопившегося растительного вещества. При этом надо особо отметить, что мы рассмотрели общий ход разложения надземной растительной массы. Понятно, раздельное рассмотрение хода разложения надземной и подземной растительной массы дополнительно дало бы ценные сведения о ходе реакций почвообразования. Это, несомненно, надо будет сделать в дальнейшем, когда мы будем располагать более полными материалами о динамике растительной массы.
Весьма интересно произвести также и общую оценку энергетических элементов процесса в биогеоценозе, связанных с почвообразованием. Сопоставив изменение величины энергии, расходуемой в биогеоценозе на построение растительного вещества и испарение, с величиной радиационного баланса, мы устанавливаем, что далеко не все наличные энергетические ресурсы используются в этих процессах (рис. 32). В сумме за год используется лишь 0,39 всей наличной радиационной энергии. Если мы обозначим общий расход энергии в биогеоценозе на процессы, связанные с почвообразованием, через Q и через R — радиационный баланс, то можем написать Q = 0,39 R.
Из детального разбора энергетических соотношений получаем весьма важные дополнительные данные. Так, по рис. 32 видно, что в период с мая по июнь биогеоценоз весьма энергично использует радиационную энергию. Вместе с этим в январе и феврале и в период с июля по сентябрь радиационная энергия используется в очень малой степени. Продуктивность же фотосин
теза эффективна более длительное время — с марта по октябрь.
Обращает на себя внимание то явление, что в период с ноября по декабрь расход энергии оказывается больше радиационного баланса. Учитывая приближенный характер расчетов в данном исследовании, было бы преждевременным делать окончательные выводы в отношении отмеченного энергетического соотношения. Но все-таки представляется возможным высказать допущение, что в период с сентября по декабрь биогеоценоз в данных природных условиях продолжает жизнедеятельность и за счет тепла, накопившегося в глубоких слоях почвы.
Рис. 32. Полнота использования радиационной энергии полупустынным биогеоценозом в условиях Ширванской степи, Азербайджанская ССР
1 — радиационный баланс земной п оверхности; 2 — энергия, используемая биогеоценозом
Наконец, укажем также и на то, что выполненное исследование позволяет произвести уже и некоторые сопоставления разных сообществ, показывающие их зональное своеобразие. Так, из сопоставления полученных данных о лугово-сероземной солонцеватой почве с полынно-эфемеровым сообществом с данными о темнокаштановой почве под степным сообществом хорошо обнаруживается, что накопление растительных веществ в случае степною сообщества идет более длительное время — до августа, тогда как фаза активного разложения органических веществ переходит па гораздо более поздний срок. Из последнего ясно, что процессы преобразования органических веществ в этих случаях должны иметь определенные различия.
Весьма показательны также и данные об относительной величине накопления энергии в растительном веществе. Относительная величина энергии, накопленной в растительном веществе, по сравнению с общим расходом энергии, т. е. с включением и затрат ее на испарение и транспирацию, гораздо больше в случае полынноэфемерового сообщества, чем степного (2,3% против 1,94%). Это различие станет вполне понятным, если мы учтем субтропический характер климата в районе произрастания полынно-эфемерового сообщества. Более продуктивное использование энергии здесь, очевидно, обусловлено более длительным вегетационным периодом.
Подчеркну, что в данном случае имеется в виду не общее количество энергии, аккумулированной в продуцированном раститель

ном веществе, а именно его относительная величина при сопоставлении с радиационным балансом. Понятно также, что ценность найденных значений относительной эффективности использования радиационной энергии не в том, что они подтверждают более высокую активность растительных веществ, существующих в условиях субтропического климата. Ценность их следует видеть в том, что они дают объективную меру различий между отдельными сообществами и местообитаниями.
Методика, примененная при анализе некоторых элементов динамики биогеоценозов на примере степного и полупустынного сообществ, позволила приступить и к экспериментальной проверке, предложенной биогидротермической зависимости (14), а также и к экспериментальному определению полноты использования радиационной энергии в географической среде, т. е. коэффициента а (Герайзаде, 1966, 1969).
Для экспериментальной проверки формулы (15) были использованы данные гидролого-климатические и о динамике растительного вещества, полученные С. А. Алиевым (1966) для разных зон Азербайджана.
Таблица 16
Количество энергии, аккумулированной в растительном веществе, приведенное к площади в 1 еле2

Стационар	Энергия
	вычисленная по формуле (15)	найденная графоаналитически	определенная калориметрически
Кедабек	515	618
Геокчай	352	408	395
Агсу	305	480	395
Сагиян	312	347	—
Апшерон	328	300	341
Сальяны	329	326	395
Матраса	320	280	—
Али-Байрамлы	290	307	438

В табл. 16 приведены значения энергии, накопившейся в фитоценозе, вычисленные по формуле (15) с использованием гидролого-климатических данных, найденных графоаналитическим методом и определенных калориметрически.
Анализ данных табл. 16 показывает достаточно хорошее совпадение значений накопленной энергии в растительном веществе, найденных описанными путями. Лишь в одном случае (Агсу) расхождение значительно. Формула (15) определяет количество эпергии, аккумулированной в растительных сообществах, безуче- та составляющих их видов, поэтому в табл. 16 взяты средние значения калориметрических определений для данного сообщества.
По формуле (15) можно вычислить значение т и затем по формуле (14) найти значение величины а, характеризующей степень использования радиационного баланса.
В табл.17 приведены значения а, вычисленные по формуле (14) и найденные из экспериментальных данных. Между ними очевидно тесное соответствие.
Из этого следует, что определить суммарные затраты энергии в биогеоценозе (ф) по зависимости (14) вполне возможно опытным путем по данным стационарных наблюдений.
Таблица 17
Степень использования солнечной радиации R

	Значения а			Значения а
Стационар	вычисленные на основе климатических данных по формуле (14)	найденные по стационарным и калориметрическим данным	Стационар	вычисленные на основе климатических данных по формуле (14)	найденные по стационарным и калориметрическим данным
Кедабек	0,68	0,64	Апшерон	0,14	0,32
Геокчай	0,46	0,57	Сальяны	0,14	0,27
Агсу	0,37	0,55	Матраса	0,46	0,61
Сагиян	0,46	0,63	Али-Байрам- лы	0,25	0,38

Таким образом, определение Q может быть осуществлено тремя путями: 1) по климатическим данным (зависимость (14)); 2) по данным о годичном приросте растительного вещества (зависимость (17) или по рис. 18); 3) по данным стационарных наблюдений.
Все это не может не быть воспринято как свидетельство полной реальности зависимости (14) и весьма содержательного ее характера. 

Еще по теме ДАННЫЕ О ДИНАМИКЕ ЭНЕРГЕТИКИ ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ:

1. Волобуев В. Р.. Введение в энергетику почвообразования., 1974
2. Энергетика клетки
3. 7** Об энергетике биопоэза
4. Данные квантовой механики
5. КРАТКИЕ ДАННЫЕ ПО ФИЗИОЛОГИИ ОРГАНА ЗРЕНИЯ
6. НОВЫЕ ДАННЫЕ О МЕХАНИЗМЕ ФИКСАЦИИ АТМОСФЕРНОГО АЗОТА В КЛУБЕНЬКАХ БОБОВЫХ РАСТЕНИЙ [31]
7. Скорость почвообразования при вмешательстве человека
8. Специфика факторов почвообразования на газоносных территориях
9. Глава XII АРЕАЛЫ АККУМУЛЯЦИИ ПРОДУКТОВВЫВЕТРИВАНИЯ И ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ
10. БИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫВ ПОЧВООБРАЗОВАНИИ
11. БИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ПОЧВООБРАЗОВАНИИ