I. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О БИОГЕОЭНЕРГЕТИКЕ

В материалистическом понимании природных процессов важное место занимает обобщающая концепция об обмене веществом и энергией как существенной стороне этих явлений.
Вполне закономерно, что изучению процессов обмена веществ в природе посвящено большое число работ, разносторонне характеризующих многообразные формы этого обмена в природных процессах. Разъяснение же природных процессов с их энергетической стороны выполнено в гораздо меньшей мере. Однако явления обмена энергией привлекают все большее внимание. Во многих науках используются энергетические критерии. И это понятно, ведь потоки энергии управляют процессами превращения веществ; без знания энергетики природных явлений представления о них будут, несомненно, ограниченными, неполными.
В физиологии растений исследованиями Ж. Буссенго, К. А. Тимирязева и других показана роль живого растения как преобразователя и аккумулятора энергии солнечного луча. Развивается биоэнергетика — наука, изучающая особенности обмена энергии в живых организмах. В исследованиях В. О. Таусона (1950),
А. Ф. Клешнина (1954), А. Сент-Дьердьи (1960), А. А. Ничипоро- вича (1961, 1963), Д. Гейтса (Gates, 1962, 1965), М. Клейбера (Kleiber, 1968) и других рассматриваются многие вопросы биоэнергетики.
В трудах В. И. Вернадского (1926а, 1934) и А. Е. Ферсмана (1937) положено основание энергетическому истолкованию геохимических процессов. К этой же области относятся и идеи В. И. Лебедева и Н. В. Белова (Белов, Лебедев, 1957; Лебедев, 1957).
Место и значение явлений обмена энергии в географической среде показано в трудах А. А. Григорьева (1952, 1956), М. И. Бу- дыко (1956, 1971), В. Н. Сукачева, С. В. Зонна (1961) и др.
Важность исследований природных процессов па энергетической основе можно видеть также и в том, что на этом пути мы получаем возможность представить явление в наиболее обобщенном виде. Уместно будет привести здесь слова А. Е. Ферсмана, что «энергетический подход к анализу динамически развивающихся процессов природы является конечной целью наших исканий... Мы должны перейти на единое мерило определения хода процесса, причем та-

новым может быть или калория или киловатт» (Избранные труды* 1958, т. IV, стр. 15).
Но наряду с этим в энергетическом истолковании процессов* присущих живым объектам природы, есть и важный практический аспект, приобретающий в наши дни особую актуальность.
Население мира, как известно, очень быстро увеличивается. К 2000 г., согласно расчетам, оно достигнет 6—7 млрд, человек.
Задача увеличения продуктивности сельского хозяйства до настоящего времени решалась за счет улучшения агротехники, селекции, мелиорации, применения удобрений, освоения новых земель. В этом направлении достигнуты большие результаты, однако они должны быть признаны недостаточными, особенно если их оценивать с учетом темпов прироста численности человечества.
Во всем мире идут поиски путей дальнейшей интенсификации сельского хозяйства. Эти поиски ведутся в разных направлениях* однако главным образом традиционными путями, по своей сути являющимися решениями частных задач в проблеме усиления биосинтеза на земной поверхности.
Очевидно, должно быть сформулировано генеральное требование, которое определило бы место и возможную роль отдельных приемов в разрешении общей проблемы — усилении синтеза биомассы на земной поверхности.
Кардинальная постановка этой задачи — обеспечение наиболее полного и эффективного использования приходящих к земной поверхности радиационных ресурсов природными и культурными биогеоценозами в процессах синтеза полезной биомассы.
В самом деле, поток солнечной энергии, приходящий к поверхности Земли, используется в экономике природы с весьма низкой эффективностью. При помощи растений в продуктах фотосинтеза аккумулируется в среднем лишь около 1 % от всей поступающей на земную поверхность энергии солнечного луча.
Но вместе с этим в природе есть примеры сравнительно высокой продуктивности расходования лучистой энергии на синтез биомассы. Например, сообщества растений влажнотропических лесов реализуют на построение растительной массы до 2—4% энергии солнечного луча, причем этот высокоинтенсивный синтез биомассы осуществляется с большой устойчивостью из года в год на протяжении веков.
Пример влажнотропических лесов не исключение. Достаточно указать хотя бы на степи с их черноземами, где и после распашки сохраняется высокая продуктивность растительных сообществ, причем уже сообществ культурных растений.
К этому добавим, что в посевах использование солнечной энергии может быть значительно выше. Имеющиеся экспериментальные данные указывают, что растения в период наиболее мощного развития в полевой обстановке могут использовать для создания органического вещества до 8—12% поглощаемой энергии (Доя- ренко, 1955; Ничипорович, 1963).
Факторы плодородия почв — большая п сложная проблема, требующая спецпального рассмотрения. Но в нашем аспекте заслуживает особого внимания следующее.
Некоторые новые данные указывают, что черноземы резко выделяются среди других почв количеством энергии, аккумулированной в гумусе, богатство которым и определяет высокое и устойчивое их плодородие. Для влажнотропических же сообществ характерна аккумуляция энергии по преимуществу в растительном веществе. Красноземы из-под только что сведенных влажнотропических лесов также высокопроизводительны, но их плодородие быстро иссякает вслед за исчезновением остатков ранее накопленных продуктов биосинтеза.
Таким образом, высокая производительность почв связана с энергетически обогащенными компонентами — продуктами преобразования веществ фотосинтеза — с гумусом и другими веществами органического происхождения.

Все это свидетельствует о большой и актуальной значимости постановки исследований энергетики биогеоценозов как саморегулирующихся систем. Исследования этого направления можно определить как биогеоэнергетику — особый раздел биологии, лежащий на стыке экологии, геофизики, биофизики, биохимии. ....
Эти исследования должны быть широко разветвленными, охватывающими все элементы биогеоценозов: приземный слой атмосферы, растения, почвы, грунты, микроорганизмы, животный мир. Разработка проблем биогеоэнергетики должна раскрыть все пути и формы превращения энергии в биогеоценозе, выяснить роль каждого звена этих превращений — их основные и побочные составляющие — и тем самым выявить те звенья, воздействие на которые позволит обеспечить наиболее производительное использование энергии солнечного луча почвенно-растительными системами.
Само собой разумеется, что в основе всех исследований должны лежать термодинамические представления. Но особенность здесь заключается в том, что участие в реакциях фотосинтезирующего аппарата обусловливает существование систем с уменьшающейся энтропией, по крайней мере на известных этапах превращения вещества и энергии.
Одним из важных направлений биогеоэнергетики должно быть изучение энергетического баланса наиболее распространенных биогеоценозов, с тем чтобы выяснить судьбу поступающей солнечной энергии, долю отражаемой ее части, как и долю, расходуемую в процессе испарения, транспирации, дыхания растений, физических и физико-химических явлений в почве. Необходимо при этом выяснить количество созидаемой растительной массы (надземной и корневой), а также биомассы животных компонентов, микроорганизмов, интенсивность ее кпуговорота, пути ее переходов, коэффициенты потерь.
Важнейшее агрономическое значение имеет изучение вопросов энергетики гумусообразования: процесса последовательного разложения растительных остатков в почве, количества и форм энергии* аккумулированной в гумусе.
Тесно к ним примыкают реакции минеральных преобразований в коре выветривания и в почве: процессы распада минералов коры выветривания, новообразование почвенных минералов, возникновение особых органо-минеральных комплексов.
Выдающееся значение приобретают изучение энергетики элементарных компонентов органо-минеральных систем почвы — комплексных молекул и органо-минеральных образований коллоидного порядка, а также выяснение механизма их взаимодействия с всасывающими звеньями корневой системы растений. Очевидно, именно в этом механизме реализуется энергетическое единство реакций между почвой и растением.
По некоторым из указанных вопросов уже давно ведутся соответствующие исследования. Представляют интерес в этом отношении работы М. И. Будыко, А. А. Ничипоровича, Ю. Л. Раунера, Г. Ф. Хильми, Е. Одума, П. Дювиньо, Д. Овингтона (Ovington а. Heitkamp, 1960) и др. Непосредственное значение для разработки вопросов биогеоэнергетики имеют исследования, проводимые в нашей стране в соответствии с Международной биологической программой (В. А. Ковда, Л. Е. Родин, Н. И. Базилевич, М. С. Гиляров и др.). В этом же направлении работает и группа исследователей в Азербайджане (В. Р. Волобуев, С. А. Алиев, И. Ш. Искендеров* Г. А. Буяновский, А. П. Герайзаде и др.).
Для выяснения вопросов биогеоэнергетики особое значение имеет изучение энергетики почвообразования. Ведь в почве выражены многие взаимодействующие процессы природной среды. Вспомним слова В. В. Докучаева, что почва и грунты есть «зеркало» совокупного и весьма тесного взаимодействия между «почвообразо- вателями» — атмосферой, литосферой, растительными и животными организмами. На эту же особенность почвы указывает и
В. Н. Сукачев, отмечая, что почва «является материальным выражением и ярким отражением основных свойств биогеоценоза. Отсюда вытекает особая биогеоценотическая роль почвы и исключительно важное значение изучения ее для познания самой сущности биогеоценоза» (Сукачев, 1947, стр. 389).
Им же замечательно сказано: «Если конечной целью биогеоце- нологии является вскрытие всех закономерностей процессов превращения вещества и энергии в биогеоценозах и между ними в целях управления этими процессами в интересах человека, то ясно, какое большое значение имеет для решения этого вопроса изучение почвы, особенно энергетической стороны процесса почвообразования» (Сукачев и Дылис, 1964, стр. 35).
Представление о почвообразовании как сложном процессе обмена веществ и энергии между литосферой, атмосферой и живым веществом высказано уже давно, и ныне это одно из основных положений генетического почвоведения. В частности, из этой идеи исходит и концепция о большом геологическом и малом биологическом круговоротах и о роли их в почвообразовании (Вильямс, 1938). Но именно в отношении почвообразования с большим основанием можно говорить об отсутствии необходимых количественных характеристик, относящихся к энергетике почвообразования.
Вопросы энергетики почвообразования до недавнего времени должным образом не развивались, несмотря на все очевидное значение данной проблемы. Несомненно, это положение во многом объяснялось сложностью самой проблемы и неясностью методических разработок; попытки решения этих вопросов не должны были исключаться.
Мы находимся лишь на первом этапе исследования энергетики почвообразования. В связи с этим же суждения в области энергетики почвообразования на современном этапе во многом могут быть приближенными и даже схематичными. Но и в такой постановке, как мы полагаем, они должны представить интерес.
В опубликованных статьях изложены результаты первых работ автора по вопросам энергетики почвообразования (Волобуев, 1956, 1958, 1959, 1963, 1968, 1970 и др.).

| >>

↑

Источник: Волобуев В. Р.. Введение в энергетику почвообразования.. 1974

Еще по теме I. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О БИОГЕОЭНЕРГЕТИКЕ:

- Болотоведение - Метеорология и климатология - Научно-популярная история - Океанология (океанография) - Почвоведение -

- Биология - Ветеринария - Взаимоотношения животных - Все животные - Геология - Зоопсихология - Коровы - Кошки - Лечение животных - Лошади - Насекомые - Науки о Земле - Опасные растения и животные - Растительный мир - Редкие животные - Сельское хозяйство - Собаки - Экология -