РАЗМЕРЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЗАТРАТ В ПОЧВООБРАЗОВАНИИ

Прежде всего остановимся на процессах, расходующих энергию при почвообразовании, которые следует считать наиболее существенными по размерам,—испарении и транспирации. С этими процессами связаны важные явления в почве: ее водный режим, определяющий условия жизни растений, так же как и протекайпе химических реакций, миграцию веществ по почвенному профилю п др. Слишком мало данных имеется для того, чтобы охарактеризовать величину испарения и транспирации раздельно в более илп менее широких географических различиях, но вполне возможно принять при расчетах суммарное испарение, т. е. испарение с поверхности почвы растений и транспирацию.
Оценка величины суммарного испарения при широких климатических различиях достаточно надежно решается на основе выявленных гидрологических соотношений. Величина суммарного испарения вполне закономерно изменяется по полю гидротермического графика [II] в пределах от 50 мм/год и менее в тундре и пустынях и до значении свыше 1100 мм/год во влажнотропических условиях.
Изменение суммарного испарения в связи с t, R и Р (осадки) было легко выразить в затратах тепла на суммарное испарение (рис. 10). Как оказалось, в тундре и пустынях расход тепла на суммарное испарение составляет менее 3000—6000 кал/см2 • год. Одинаково низкие затраты тепла на суммарное испарение в тундре и жарких пустынях обусловлены, конечно, разными причинами. В тундре это связано с ограниченным приходом тепла, а в пустынях — с фактически малым приходом влаги осадков, величиной которых и определяется возможное испарение. Наибольших вели-

Рис. 10. Затраты энергии (цифры у линий) на суммарное испарение, к а г/см2‘ год

чин расход тепла на суммарное испарение достигает во влажнотропических условиях — свыше 60000 кал/см2»год.
Сложнее решается задача определения затрат энергии на биологические процессы непосредственно в почве, т. е. на аккумуляцию энергии в гумусе и промежуточные реакции преобразования органических и минеральных веществ. В этом случае также с самого начала приходится отказаться от попытки представить эти затраты аналитически по отдельным видам биологической деятельности в почве, поскольку в этой области есть только разрозненные данные. В области растительной биоэнергетики освещены лишь немногие ее элементы (Таусон, 1950; Клешнин, 1954; Будыко, 1956; Хильми, 1957; Ничипорович, 1961, 1963; и др.).
Каких-либо прямых определений суммарных затрат энергии на биологические процессы в почве также не имеется. Остается пойти по пути косвенного определения этих затрат.
Суммарные затраты энергии на биологические процессы в почве можно определить, приняв во внимание накопление растительной массы за год. Подавляющая часть биологических процессов в почве в той или иной форме связана с разрушением растительного вещества и всевозможными его превращениями в почве. Естественно, общие размеры энергетики этих процессов будут обусловлены тем количеством солнечной энергии, которое аккумулируется в ежегодном приросте растительной массы. При попытке вычислить величину ежегодного прироста растительной массы мы столкнулись с большой скудностью данных фактических определений приростов растительной массы в разных экологических условиях. Особенно это относится к данным одновременного определения прироста надземной и корневой массы.
Для суждения о величине ежегодного прироста надземной растительной массы мы воспользовались данными, приведенными в «Экологии почв» (Волобуев, 1963, гл. 9).
После того как определен объем ежегодного прироста растительной массы, возникает задача — рассчитать количество энергии, аккумулированной в этом веществе. При этом будем приближенно исходить из следующего известного уравнения фотосинтеза:
Из этого уравнения следует, что на образование 1 г продукта фотосинтеза затрачивается 3,75 ккал солнечной энергии (674 ккал/180 г/мол С6Н12Ов).
Располагая этой величиной, легко перейти к затратам энергии, участвующей в разных гидротермических условиях в процессе накопления органического вещества (рис. 11). Затраты энергии на ежегодную продукцию растительной массы колеблются от 2,5— 25 кал/см 2 • год в тундрах и пустынях умеренных широт до более чем 2000 кал/см2-год во влажнотропических лесах. Для условии, характерных для почв лесов умеренных широт, степей и саванн, эти затраты колеблются около значений 100—400 кал/смг-год.
Указанные количества энергии в значительной части участвуют в циклических процессах образования, разложения и в очень небольшой доле закрепляются в ежегодном приросте органического вещества в почве. Но оценить соотношение этих видов расхода энергии количественно мы пока не можем.
Перейдем далее к выяснению затрат энергии при процессах выветривания. Данных о непосредственных размерах затрат энергии в этой области вообще нет. Имеются лишь отдельные попытки дать относительную оценку интенсивности выветривания в связи с гидротермическими условиями (Ramann, 1911; Growthег, 1930; Иенни, 1948).
В настоящее время можно предпринять определение размера затрат энергии на выветривание-при почвообразовании. Предпосылками этому могут быть идеи, развиваемые Беловым и Лебе-

Рис. 11. Запасы энергии (цифры у линий), накапливаемые в годичном при росте растительной массы (суммарно надземная и корневая), кал!см2*го

девым (1957), о геохимических аккумуляторах энергии и затем последние результаты почвенно-климатических исследований, выяснивших темп накопления компонентной воды. На дневной поверхности в зоне гипергенеза развивается процесс выветривания, сопровождающийся раздроблением кристаллических пород вплоть до коллоидального состояния, а также их химическими превращениями в конечном итоге до окислов, гидроокислов и свободных солей. Этот грандиозный процесс гипергенного преобразования земного вещества невозможен без затрат значительной энергии. В результате продукты гипергенного преобразования оказываются обогащенными аккумулированной в них энергией.
Не рассматривая подробнее отдельные положения Н. В. Белова и В. И. Лебедева, остановимся лишь на энергетике некоторых реакций, типичных для процессов выветривания. Так, реакции
полпого разложения калиевого полевого шпата, например адуляра:

протекает с затратой энергии в количестве 45,75 ккал'мол.
При разложении силлиманита
затрата энергии составляет 40,21 ккал-мол.
Располагая этими примерными значениями затрат энергии на отдельные реакции выветривания, можно представить и затраты энергии в почвообразовании для тех случаев, когда процессы минеральных преобразований заходят достаточно глубоко. Но, как известно, именно этого рода глубокие минеральные преобразования характерны для почв влажнотропических районов. В процессе формирования красноземов и латеритов тропиков получает преобладающее значение распад минеральной массы до конечных продуктов: Si02, А1203, Fe203 и др.
Чтобы определить фактические затраты энергии при минеральных преобразованиях в почве, надо знать темпы этого процесса. Для решения этого вопроса воспользуемся данными о темпах накопления компонентной воды при почвообразовании (Во- лобуев, 1961). Как мы полагаем (раздел III), нам удалось установить в обобщенной форме количество влаги, ежегодно дополнительно вовлекаемой для новообразования минеральных и органических веществ в почве и построения растительного вещества. Эта величина последовательно изменяется по гидрорядам:

Естественно, что в силу больших термических различий в пределах каждого гидроряда характер связи компонентной воды будет также очень различен. В одних условиях преимущественное значение имеет поглощение влаги в процессе построения органических компонентов, в других — минеральных. Можно допустить, что в условиях влажнотропического почвообразования с его исключительно интенсивными процессами минеральных преобразований наибольшая часть компонентной воды будет входить в состав минеральной массы, представленной главным образом конечными продуктами разрушения минералов. Следовательно, с известным приближением можно считать, что ежегодное приращение компонентной воды в условиях влажнотропического почвообразования расходуется в конечном итоге в процессе минерального выветривания.
Приняв, что на разрушение силикатных минералов расходуется приблизительно 40 ккал-мол,- путем расчета находим, что на каждый грамм воды, участвующей в реакциях выветривания,

приходится 280 кал связанной энергии. Последняя величина может быть принята в качестве исходной для последующих расчетов. Исходя из нее и значений приращения компонентной влаги по гидрорядам, можно определить затраты энергии на минеральные преобразования в пределах экваториально-тропического почвообразования, т. е. в терморяде VII и при условиях меньшего увлажнения. Но для полноты расчета необходимо выяснить затраты энергии на преобразования минералов в условиях более низких температурных уровней.
Для решения этой задачи полагаем возможным воспользоваться правилом Вант-Гоффа, согласно которому при изменении температуры среды на 10° интенсивность реакций увеличивается (или уменьшается) вдвое.
В условиях почвообразования, характеризуемых в обобщенном виде гидротермической системой, коэффициент относительной
интенсивности реакций можно представить изменяющимся от 1 (при —20° С) до 32 (при 30°С). Пользуясь правилом Вант-Гоф- фа и значениями затрат энергии по гидрорядам в условиях терморяда VII, находим возможные значения затрат энергии на минеральные преобразования во всей гамме гидротермических условий (рис. 12).
Полученные данные свидетельствуют об относительно небольшой величине доли ежегодных необратимых затрат энергии на минеральные преобразования — от 0,2—0,5 кал! см2* год в условиях тундр и пустынь до 10—15 кал/см2*год в условиях влажных тропиков. В этом выводе нет ничего неожиданного. Общепризнанно медленное течение геологических процессов, в том числе и выветривания.
Коснемся еще одной составляющей расхода энергии в процессе почвообразования — затрат энергии на миграцию веществ с гравитационной влагой. Здесь мы сталкиваемся с трудностями, которые нока не позволяют подойти к сколько-нибудь уверенному расчету. Трудности эти связаны, во-первых, с нерасчлененностью стока на внутренний (почвенный) и поверхностный, во-вторых, неясен метод выявления протяженности пути миграции веществ по вертикали, между тем только исходя из этого можно определить величину механической работы, связанной с процессом миграции. С целью некоторого разъяснения приведем лишь следующие данные. При величине «внутреннего» стока 250 м*/га, возможного в условиях достаточного увлажнения, и допущения перемещений вещества на 2 м в глубь почвенного профиля потеря энергии составит около 2 кал/см2* год. В сумме этот расход энергии может быть очень большим, но в ежегодном балансе он достаточно мал и соизмерим со столь же малыми затратами энергии на выветривание.
Просуммировав значения каждого из рассмотренных видов затрат по достаточному числу полей гидротермической системы, мы приходим к графику суммарных затрат энергии на почвообразование (рис. 13). Эти затраты весьма различны в пределах природных вариаций гидротермических условий. Они, естественно, минимальны в условиях, присущих тундрам и пустыням, где они составляют лишь 2000—5000 кал!см2-год, и очень велики во влажнотропическом почвообразовании, где достигают 60000 — 70000 пал/см2 год. Для лесного почвообразования в среднетермических условиях и степей характерны затраты энергии на почвообразование порядка 10 000—40000 кал!см2*год.
График суммарных затрат энергии на почвообразование с его закономерным ходом изолиний служит также наглядным выражением относительной интенсивности процесса. Судя по количеству энергии, участвующей в почвообразовании, его интенсивность во влажнотропических условиях примерно в 7 раз выше, чем в тропических пустынях; затраты же энергии на почвообразование в условиях высокого увлажнения относительно возрастают в нап-

равлении от тундр к влажнотропическим условиям более чем в 20 раз.
Как видим, гидротермическая система позволила увязать на единой основе многочисленные, но разрозненные данные о суммарном испарении, продуктивности растительной массы и другие и подойти к расчету энергетики почвообразования. Вместе с этим она дала возможность перейти к собственно энергетическому анализу всех собранных данных. Общие закономерности энергетики почвообразования в связи с радиационными условиями исследованы прежде всего путем выяснения изменения затрат энергии на почвообразование Q при однокачественном увлажнении. С этой целью затраты энергии на почвообразование сопоставлены с радиационным балансом земной поверхности для всех сочетаний тепла и влаги, отвечающих пограничным условиям между всеми гидрорядами гидротермической системы. Практически это заклю-

Рис. 14. Изменение суммарных затрат энергии на почвообразование ((?) в зависимости от радиационного баланса земной поверхности (i?) в пределах гидрорядов

о— коэффициент полноты использования радиационной энергии в биогеоценозе на почвообразование в пределах каждого гидроряда чалось в снятии значений радиационного баланса для каждой принятой на рис. 13 градации затрат энергии на почвообразование по всем пограничным линиям гидрорядов. Полученные отметки* будучи нанесены на график, у которого по оси х отложен радиационный баланс земной поверхности R, а по оси у — затраты энергии на почвообразование (?, обнаружили одну общую черту: отметки по каждому гидроряду располагались в общем по одной прямой.

В отклонениях фактических отметок от прямой по тому или другому гидроряду какой-либо однозначности обнаружить не удалось. Было сделано заключение, что отклонения фактических отметок от некоторой обобщенной прямой носят не закономерный характер и вызваны приближенностью исходных данных.
Все это приводило к выводу, что затраты энергии на почвообразование в условиях однокачественной увлажненности находятся в прямой связи с радиационным балансом.
Вместе с этим совокупность всех сопряженных отметок, нанесенных на график, дала возможность получить пучок прямых, выходящих из начала координат; при этом каждая прямая отвечала соответствующему гидроряду и могла быть охарактеризована некоторым угловым коэффициентом а, последовательно возраставшим от засушливых гидрорядов к более влажным (рис. 14).

Разбирая далее угловой коэффициент а, мы устанавливаем, что он изменяется в пределах от очень малых значений, близких к нулю, до значений, приближающихся к 1. Таким образом, выясняется, что коэффициент а является показателем полноты использования радиационной энергии в почвообразовании.
Следовательно, мы можем сказать, что каждый гидроряд гидротермической системы характеризуется определенной полнотой использования радиационной энергии в почвообразовании и что затраты энергии на почвообразование в пределах каждого гидроряда прямо пропорциональны радиационному балансу земной поверхности, взятому с некоторым коэффициентом а, постоянным для каждого гидроряда. Из этого заключения вытекает, что затраты энергии на почвообразование в пределах каждого гидроряда подчинены зависимости
Q=Ra (10)
Но, поскольку гидроряды гидротермической системы различаются между собой степенью относительной увлажненности, справедливым будет заключение, что в условиях одинакового радиационного баланса затраты энергии на почвообразование пропорциональны относительной увлажненности.
Связь между индексом полноты использования радиационной энергии в почвообразовании а и показателем относительной увлажненности Кп может быть охарактеризована следующими рядами значений а и Кп:

Гидро- ряды	33	аз 1	о аз	с 1	с о	сз 1	у Q	ч 1	Ч	ч 1	о Ч
	1	аз	1	о	1	G	1	ч	1	ь.	I
			аз	аз		«о	Q	сз	ч	ч	ч
lt;1	0,11	0,15	0,25	0,32	0,46	0,53	0,63	0,69	0,76	0,79	0,82
Кп	0,15	0,20	0,33	0,41	0,61	0,76	1,03	1,27	1,66	1,96	2,55

Как видно из рис. 15, эта сопряженность носит явно закономерный характер — по мере увеличения Кп возрастает и а. При этом важно отметить следующее: вначале при нарастании степени относительной увлажненности примерно в той же мере увеличивается и полнота использования радиационной энергии в почвообразовании, но в дальнейшем, по достижении увлажнения, близкого к уравновешенному, показатель полноты использования увеличивается медленнее, чем нарастает относительная увлажненность. Весь ход кривой сопряженного изменения Кп и а свидетельствует о том, что начиная с некоторой достаточно высокой увлажненности полнота использования радиационной энергии увеличивается практически очень мало.
Приближение кривой к некоторому пределу, меньшему единицы, полагаем возможным объяснить тем, что в биогеоценозе

Рис. 15. Соотношение между показателем полноты использования радиационной энергии в биогеоценозе на почвообразование (а) и относительной увлажненностью Кп

1— эмпирические отметки и зависимость (13), при т = 2,13; 2 — та же зависимость при т *= 2,46 потребляется хотя и значительная радиационная энергия, однако не вся. Известная часть радиационной энергии в физико-географическом процессе непременно расходуется на турбулентный теплообмен. В условиях высокой увлажненности, когда суммарное испарение достигает наибольшей величины, так же как и проявление биологических процессов, расход энергии на турбулентный теплообмен, естественно, становится наименьшим. Общий вид кривой, очевидно, и обнаруживает изменение соотношения между расходом энергии на турбулентный теплообмен и другие виды затрат энергии в физико-географическом процессе.
Таким образом, приходим к заключению: 1) затраты энергии на почвообразование в пределах каждого гидроряда подчинены зависимости Q — На; 2) коэффициент полноты использования радиационной энергии в почвообразовании (в биогеоценозе), обозначенный нами индексом а,— важная характеристика процессов, протекающих в географической среде.
Исследуя далее характер связи Кп и а (см. рис. 15), можно было прийти к заключению, что она подчиняется зависимости вида а = е“аЭ, где е — основание натуральных логарифмов. При этом предположительно следовало допустить, что один из сомножителей в показателе степени, например {},— величина, обратная
Кп, т. е. а = гак; . Решив это уравнение для случая, когда Кп = 1, найдем величину а, равную 0,47. Последующая проверка показала исключительно хорошее соответствие указанной зави-

симости для всех установленных ранее сопряженных значений Кп и а. Таким образом, кривая связи Кп и а, показанная на рис. 15, отвечает зависимости:
(11)

Но нам известно, что Кп приближенно отвечает зависимости

Подставив это значение К в зависимость (11), приходим к новому ее виду
(12)
Из зависимости (12) выясняется, что полнота использования энергии в почвообразовании а находится в определенной связи с величиной радиационного баланса, годовой суммой осадков и некоторыми другими факторами.
В соответствии с этим общая величина затрат энергии на почвообразование, равная, как уже было установлено, Q=Ra, должна отвечать также зависимости
(13)
При этом, если значения радиационного баланса и годовая сумма осадков изменяются таким образом, что величина относительной увлажненности сохраняется одна и та же, затраты энер- гпп на почвообразование (Q) изменяются прямо пропорционально R. Этому заключению может быть придано и более общее значение в связи с тем, что затраты энергии на почвообразование в сущности основные затраты энергии в биогеоценозе, т. е. в природном единстве растения, почвы, животного мира, атмосферы.
Как следует из зависимости (11), параметр а может в некоторой степени понижать или повышать значение а. Из этого следует, что параметр а связан с такими факторами географической среды, которые при неизменных гидротермических условиях (й и Р) могут оказать влияние на полноту использования радиационной энергии в биогеоценозе. В качестве таких факторов следует видеть биологические явления. Очевидно, в таком случае параметр а надо представить как величину а = —i/m. При этом т следует рассматривать в качестве безразмерной величины, обобщенно отражающей «биологическую активность» географической среды. При а = 0,47 т будет равно величине 2,13. По-видимому, через изменение величины т можно отразить различия в харак
тере, например, растительного покрова. К параметру т мы вернемся еще дальше (раздел IX).
В итоге приходим к следующей заиисимости:
(14)
Из этой зависимости видно, что затраты энергии в биогеоценозе на почвообразование Q определяются радиационным балансом Д, величиной относительной увлажненности Кп и биологической активностью биогеоценоза (е — основание натуральных логарифмов).
Зависимость (14) найдена эмпирически. Однако это не должна исключать попытки и теоретического ее истолкования. В самом деле, зависимость (14) вполне подобна зависимости, известной как закон Бугера-Ламберта-Бэра, из которого следует, что если энергия света, проникающего за данное время в слой вещества толщиной Z, равно /0, то энергия пучка при выходе из слоя 1 = I0e~cxl, где х — показатель поглощения света на единицу концентрации с вещества, определяющего поглощение. Основательным будет заключение, что здесь мы имеем не простое подобие зависимостей, а что зависимость (14) выражает действительные закономерности расхода энергии в биогеоценозе. Существенное отличие найденной зависимости (14) от закона Бугера-Ламберта- Бэра заключается в том, что последний является законом, присущим чисто физическим отношениям. В зависимость же (14) входит безразмерный параметр т, отражающий биологические элементы биогеоценоза. Кп здесь также связан с биологическими проявлениями.
Используя данные по энергетике почвообразования, мы получаем также возможность приближенно произвести сравнительную оценку затрат энергии на этот процесс и охарактеризовать условия их изменения в отношении трех основных статей расхода: на испарение и транспирацию, на циклические биологические процессы и на выветривание. Конечно, процессы выветривания также не абиотичны. Строго говоря, значительную часть энергии выветривания надо было бы считать «биологической» и отнести на ее долю известную часть общей суммы энергии биологических процессов. Но на данном этапе, по-видимому, надо ограничиться соотносительными характеристиками.
Весьма интересно сопоставление относительных размеров затрат энергии на основные элементы почвообразования. Соответствующие подсчеты показывают, что подавляющая часть энергии расходуется на испарение и транспирацию, поглощающие от 95 до 99,5% всей суммы энергии почвообразования. На долю циклических биологических процессов синтеза растительного вещества приходится от 0,5 до 5,0% и в большинстве случаев лишь окола 1% от всей энергии почвообразования. На разложение же мине
ралов почвообразующих пород расходуются лишь тысячные и сотые доли процента от всей энергии почвообразования. В самом общем виде относительные размеры затрат энергии в процессе почвообразования на суммарное испарение, циклические биологические процессы и необратимые реакции разложения минералов можно представить в соотношениях 100 :1 :0,01.
Как ни велики различия в относительных размерах затрат •энергии на главные составляющие процесса почвообразования, на основе сравнения их в разных гидротермических условиях можно сделать некоторые выводы о своеобразии почвообразования в различных зонах.
Можно отметить довольно последовательное увеличение относительной доли затрат энергии на выветривание в направлении от малоувлажненных гидрорядов к более увлажненным.
Если судить об эффективности процесса почвообразования по относительному увеличению затрат на биологические процессы, то можно сказать, что он с наименьшей эффективностью протекает в условиях недостатка влаги или недостатка тепла, когда затраты на биологические процессы и минеральные преобразования составляют лишь менее 1%. Высокой эффективностью процесса почвообразования резко выделяются влажнотропические условия, где до 5% энергии участвует в биологических процессах в почве и на испарение расходуется около 95 % энергии.
Характерные для большинства условий размеры энергии, участвующей в циклических биологических процессах, хорошо согласуются с относительной энергией фотосинтеза, который потребляет лишь 750-Уюо или даже лишь Уюоо энергии поглощенной солнечной рапиапии. Если бы мы вычислили долю затрат энергии на образование растительной массы по отношению не только к энергии почвообразования, но ко всей сумме приходящей солнечной радиации, то получили бы именно эти значения затрат энергии на органический синтез.
Несмотря на относительно малую долю затрат энергии на циклические биологические процессы от всей суммы энергии, участвующей в почвообразовании, в изменении биологических составляющих расхода энергии обнаруживаются важные закономерности. Так, если нанести на гидротермический график относительную величину энергии, ежегодно аккумулируемой в приросте растительного вещества, выразив ее в процентах от всей суммы энергии, участвующей в почвообразовании, то обнаруживается вполне закономерное изменение этой величины (рис. 16). Наибольшие значения относительной величины биологических процессов оказываются приуроченными к тем климатическим условиям, которые типичны для черноземов, коричневых, лесных, желтоземов, красных почв саванн, тропических красноземов, т. е. именно почв, которые обычно и рассматриваются как почвы с большой активностью биологического круговорота веществ. Существенный характер выясненной относительной активности биологического

Ряс. 16. Относительная величина энергии биологического круговорота в почвообразовании (энергия, аккумулируемая в ежегодном приросте растительного вещества,— цифры у линий, % от всей суммы энергии, участвующей в почвообразовании)

круговорота подтверждается еще и тем, что поле гидротермического графика с наибольшими значениями относительной величины биологических затрат энергии полностью совмещается с полем графика, отвечающего почвам с относительно наибольшим общим содержанием гумуса (Волобуев, 1963, рис. 21). В связи с этим данные рис. 16, можно полагать, будут полезны для целей исследования условий гумусообразования. Однако прямой корреляции между гумусосодержанием и относительной величиной биологической энергии в почвообразовании нет. Это и понятно, поскольку очевидно, что активность биологического круговорота лишь одно из условий гумусонакопления.

<< | >>

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

Еще по теме РАЗМЕРЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЗАТРАТ В ПОЧВООБРАЗОВАНИИ:

- 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 -