СОДЕРЖАНИЕ ГИДРАТНОЙ ВОДЫ В ПОЧВАХ В СВЯЗИ С ЭНЕРГЕТИКОЙ ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ

В связи с попытками определения объема компонентной воды для разного типа зональных биогеоценозов возникла необходимость при соответствующих расчетах располагать данными по содержанию связанной воды в почвах. По мере развития работ в этом направлении полезно остановиться на самостоятельном рассмотрении данных по содержанию химически связанной воды в разных почвах (Волобуев, Кулешов, 1970). Но здесь неожиданно встретились трудности при подборе необходимых данных и выявилась скудность их в опубликованных источниках.
В ранних работах почвоведов обычно приводились величины потерь от прокаливания среди так называемых главных составных частей почвы, что давало возможность легко вычислить и химически связанную воду. В современных же работах потери от прокаливания определяют только лишь в случаях выполнения валовых анализов почв, поскольку это необходимо для пересчета результатов анализов на минеральную часть почвы. Если же данные валового анализа приводятся уже в пересчитанном виде, та потери от прокаливания зачастую вообще не указываются.
Тем не менее удалось выявить в опубликованных и частью в рукописных материалах данные по величине потери от прокаливания по 140 разрезам, включавшим 650 отдельных определений.
Собранные сведения характеризовали следующие типы почв: дерново-подзолистые и подзолы, сероземы, каштановые, черноземы РСФСР; коричневые, бурые лесные, слитые коричневые, желтоземы Азербайджана; черные земли, желтые и красные почвы — Южной Африки; смолницы Болгарии; красноземы субтропиков Кавказа; влажнотропические почвы Азии.
Из всей совокупности собранных данных видно, что величина гидратной воды по отдельным типам почв варьирует в довольно широких пределах. Но как по значениям наиболее часто встречающихся величин, так и по пределам варьирования рассмотренные почвы располагаются во вполне очевидной последовательности.
Достаточно явно обнаружился нормальный характер распределения исходных данных. Последнее обстоятельство позволило произвести вычисление теоретически ожидаемых частот нормального распределения значений содержания гидратной воды по каждому типу почв. Конечно, были случаи несовпадения, что можно объяснить недостаточно большим числом данных по отдельным типам почв. Это позволило нам рассматривать вычисленные распределения как показатели, более точно отражающие действительный характер различий в содержании гидратной воды для рассмотренных типов почв. Из всей же совокупности данных вытекает ряд весьма интересных следствий.
Во-первых, рассмотренные почвы, расположенные в соответствии с увеличением средней величины гидратной воды, образуют закономерный ряд по интенсивности развития почвообразования (табл. 12). Замечательно, что эта последовательность выражает и стадийную смену минеральных преобразований, согласно идее Б. Б. Полынова (1934), но с дополнительно введенной глинной фазой (Волобуев, 1956, 1967а,б). В этом легко убеждает следующий ряд почв в сопоставлении со средним содержанием гидратной воды, % (в скобках) •

Среднее содержание гидратной воды и возможные затраты энергии на почвообразование по характерным типам почв

в в g %	Почвы	Количество образцов	Среднее содержание гидратной воды, %	Среднее квадратическое отклонение, %	Возможные затраты энергии на почвообразование за год, кал/см2gt;год
1	Сероземы	31	2,14	0,96	8 000
2	Подзолистые	105	2,26	1,31	10000
3	Каштановые	69	2,55	1,01	12 000
4	Черноземы	59	3,06	1,24	15 000
5	Коричневые лесные	48	3,76	1,43	30000
6	Бурые лесные	49	4,39	1,68	30000
7	Слитые коричневые	22	5,11	0,77	25000
8	Черные почвы Южной Африки	33	5,56	1,79	40 000
9	Желтоземы Азербайджана	51	5,76	1,54	41 000
10	Красные земли Южной Африки	49	8,03	2,91	45000
11	Смолницы Болгарии	26	9,55	2,24	28000
12	Желтые почвы Южной Африки	22	10,90	1,27	48 000
13	Красноземы субтропические	48	11,24	1,33	45 000
14	Влажнотропические	36	12,59	4,21	65 000

В отношении выявленного ряда почв отмечается и то привлекающее внимание обстоятельство, что по мере продвижения в сторону все большего содержания гидратной воды возрастают и соответствующие пределы колебаний. Эта закономерность хорошо подтверждается вполне последовательным изменением среднего содержания гидратной воды и среднего квадратического отклонения (см. табл. 12); связь между ними характеризуется высоким коэффициентом корреляции, равным 0,70. По мере возрастания интенсивности почвообразования, а следовательно, и интенсивности минеральных преобразований все более вероятным становится появление случаев с особенно глубоко продвинувшимся процессом выветривания вследствие длительности почвообразования или особенной податливости выветриванию минералов почвообразующих пород. Конечно, в этом варьировании проявляется и дифференциация веществ в почвенном профиле.
Явное согласие в изменении содержания гидратной воды в почвах разных типов с имеющимися представлениями об интенсивности почвообразования навело на мысль сопоставить среднее содержание гидратной воды в почвах разных типов с затратами энергии на почвообразование также в их средних значениях. С этой целью с графика суммарных затрат энергии на почвообра-

зование (см. рис. 13) были сняты значения этих затрат, отвечающие наиболее обычным климатическим условиям рассматриваемых типов почв.
Данные табл. 12 свидетельствуют о соответствии между затратами энергии почвообразования и величиной гидратной воды: чем больше возможные затраты энергии на почвообразование, тем больше гидратной воды в почве. Эта связь характеризуется очень высоким коэффициентом корреляции, равным 0,86 (при значимой величине его для уровня существенности 0,05, равной 0,50, и для уровня существенности 0,01, равной 0,62). Установленная связь между возможными затратами энергии на почвообразование (Q) и гидратной водой (Л2) описывается уравнением Q = 6,75+4,00Лг.
Понятно, что содержание гидратной воды в конкретных почвах будет показывать гораздо менее выраженную прямую связь между наличными энергетическими ресурсами, определяемыми климатическими условиями, чем это выяснилось при сопоставлении соответствующих обобщенных значений. Но это с учетом уже рассмотренных данных должно восприниматься скорее не как «неточность» частных данных, а как отражение разностадийности отдельных почв. Более того, сопоставление содержания гидратной воды но конкретным почвам со средним содержанием ее в соответствующих типах может служить одним из рабочих приемов в подходе к решению вопроса о возрасте почвы, интенсивности процесса почвообразования.
Естественным шагом в дальнейшем разъяснении установленной овязи явилось сопоставление содержания гидратной воды и затрат энергии на почвообразование уже по конкретным почвенным разрезам (Кулешов, 1970). С этой целью из опубликованных работ выявлено свыше 50 разрезов разных генетических типов, и для них по имеющимся климатическим картам определены необходимые параметры (радиационный баланс земной поверхности Q и относительная увлажненность К), по которым и были рассчитаны по предложенной ранее зависимости (14) возможные затраты энергии на почвообразование. При этом, хотя рассеяние отметок по отдельным типам почв было довольно значительным, в совокупности всех отметок также обнаруживалось наличие хорошей связи между рассматриваемыми показателями.
В дальнейшем проведено более полное исследование связи между содержанием гидратной воды hr и количеством радиационной энергии, участвующей в процессах почвообразования, Q, вычисляемыми при помощи зависимости (14) с использованием данных по широкой гамме почв. Вполне закономерный характер этого соотношения виден на рис. 25.
По мере увеличения количества радиационной энергии, участвующей в почвообразовании, возрастает и количество гидратной воды в почве. При этом расположение отдельных генетических типов почв на поле графика вполне характерно. Вначале в области наименьших Q и feP располагаются отметки дерново-подзолистых,

Рис. 25. Распределение почв в связи с затратами энергии на почвообразование (^) и содержанием гидратной воды (amp;г)

1 — сероземы типичные и светлые, 2 — сероземы темные, 8 — дерново-подэолистые и подзолы, 4 — черноземы, 5 — коричневые слитые, 6 — желтоземы, 7.—'красноземы субтропиков и тропиков, 8—красноземы латеритизированные, 9—красные и желтые земли Южной Африки, 10 — черные почвы Южной Африки, 11 — почвы Южной Африки разных типов, 12 — полупустынные почвы Австралии
сероземов, полупустынных и пустынных почв. В области средних значений Q и К — желтоземы, красные земли саванн. Несколько выше этих почв — красноземы влажных субтропиков и тропиков. И, наконец, с наиболее высокими значениями Q и йР сопряжены влажнотропические красноземы латеритизированные. Из общего распределения отметок на поле графика следует, что с увеличением радиационно-водных ресурсов относительная интенсивность минеральных преобразований в почве заметно возрастает.
Кривая связи Q — hr на рис. 25 довольно близко описывается зависимостью
(21)
и более точно зависимостью
(22)
Зависимость (21) особенно примечательна тем, что она по существу близка к установленной ранее связи между значениями затрат на почвообразование (Q) и величиной годичного прироста растительного вещества (17).
Это соответствие между зависимостями не является чем-то неожиданным при наличии в генетическом почвоведении важнейшего положения о ведущей роли биологического фактора в почвообразовании. Энергетический анализ позволил показать эту зависимость с математической определенностью. Из зависимостей (17) и (21) следует, что между и и hr существует определенное количественное соотношение, правда пока не поддающееся строгому математическому выражению.
Дело в том, что Q и и представляют собой характеристики для годичного цикла, тогда как hr — результат всего процесса образования почвы, развившегося на протяжении нескольких сотен или более лет. Эту связь мы можем предварительно выразить так:
(23)
Сопоставив средние значения годичного прироста и содержания гидратной воды, полученные из кривых связи Q и v (для условий средней увлажненности; см. рис. 17) и Q и hr (см. рис. 25) для последовательно возрастающих значений Q через каждые 10 ккал/смг-год, мы установили вполне прямолинейную связь между v и hr (рис. 26).
Выявленная сопряженность между v и hr в первом приближении может быть оценена таким образом, что различия в биологическом круговороте в 20 ц/га в год сопровождаются разницей в соответствующих почвах в 1% гидратной воды:
(24)
Зависимость (22), несмотря на приближенный характер, весьма знаменательна, поскольку впервые дает числовую количественную оценку участию биологического фактора в почвообразовании, и в этом отношении заслуживает большого внимания и дальнейшей разработки.

Однако приходится сказать, что исследования в этом направлении очень затруднительны из-за скудности в литературе данных о фитопродуктивности и химическом составе почв. Тем не менее некоторая новая работа в этом направлении была проведена.
Для нового исследования сопоставлены обобщенные величины продуктивности растительности по основным термическим поя-

Рис. 26. Соотношение между годичным приростом растительного вещества (у, ц/га) и содержанием гидратной воды в почвах (Лрgt; %) при разных затратах энергии на почвообразование ((gt;) согласно обобщенным кривым связи, приведенным на рис. 17 и 25
Рис. 27. Изменение количества^ годичного прироста фитомассы (vn, ц/га), приходящейся на 1% гидратной воды, в связи с относительной увлажненностью (К = осадки/испаряемость)
1 — обобщенные данные по основным гидротермическим областям; 2 — данные отдельных стационарных наблюдений сам (суббореальным, субтропическим, тропическим) и биоклима- тическим областям (гумидным, семиаридным и аридным; Базилевич, Родин, Розов, 1970), пришлось отказаться лишь от данных по аридным субтропическим сообществам, видимо, завышенным.
Со значениями годичной фитопродуктивности сопоставлялось содержание гидратной воды по соответствующим типам почв (Во- лобуев, Кулешов, 1970). Наряду с этим удалось привлечь и данные по некоторым конкретным объектам, полученные при стационарных исследованиях в Азербайджане (Алиев, 1966; Щипано- ва, 1970).
При сопоставлении годичной фитопродуктивности по всем рассмотренным растительным сообществам и содержанием гидратной воды в соответствующих почвах (табл. 13) выявилось, что это соотношение равно в среднем 22,9, т. е. той же величине, что и в зависимости (24). Но вместе с этим (рис. 27) указанное соотношение находится в определенной зависимости от условий увлажнения, в данном случае характеризуемых величиной К (осадки/ /испаряемость). Чем выше увлажненность, тем больше годичная продуктивность фитомассы приходится на 1% гидратной воды.
Это заключение, собственно, не является неожиданным. Ведь понятно, что чем выше увлажненность, тем сильнее выражен про-

мывной режим, тем менее насыщенными основаниями или даже кислыми становятся почвенные растворы, т. е. создаются условия, все менее благоприятные для сохранения новообразованных веществ, в почве накапливаются лишь наиболее прочные из них.
Интересны здесь и некоторые энергетические сопоставления. Пересчитав данные по годичной продуктивности растительности с центнеров на гектар на граммы на квадратный сантиметр и приняв во внимание экспериментально найденные теплоты сгорания растительных веществ (надземных и подземных), в среднем принятых в размере 4300 кал/г для растений аридных условий, 4400 — для семиаридных, 4500 кал/г — для гумидных, мы нашли, что в годичном приросте фитомассы аккумулируется энергия 440 кал/смг. С другой стороны, определено количество гидратной воды в расчете на 3-метровую толщу почвы в призме сечением 1 см, оказавшееся равным в среднем 17,2 а. Накопление этого количества гидратной воды в процессе выветривания минералов и почвообразующих пород по обобщенной оценке может сопровождаться затратой энергии в количестве 9116 кал (530 калХ 17,2 г).
Если теперь мы примем во внимание ранее сделанное обобщение о том, что количество энергии, аккумулируемое в годичном приросте фитомассы, и затраты энергии на необратимые реакции минеральных превращений в процессе почвообразования находятся в соотношении 1:0,01 (Волобуев, 1963), то мы можем прийти к заключению, что установленное количество химически связанной воды в 3-метровой толще почвы могло накопиться при возможных энергетических ресурсах в среднем в течение 2060 лет. Эта длительность для возраста почвы кажется реальной. Но, конечно, соответствующие расчеты для некоторых из использованных примеров почвенно-растительных систем показывают довольно широкие различия в определяемой таким образом возможной длительности почвообразования. Мы, конечно, далеки от мысли предлагать этот путь для определения действительного возраста почв. Однако полагаем, что здесь возможны интересные сопоставления.
С этой целью построим график связи между условной длительностью почвообразования I при допущении затрат энергии фито- продуктивности на минеральные преобразования в доле 0,01 с величиной относительной увлажненности К (рис. 28). Из графика усматривается вполне закономерный характер изменения принятых параметров. При этом особенно замечательно совершенно подобное изменение соотношений как по обобщенным данным, так и по данным конкретных наблюдений в Азербайджане. Это следует воспринять как превосходное подтверждение оправданности принятого метода исследования.
На первый взгляд рис. 28 будто бы свидетельствует о пониженной энергии участия биофактора в почвообразовании в аридных условиях. Но это заключение противоречило бы выводу, сделанному по рис. 27.
Полагаем, что рис. 28 должен быть воспринят как указание на
то, что при разных условиях увлажненности отношение vJhQ-zody в среднем значении равное 0,01, должно в известной мере варьировать.
Если мы по рис. 27 найдем значение К, отвечающее среднему соотношению hr и v (20 ц/га), то оно окажется равными 0,75. Этому значению отвечает средний «возраст» почв 1900 лет. Для более высоких условий увлажненности, чем 0,75 К, соотношение
L
Рис. 28. Изменение условной «длительности» почвообразования — I, вычисленной по соотношению энергетических затрат на минеральные преобразования (по количеству гид- ратной воды), и энергией, аккумулированной в годичном приросте фитомассы, в связи с относительной увлажненностью К — обобщенные данные по основным гидротермическим областям; — данные отдельных стационарных наблюдений. I — граничные линии поля отметок; II — обобщенные значения v9/hd-zod также близко к 0,01 (0,012—0,008), но для крайне аридных оно должно быть принято гораздо большим — примерно 0,2. В аридных условиях, таким образом, вклад растительности вс вторичное минералообразование относительно значительнее, хотя суммарный результат, конечно, ниже, чем в более увлажненных условиях с большим объемом продуцируемой фитомассы.
Как видим, энергетические показатели опровергают мнение о пониженной активности почвообразования в аридных условиях. Оно протекает интенсивно, но, понятно, с чертами своеобразия.
Само собой разумеется, что наличие известного количества гид- ратной воды в сформированной почве есть следствие многократного повторения циклов воздействия биологической деятельности на минеральный субстрат. Поэтому следующим этапом в определении количественных соотношений между v и hr должно быть выяснение их развития во времени при образовании почв разных типов.
Есть еще и другой фактор, от которого также должна зависеть интенсивность воздействий биологического круговорота на ход минеральных преобразований — это податливость выветриванию самого минерального субстрата, что, очевидно, определяется уже химическим составом последнего. Следует также иметь в виду и то, что почвы большей частью формируются на наносах и в этих случаях некоторая часть гидратной воды будет унаследованной от предшествующих процессов выветривания.

Как видим, использование энергетической зависимости (14) дало возможность впервые произвести математическую трактовку роли биологического круговорота в образовании почв. Полученные количественные характеристики следует иметь в виду при истолковании генезиса почв.
Наконец, остановимся еще на некоторых следствиях, вытекающих из данных табл. 12, пользуясь которой мы нашли среднее содержание гидратной воды и средние величины возможных ежегодных затрат энергии на почвообразование для четырех групп почв, сопряженных с определенными фазами минеральных преобразований (табл. 14).
Таблица 14

Как следует из полученных данных, относительная продви- нутость минеральных преобразований обызвесткованной, сиаллит- ной, глинной и ферраллитной фаз находится в отношениях 1:3:8:16.
Выявленные различия вряд ли можно объяснить одиофактор- но, например за счет климата или возраста, но, очевидно, именно эти два фактора главные. Для дифференцированного выяснения их роли, понятно, нужны более конкретные данные. Тем не менее выявленный ряд отношений может представить интерес при рассмотрении вопросов относительного возраста почв.
При рассмотрении данных об энергии решетки минеральной массы отмечалось, что в особенно широких пределах изменяется величина энергии решетки бескремнеземной части минеральной массы почвы. Следовательно, этот показатель может быть особенно полезным при исследовании почв в энергетическом отношении. В связи с этим было решено сопоставить величину химически связанной воды с величиной энергии бескремнеземной минеральной части почв, как с наиболее прямым показателем минеральных превращений в почве в процессе выветривания материнских пород.

Результат этого сопоставления обнаружил поразительно тесную и прямую связь между энергией бескремнеземной минеральной массы и гидратной воды (рис. 29). Эта прямая связь заслуживает большого внимания.

Очевидно, энергия решетки минеральной части почв, рассчитанная нами как приходящаяся на ее бескремнеземную долю, в процессе выветривания при формировании почв в значительной части оказывается относящейся к новообразованным минералам.
Эти новообразованные минералы, понятно, включают большую часть соединений алюминия, железа, карбонатов кальция и магния. Конечно, в их состав входит как непременный компонент и кремнезем в его комбинационных формах. Но, поскольку в литературе очень мало анализов с раздельными дапными по кремнезему комбинационному и в форме кварца, рассмотреть превращения кремнезема в почве в энергетическом плане дифференцированно, с учетом его форм, пока не представилось возможным. Вполне вероятно, однако, что количество его комбинационных форм тесно связано с суммой железа, алюминия, щелочей, представленных в новообразованных минералах.
Особо должен быть отмечен и другой аспект — наличие прямой связи между величиной энергии решетки бескремнеземной части минерального состава почвы и количеством гидратной воды не дает еще непосредственной оценки собственно энергетических затрат при минеральных превращениях в почве. Энергия решетки — энергия связанная. Но выявленная прямая связь между энергией решетки бескремнеземной части почвы и гидратной водой дает основание заключить, что в процессе почвообразования некоторая часть энергии минеральной решетки переходит в свободную. Естественнее всего допустить, что переход энергии решетки в свободную форму связан с повышением дисперсности и, следовательно, с увеличением поверхностной энергии. Действительно, по мере развития выветривания дисперсность вторичных продуктов возрастает. Ранее показано (Волобуев, 1967а), что почвы, сопряженные с соответствующими формами минеральных преобразований, различаются также содержанием частиц менее 0,001 мм в соответствии со стадийной последовательностью фаз. Почвы в ряду сиаллитные — глинные — ферраллитные наиболее богатыми илистыми частицами оказываются в последнем случае.
Конечно, рассмотренное выше соотношение между энергией решетки бескремнеземной части минеральной массы и энергетическими затратами при выветривании только первая попытка приблизиться к установлению энергетических соотношений в минеральных преобразованиях в почве. Но исследования в этом направлении, очевидно, будут весьма плодотворными. В частности, для выяснения природы и количества свободных энергетических сил на поверхности минеральных частиц целесообразно накопление данных также по теплоте смачивания почв.

<< | >>

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

Еще по теме СОДЕРЖАНИЕ ГИДРАТНОЙ ВОДЫ В ПОЧВАХ В СВЯЗИ С ЭНЕРГЕТИКОЙ ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ:

- 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 -