start="9" type="I"> ЭНЕРГИЯ, АККУМУЛИРОВАННАЯ В ОРГАНИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТАХ ПОЧВЫ


После выяснения гидротермических закономерностей накопления растительного вещества естественно обратиться к количеству энергии, аккумулированной в растительном веществе, а также и в таких органических компонентах почвы, как гумус и микробная масса.
Первые представления о количестве энергии, аккумулируемой в растительном веществе, получены при исследовании общих закономерностей энергетики почвообразования (Волобуев, 1958а).
Следующими были сведения, полученные на основе данных, использованных при обосновании понятия компонентная вода
Таблица 6
Энергия, связанная с основными компонентами характерных почвенно- растительных систем (в верхнем 3-метровом слое почвогрунтов сечением 1 еле2) и растительном веществе


Энергия компонентов в приземном слое и почве, кал

S
ь. Л Ж
я2

Соотношение анергии, затраченной на

Зональный тип биогеоценоза и почва

затраченная на минеральные преобразования

аккумулированная в гумусе

аккумулированная в растительном веществе

всего

о 5 з * s w ? о z
Г О S *
.? «в о Я Я

минеральные преобразования, и анергии, аккумулированной в органическом веществе

Тундровый, глеево-тундро-

1230

6 000

450

7 680

68

5,2

вая
Таежный, подзолистая

2 460

6 800

14 250

23 510

206

8,6

Влажнотропичесшш, крас

12 350

9 20Э

71 250

9 280

692

6,6

ноземная
Степной, чернозем

5 010

20 000

2 250

27 290

297

4,5

Сухостенной, каштановая

2100

8 000

1 500

11 000

161

4,5

Полупустынный, серозем

3 920

4 000

750

2 670

145

1,2

(Волобуев, 1961), они относились к общему запасу энергии в растительном веществе (надземном и корневом) по нескольким типовым биогеоценозам (табл. 6). Выяснилось, что в расчете на 1 см2 в растительной массе влажнотропических лесов аккумулировано огромное количество энергии — 71 250 кал, т. е. больше, чем общее количество лучистой энергии Солнца, участвующей в процессах географической среды (тепловой баланс земной поверхности в этих условиях около 60000 кал/см2 -год). В растительности же степей аккумулировано лишь несколько больше 2000 кал/смг - год.

При всех этих расчетах ввиду отсутствия прямых калориметрических определений теплотворная способность растительного вещества во всех случаях принималась равной 3750 кал/'г сухого вещества. Позже появились результаты прямых определений теплотворной способности большого числа видов растений.
Одними из первых в области прямых калориметрических определений энергии, аккумулированной в растительном веществе, начали вести исследования Д. Овингтон и Д. Эйткамп (Ovington a. Heitkamp, 1960). Они выявили количественно энергию, аккумулированную в разных составляющих леспого насаждения, а также различных компонентах отдельных видов растений (листья, ствол, корни и т. д.). Эту работу авторы выполнили на трех разных участках Британии. В частности, английские ученые при калоримет- рировании образцов выявили, что энергия, аккумулированная в различных составляющих разных видов, распределена в убывающем порядке: листья, сучья, ствол, поверхностная часть опада, хорошо разложившаяся часть оггада. Овингтон я Эйткамп, анализируя результаты всех опытов, пришли к выводу, что только 1—2,7% приходящей солнечной энергии используется лесным насаждением.
Ряд определений теплотворной способности надземной растительной массы приведен по Никитской яйле Крыма (Голубев, Ма- хаева, Кожевникова, 1967). Эти данные интересны тем, что дают известное представление о сезонном изменении теплотворной способности растительного вещества. Теплотворная способность растительной массы весенних и раннелетних укосов несколько выше, чем позднелетних и осенних.
Интересно было определить и количество аккумулированной энергии в различных составляющих растительного вещества биоценоза по Азербайджану. Исследована растительность полупустынного сообщества Ширванской степи (Керарский стационар Института ботаники АН Азерб. ССР). Определения проведены также и с некоторыми растительными образцами, взятыми в ботаническом саду АН Азерб. ССР в Баку (Герайзаде, 196S).
Для определения энергии, аккумулированной в растительном веществе, использовался калориметр для определения теплоты сгорания топлива с самоуплотняющейся калориметрической бомбой СКБ-52. Результаты калориметрических определений представлены в табл. 7. Энергия, аккумулированная в веществе различных видов растений, варьирует от 3660 до 5750 пал на 1 г сухого вещества.
Из анализа результатов проведенных определений выявлено, что наибольшее количество энергии аккумулируется в веществе листьев, затем в стеблях и менее — в корнях.
Сравнивая данные этих опытов с результатом опытов Овинг- тона и Эйткампа, отметим, что существует хорошее согласие в порядке распределения энергии количественно в различных составляющих отдельных растений (листья, стебли, корни и т. д.).
Как видно по имеющимся данным, теплота сгорания веществ

Таблица 7
Данные калориметрических определении количества энергии, аккумулированной в растительном веществе, кпл'г (Герайзаде, 1969)

Растения

Листья

Стебли

Корни

Suae da microphylla

4019

3729

3663

Capparis spinosa

4362

4052

3708

Salsola dendroides

5625

4732

4226

Lepidium draba

4187



Artemisia sp.

5754

5086

4206

Erophila verna

4226



Torularia contuplicata

4272



Aegilops cylindrica

3982



Pterotheca marschalliana

4240



Rosmarnus offcinalis

5097

4310


Pottosporum Tobira

4704

4058


Ligustrum japonicum

4866

4393


Olea europaea

4801

4451


Cupressus sjgt;.

4765

4532


Zozimia sp.


4200


Artemisia armena


464u


Melica taurica


4210


Melica taurica


4640


Achillea sp.


4660

              ,

Gama nthus pilosus


3550


Alhagi psendoalhagi


4190


Caragana graudiflora


4610


Andropogon ischaemum

4230



Astragalus sp.


4660


Huaiperus polycarpos


5260


Huniperus focticlissima


4750


разных растительных видов и ее отдельных компонентов заметно различается. Следовательно, использование при изучении средних величин энергии, аккумулированной в растительном веществе, для оценки процессов в биогеоценозах может дать ощутимую погрешность. В связи с этим проведение калориметрических определений теплоты сгорания органических материалов — необходимый прием для повышения точности количественных оценок биоэнергетических процессов.
С.              А. Ваксман (1937) и И. В. Тюрин (1937), по-видимому, первые указали на целесообразность использования при характеристике гумуса энергетических критериев.
С. А. Ваксман находил, что энергетическая способность гумуса может служить основой для определения скорости его превраще-

вий под влиянием жизнедеятельности микроорганизмов. И. В. Тюрин, сопоставив теплоту сгорания различных органических соединений с количеством кислорода, необходимого для их полного окисления, пришел к заключению, что результаты определения окисляемости могут быть использованы для характеристики гумуса в целом или его отдельных фракций.
Но, как справедливо заметил Е. М. Мовсисян (1959), это ценное указание И. В. Тюрина должно было послужить основанием для нового направления в изучении органического вещества почв, ее энергетики. Однако оно не получило надлежащего развития со стороны исследователей.
Е. М. Мовсисян (1959) впервые произвел расчеты энергии, запасенной в гумусе, по данным его элементарного состава, а также по степени окисляемости и затем подсчитал энергию, заключенную в гумусе в 20—40-см слое ряда луговых почв Араратской равнины (Армения). По его данным, калорийность гумуса Араратской равнины колеблется между 6019 и 7427 (в среднем 6634) кал/г.

Мной (Волобуев, 1964) была рассчитана энергия, запасенная в гумусе, в широкой гамме типов почв (см. табл. 6). Из рассмотренных типов почв резко выделяется чернозем — 20 000 кал в призме почвы сечением 1 см2 и мощностью 0—300 см. Другие типы почв обладали запасом энергии в гумусе порядка 4000— 8000 кал в том же объеме почвы.
При выполнении подсчетов энергии в гумусе мной была принята для всех типов почв теплотворная способность гумуса, равная 4000 кал/г.
И. А. Щипанова (1970) привела следующие данные об энергии, аккумулированной в гумусе некоторых почв Азербайджана (кал/см2 в слое 0—100 см): в примитивном сероземе — 5090 калг в сероземе — 5820, в горно-коричневой послелесной почве — 9320 кал.
Позже но нашему предложению С. А. Алиевым при участии А. П. Герайзаде (Алиев, 1964, 1970) произведены прямые определения теплотворной способности гуминовых кислот при помощи калориметра СКБ-52 по четырем типам почв: сероземной, темно-каштановой, горному чернозему, горно-луговой. Вместе с этим С. А. Алиев рассчитал запасы энергии в гумусе тех же почв по era элементарному составу.
Результаты обнаружили хорошую сходимость. Гумус исследованных почв оказался энергетически довольно различным.
Теплота сгорания гуминовых кислот и гуминов в горно-луговых почвах соответственно составляет 4640 и 4510 кал/г и снижается в горных черноземах (4510 кал/г для гуминовых кислот и 4200—для гуминов). В темно-каштановых и сероземах достигает максимальных величин (5100—5290 кал/г для гуминовых кислот и 4360—4520 — для гуминов). Высокие показатели потенциальной энергии в последних почвах объясняются их богатством азотис-
ЬТ

тыми соединениями микробной плазмы. Теплота сгорания фульво- кислот гораздо ниже—1520 кал/г, тогда как спиртобензольной фракции очень высокая — 8480 кал/г.
С. А. Алиевым (1966) произведены эксперименты с разложением корней в полевых условиях разных природных зон Азербайджана. Он, учтя разницу между общим количеством энергии в исходных растительных веществах и количеством энергии в сохранившихся от разложения растительных остатках, рассчитал коэффициент использования энергии последних в образовании гумуса. Коэффициент использования энергии растительных веществ в гу- мусообразовании достигает наибольших величин в сероземах (34,5), несколько снижается в темно-каштановых и черноземных почвах (30,2—31,5%) и значительно уменьшается в луговых сазо- вых почвах.
Все процессы превращения растительных остатков в почве происходят при участии ее микрофауны, хотя абсолютные количества ее в почве невелики. И. В. Тюрин (1946) указывает, что содержание живого вещества микроорганизмов в гумусе в среднем равно примерно 0,3—0,4 г и не превышает 1,0 г сухого вещества на гектар, что составляет 0,5—2,5% от общего количества гумуса в почве. Близкие количества приводит и Э. Рассел (1955). Е. Н. Мишустин (1954) находит, что содержание микроорганизмов должно быть принято примерно в 2 раза большим, чем полагает И. В. Тюрин.
С. А. Алиев произвел подсчеты микробной массы в почвах Азербайджана и, приняв данные В. О. Таусона (1950) о теплотворной способности различных групп микроорганизмов (для грибов — 4900—5100 кал/г, актпномпцетов — 5700—5800 и бактерий— 6200 кал/г), установил, что количество связанной в ней энергии достигает значительных величин: 1430—1540 ккал/м2—в горном черноземе и коричневых почвах, что по отношению к гумусу составляет 0,9—1,1 %. В темно-каштановых почвах и в сероземах энергия, связанная с биомассой, несколько снижается до 1200—1400 ккал/м2, но ее процентное содержание в составе гумуса возрастает до 1,4—3,5.
Выяснением количества микробной массы занимался и Г. А. Буяновский (1971) на примере сероземно-луговых почв Ку- ра-Араксинской низменности (Азербайджан). Им установлено наличие четко выраженной прямой зависимости между общей численностью микроорганизмов, выделяемых чашечным методом, и содержанием органического вещества (г = 0,94). Прямая и тесная связь подмечена и между численностью микроорганизмов в верхнем 20-сантиметровом слое и запасом отмерших корневых остатков в этом же слое (г = 0,72). Г. А. Буяновский обратил внимание на то, что численность гетеротрофных микроорганизмов в пересчете на 1 г мертвых корней колеблется в очень узких пределах — от 0,8 до 1,1 млрд., что подчеркивает зависимость почвенной микрофлоры от поступления органического материала, но вместе с этим при сооответствующих расчетах трофический коэффициент оказывается совершенно ничтожным (на 1 г растительной массы 0,02 микробной массы). Между тем, например, И. В. Тюрин (1937, 1946) принимал трофический коэффициент усвоения энергии микроорганизмами равным 20—25%; по В. О. Таусону (1950), трофический коэффициент у грибов и актиномицетов обычно не превышает 15—20%, а у грибов еще и более низкий. Несоответствие в соотношении между пищевым корневым запасом и выявленной численностью микроорганизмов в сероземно-луговых почвах Кура-Араксинской низменности и более вероятной величиной трофического коэффициента Г. А. Буяновский склонен видеть в недостатках чашечного метода определения численности микроорганизмов и находит, что метод прямого счета микроорганизмов по Виноградскому более надежный.
Г. А. Буяновский, ссылаясь на данные других авторов по почвам Средней Азии и Азербайджана, указывает общее количество бактерий от 292 до 6740 млн. и даже 7,2 млрд, на 1 г почвы. Это примерно на три порядка выше тех, которые получаются при посевах на твердые среды. При такой численности их микробная масса (из расчета сухого веса 1 млрд, клеток равен 0,02 мг) составляет примерно 0,5 т/га. Далее им были произведены некоторые интересные расчеты. Так, в лугово-сероземной почве с ноября по февраль потеря корневой массы составляет 20 т/га. Учитывая зимний малодеятельный период низких температур, разложение этого количества корней должно было произойти в течение одного- полутора месяцев. Массу микроорганизмов, способную произвести эту работу, можно считать равной примерно 2—2,5 т/га. Если допустить, что в принятый период интенсивной биологической деятельности сменилось 4—5 поколений микроорганизмов, то обсеме- ненность почвы могла составить 5—7 млрд, клеток на 1 г, что соответствует также правильности принимаемого трофического коэффициента.
Затем Г. А. Буяновский отмечает, что в результате теплотворной способности корневой массы злакового разнотравья, равной 4290 кал/г, в почву в течение учитываемого периода с отмершими корнями поступает около 90*10® кал/га. В микробной же массе заключена энергия порядка 10-106 кал/га, т. е. несколько меньше 10%. Этого же порядка соотношение между мертвыми растительными остатками и микробной массой обнаруживается и данными наблюдений в сероземно-луговой и луговой сазовых почвах: энергия, заключенная в микробной массе, составляла 6—14% от массы мертвых корней.
Г. А. Буяновскому принадлежит также опыт энергетической трактовки вопроса о происхождении соды в почвах Карабахской степи (Буяновский, 1971).
В литературе высказана гипотеза биологического происхождения соды в почвах за счет восстановления имеющихся в них сульфатов. Термодинамическая «допустимость» процесса биологической редукции сульфатов при использовании глюкозы, уксусной кислоты и некоторых других органических соединений в качестве источника энергии установлена А. Д. Пелыпем (1937), данные которого использованы И. Н. Антиповым-Каратаевым (1966) для доказательства возможности протекания процесса биологической редукции сульфатов в почве. Однако из термодинамических расчетов следует, что восстановление сульфатов требует значительных энергетических затрат, поскольку уровень свободной энергии образующихся при этом восстановленных соединений довольно высок. Это, в частности, дало основание Л. И. Рубенчику (1947) считать необходимым с осторожностью подходить к проблеме биологического содообразования в озерах в связи с недостаточностью в них для этих процессов органических веществ.
Г. А. Буяновский нашел, что для имеющегося содержания поглощенного натрия в содовозасоленных почвах Карабахской степи, •общее количество карбоната натрия должно было бы составлять не менее 1721 т. При этом на восстановление соответствующего количества сульфатов (2400 т или 16,9 • 106 г-мол потребовалось бы 16,9 -106 г-мол 295:103 кал/мол=5-1012 кал. Рассмотрение далее возможных энергетических ресурсов (корневых остатков, запасов гумуса) привело его к заключению о явной необеспеченности энергией процесса продуцирования требуемых количеств карбоната натрия; процесс длился бы не менее тысяч лет. Г. А. Буяновский сделал вывод, что энергетические расчеты свидетельствуют о небольшой роли биологического фактора в содовом засолении почв Карабахской степи.
Все приведенные данные подтверждают перспективность энергетического подхода при решении задач, возникающих перед почвенной микробиологией.
В заключение вернемся к материалам по запасам энергии в гумусе и в растительном веществе соответствующих биогеоценозов и произведем некоторые сопоставления.
Из табл. 6 хорошо видны принципиальные различия энергетических показателей исследуемых почв. Так, чернозем характеризуется преобладающей аккумуляцией энергии в гумусе (88% от суммы энергии в гумусе и растительном веществе), тогда как во влажнотропическом сообществе доля энергии гумуса составляет всего лишь 11%, а главным аккумулятором энергии оказывается растительность.
Эти данные хорошо согласуются с выдающимся и устойчивым плодородием черноземов, так же как и с краткостью периода высокой производительности почв пз-под только что сведенных влажнотропических лесов, т. е. пока в почве сохраняются некоторые органические остатки и элементы биогенной аккумуляции.
Весьма характерным оказался такой показатель, как количество энергии, затраченной на минеральные преобразования и аккумулированной в гумусе и растительном веществе, приходящейся на 1 г компонентной воды (w, кал). Для тундровых почв эта величина оказалась равной 70 калх для черноземов — 300, для влажнотропических красноземов — 690 кал.
Из соотношения между энергией, аккумулированной в гумусе и растительном веществе, и количеством энергии, затраченной на минеральные преобразования, следует, что циклические биологические реакции в почве происходят в среднем примерно в 5 раз более интенсивно, чем минеральные реакции остаточного типа. Однако это соотношение довольно различно для отдельных типов почв: оно наименьшее в случае сероземов (1,2) и велико у таежно-подзолистых и влажнотропических почв (6,6—8,6).
Полагаем, что накопление новых данных по отмеченным соотношениям позволит в дальнейшем сделать на их основе интересные генетические выводы. 
<< | >>
Источник: Волобуев В. Р.. Введение в энергетику почвообразования.. 1974

Еще по теме start="9" type="I"> ЭНЕРГИЯ, АККУМУЛИРОВАННАЯ В ОРГАНИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТАХ ПОЧВЫ:

  1. start="2" type="1"> Заключения
  2. start="2" type="1"> Кларк Хауэл и полковник на границе
  3. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ, ВЫНОС МИНЕРАЛЬНЫХ И ОРГАНИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТОВ ВОДАМИ ОЛИГОТРОФНЫХ БОЛОТНЫХ МАССИВОВ
  4. ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО ПОЧВЫ
  5. СОСТАВ И СВОЙСТВА МИНЕРАЛЬНОЙ И ОРГАНИЧЕСКОЙ ЧАСТЕЙ ПОЧВЫ
  6. УДОБРЕНИЕ НАВОЗОМ И ПЛОДОРОДИЕ ПОЧВЫ Поступление питательных элементов и органического вещества
  7. Свойства компонентов навоза
  8. Соотношение врожденных и приобретенных компонентов поведения
  9. Баланс энергии и микроклимат
  10. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ В РАЗЛИЧНЫХ КОМПОНЕНТАХ ЭКОСИСТЕМ СУШИ