Количество энергии, поступающей с опадом
Типы растительности | Количество энергии, поступающей с опадом, Дж (см 2 • год) |
Арктические тундры | 126-168 |
Кустарничковые тундры | 251-336 |
Хвойные леса | 419-838 |
Широколиственные леса | 1048-1257 |
Влажные субтропические леса | 2933-3143 |
Влажные тропические леса | 3352-3562 |
Саванны | 1676-2095 |
Луговые степи | 1676-2095 |
Сухие степи | 629-838 |
Пустыни | 126-210 |
ные почвенные процессы. Структура внутрипочвенных энергетических затрат сложно поддается выявлению, поскольку почвенные процессы тесно переплетены между собой и не всегда представляется возможным дифференцировать их в энергетическом плане. Тем не менее в первом приближении такие работы были проведены. На их основе В.Р. Волобуевым энергетический баланс почвообразования представлен в следующем виде:
Q = wl + w2 + bl + b2 + il + i2 + g + с,
где Q — количество энергии, поступающей в почву за год; w1 и w2 — расход энергии соответственно на физическое и химическое выветривание минералов; b1 и b2 — энергия, расходуемая во внутрипочвенных биохимических реакциях и аккумулируемая в органическом веществе почв; i1 + i2 — энергия, расходуемая на испарение и транспирацию; g — потери энергии в процессах механической миграции солей и суспензий в почвенной толще; с — энергия, расходуемая в процессах теплообмена в системе почва—атмосфера.
Для расчетов энергетического баланса почвообразования в различных гидротермических условиях В.Р. Волобуев воспользовался данными о радиационном балансе, суммарном испарении и транспирации, ежегодном приросте и опаде органической массы и о количестве энергии, затрачиваемой на разрушение кристаллической решетки наиболее распространенных минералов.
Расчеты показали, что расход энергии на эти процессы соотносится следующим образом: (i1 + i2): (b1 + b2); (w1 + w2) = 100:1:0,01, т. е. основная доля энергии, поступающей в почву, тратится на испарение и транспирацию (i1 + i2), приблизительно в сто раз меньшая — на биохимические процессы и превращения органического вещества (b1 + b2) и еще в сто раз меньшая — на выветривание минералов (w1+ w2). Потери энергии g в процессах механической миграции веществ в почвах, связанных с трением, очень невелики.
В связи со столь неравномерным распределением энергии, расходуемой на различные процессы в почвах, и скорость этих процессов существенно различна. Наиболее быстро протекают в почвах процессы испарения и транспирации, они совершаются в течение дней или даже часов. Более медленно осуществляются процессы гумификации и минерализации органических остатков — на протяжении десятков и первых сотен лет. И самые медленные — процессы физического и химического выветривания, на которые расходуется, как было показано, лишь малая доля общей энергии почвообразования. Эти процессы проявляются лишь в многовековом масштабе времени.
Для того чтобы в полной мере оценить значение факторов географической среды в энергетике почвообразования, необходимо правильно понять связь между энергией, поступающей из различных источников, и участием ее в тех или иных процессах, происходящих в почве (в испарении, транспирации, выветривании, гумификации и т. д.).
Если почвы различных ландшафтных зон ранжировать по скорости и степени трансформации материнских пород, по глубине преобразования органических остатков и уровню накопления продуктов почвообразования, то получится ряд, в котором позицию наиболее интенсивного почвообразования займут почвы влажных тропических и субтропических лесов, затем будут следовать почвы саванн и степей, далее — широколиственных и хвойных лесов и на последнем месте окажутся тундровые и пустынные почвы.
Из всего вышесказанного, казалось бы, следует вывод о том, что интенсивность почвообразования, выраженная в почвенных свойствах, должна коррелировать с величиной суммарных энергетических затрат на формирование почв, а они в свою очередь — с количеством притекающей в почвы суммарной энергии, основным источником которой для почв является солнечная радиация. Между тем вышеприведенный ряд почв не представляет собой в полной мере последовательность, в пределах которой четко однонаправлеyо уменьшается суммарная солнечная радиация. Радиационный баланс, например, в субтропических влажных лесах и субтропических пустынях практически одинаков (210—250 кДж/(смг • год)), но почвы этих ландшафтных областей занимают крайне противоположные позиции в рассматриваемом ряду, поскольку первые из них по сравнению со вторыми характеризуются значительно большей развитостью (имеется в виду степень измененное™ исходных пород, особенности превращения органического вещества и т. д.).
В то же время рассматриваемый ряд почв практически полностью отражает различия в получении почвами энергии, поступающей с растительным опадом. От почв влажных тропических и субтропических лесов к почвам пустынь субтропического и умеренного поясов количество этой энергии последовательно уменьшается — от 3000-3500 до 125-210 Дж/(см2 • год).
Объяснение вышесказанного заключается в следующем. Существенно преобладающая часть солнечной энергии, приходящей на поверхность почвенного покрова, преобразуется в тепловую энергию и за ее счет обеспечиваются процессы теплообмена и влагооборота в системе почва—растительность—атмосфера—литосфера. Эта основная доля солнечной энергии, составляющей более 95 % ее общего количества, уходит из почвы в форме тепловой энергии.
В аспекте термодинамических понятий указанное явление означает, что непосредственная лучистая энергия Солнца при почвообразовании практически полностью расходуется на работу системы по преодолению внешних воздействий, т. е. она способствует тому, что почва остается существовать как более или менее стабильная данность — не разрушается, не перегревается, не лишается биоты.
Лишь незначительная часть этой тепловой энергии в результате теплопроводности почв проникает в глубь почвенной толщи и оказывает влияние на реакции химического и физического превращений веществ — минеральных и органических. Так, при повышении температуры увеличивается степень диссоциации воды. Если принять, что при 0 °С она равняется 1,0, то при 10 °С возрастает в 2,7 раза, при 20 °С — в 3,5, а при 35 °С — в 4,5 раза. Диссоциация растворенной в воде углекислоты с повышением температуры также возрастает. Чем больше диссоциация воды и угольной кислоты, тем больше появляется ионов водорода, тем быстрее идет разрушение и растворение минералов. Поэтому в длительно и глубоко прогреваемых почвах с высокой среднегодовой температурой и хорошо увлажненных процессы химического выветривания идут более быстро, чем в почвах холодных и сухих.
Но все же изменения внутреннего состояния системы, т. е. преобразование почвы, ее развитие, происходит главным образом за счет той доли солнечной энергии, которая в преобразованном виде концентрируется в живых растениях и затем с отмершими растительными остатками поступает в почву, увеличивая ее энергетический потенциал.
В процессах разложения и минерализации растительных остатков эта часть энергии тратится на построение органического вещества населяющих почвы гетеротрофных организмов и на биогеохимическое преобразование минеральной части почв. При участии этой энергии разрушаются кристаллические решетки первичных минералов, их замещают вторичные, в том числе так называемые глинистые минералы, с большей энергией кристаллических решеток, чем у первичных минералов, с размерами кристаллов, измеряемыми микронами и долями микронов (степень коллоидального раздробления). Эти новообразованные минералы обладают поэтому большой удельной поверхностью и большой энергией поверхности. Многие вторичные минеральные образования аморфны (гидроксиды железа, алюминия, кремния и др.) и представляют собой коллоидные осадки — гели, также отличающиеся большой энергией поверхности.
Следовательно, ассимилированная при фотосинтезе, а затем затраченная на биогеохимические процессы почвообразования солнечная энергия фиксируется не только в форме гумуса, но и в виде обладающих большим энергетическим запасом вторичных минеральных соединений, образующих коллоидальную часть почвы и, как будет показано далее, имеющих очень большое значение во всех почвенных процессах.
Поскольку непременным условием жизни растений (и вообще организмов) кроме наличия тепла является наличие влаги, то существует определенная связь между, с одной стороны, биопродуктивностью и поступлением в почву энергии органического вещества и с другой — соотношением тепла и влаги. Так, в одинаковой термической обстановке при повышении увлажненности территории больше тратится энергии на испарение и транспирацию, но и более полно солнечная энергия утилизируется растительностью, а она в свою очередь опосредованно (через опад) энергетически активизирует биогеохимические процессы почвообразования. Установлено, что при достаточно высокой относительной увлажненности почв доля энергии, затрачиваемой на фотосинтез и биологический круговорот, с увеличением радиационного баланса существенно возрастает — от 0,5 до 4 % и более от общей энергии почвообразования. А при низком уровне увлажненности и дефиците влаги она остается практически постоянно незначительной независимо от величины прихода суммарной солнечной радиации. Следовательно, чем меньше увлажнение, тем менее значительны различия во внутренней энергии почвообразования в различных термических поясах. Они минимальны в пустынях (тропических и полярных), так как отсутствие влаги лимитирует все биогеохимические процессы независимо от количества поступающей солнечной энергии.
В пределах одного и того же термического пояса энергия почвообразования увеличивается от аридных областей к влажным. Особенно велики различия в этом плане на территориях с высокими значениями радиационного баланса. Так, при значениях R = 300—380 кДж/(см2 • год) энергия почвообразования возрастает от аридных областей к гумидным от 20 до 270 кДжДсм2 • год). В более холодных поясах Земли различия между аридными и гумидными областями постепенно сглаживаются, так как здесь лимитирующим фактором является не столько увлажнение, сколько повсеместно господствующие низкие температуры.
Сказанное можно кратко сформулировать следующим образом. Энергия почвообразования, а следовательно, и скорость почвообразовательных процессов наиболее высоки во влажных и теплых областях и наиболее низки в сухих и холодных.
Представление о затратах энергии на почвообразование в различных ландшафтах дает табл. 2.3. Кроме того, в ней приводятся данные о запасах энергии в гумусе и в растительном покрове. Соотношения между приведенными показателями (затраты энергии, запасы энергии в гумусе и в растительном веществе) неодинаковы в почвах различных ландшафтов. Как можно заметить, почвы пустынь и сухих степей характеризуются минимальными энергетическими затратами на почвообразование и малыми запасами энергии в гумусе и живой биомассе. Почвы степей отличаются умеренными затратами энергии и наибольшим ее количеством, аккумулированным в гумусе. Причем запасы энергии в гумусе превышают ее запасы в живой травянистой массе. В лесных почвах, напротив, запасы энергии в живом веществе заметно превышают ее запасы в гумусе. Обращает на себя внимание, что запасы энергии в гумусе разных типов почв не пропорциональны затратам энергии на почвообразование. Это объясняется тем, что часть поступающей в почвы энергии аккумулируется не в гумусе и не в живом веществе, а в кристал-
Таблица 2.3
Затраты энергии на почвообразование (Дж/(см2 . год)) и запасы энергии (Дж) в гумусе и растительном веществе в призме почвы сечением 1 см2 (по В.Р. Волобуеву)
Ландшафтная зона и типы почв | Затраты энергии | Запасы энергии в гумусе в слое, см | Запасы энергии в расти тельном веществе | |
Дж/(см2 . год) | 0-20 | 0-100 | ||
Полупустыня, сероземы | 33 520 | 5 028 | 14 246 | 3 143 |
Сухая степь, каштановые почвы | 12 151 | 36 034 | 6 285 | |
Степь, черноземы | 62 850 | 96 370 | ||
Южная тайга, дерново-подзолистые почвы | 22 626 | 59 708 | ||
Широколиственные леса, буроземы | 125 000 | 22 626 | 49 422 | — |
Субтропические леса, желтоземы, красноземы | ||||
Ксерофитные субтропические леса, коричневые почвы | 125 000 | 26 816 | 64 107 | — |
лических решетках вновь образовавшихся в почве вторичных минералов. Особенно в этом плане выделяются почвы влажных субтропических лесов.
Итак, оценивая значение географических факторов в энергетике почвообразования, следует выделить два фактора — климатический и биологический. Составляющая климатического фактора — солнечная радиация — является энергетическим первоисточником практически для всех явлений почвообразования. Благодаря биологическому фактору определенная часть солнечной энергии преобразуется в органическом веществе в энергию химических связей, ее поступление в почвенную толщу всегда сопровождается повышением внутреннего энергетического запаса почв и решающим образом сказывается на интенсивности почвообразования. Приток в почву энергии, связанной с геологическим фактором, очень мал. Геоморфологический фактор в основном перераспределяет энергетические ресурсы. Географическая оценка вклада географических факторов в материальную основу почвообразования показана на рис. 5.1.
Дата добавления: 2015-06-27; просмотров: 2223;