Поиск

Энергетический баланс почвообразования
28.10.2015

Ранее мы рассмотрели преимущественно те параметры первого уравнения термодинамики, которые связаны с изменением внутренней энергии почв, т. е. соотношение

Энергетический баланс почвообразования

которое показывает, что изменения внутренней энергии почв в процессе их образования из материнских горных пород и последующей эволюции связаны преимущественно с притоком или оттоком энергии в процессе массообмена.
Два других параметра первого уравнения термодинамики связаны с собственно работой почвообразовательного процесса в ходе развития почвы из материнской горной породы и ее дальнейшей эволюции согласно соотношению δQ~δА.
Это соотношение подробно рассмотрено В.Р. Волобуевым, который назвал его «энергетическим балансом почвообразования». Согласно Волобуеву, энергетический баланс почвообразования можно представить в общем виде:
Энергетический баланс почвообразования

где Q — количество энергии, участвующей в почвообразовании; W1 — энергия, участвующая в явлениях физического выветривания; W2 — энергия разложения минералов в процессе выветривания; b1 — энергия, аккумулируемая в гумусовом веществе; b2 — энергия, расходуемая в биологических реакциях преобразования органических и минеральных веществ; i1 — энергия, расходуемая на испарение с поверхности почв и растений; i2 —энергия, расходуемая в процессе транспирации; g — потери энергии в процессах механической миграции солей и мелкозема в почве; v — энергия, расходуемая в процессе теплообмена в системе почва — атмосфера (в годовом балансе в большинстве случаев равна нулю, но в отдельных случаях составляет заметную величину).
В качестве наиболее значимых затрат энергии в почвообразовании Волобуев выделяет затраты энергии в биологических процессах превращения веществ, в процессах физического и химического выветривания, в процессах водно-теплового круговорота, а также энергию, расходуемую в явлениях миграции веществ по почвенному профилю.
Волобуев придерживается мнения, что источником энергии почвообразования служит солнечная энергия, достигающая земной поверхности и определяемая как радиационный баланс земной поверхности R. Количество тепла, приходящее к земной поверхности из недр земного шара, по сравнению с солнечной энергией ничтожно мало и может не приниматься во внимание (55 кал/см2 в год, по данным Хргиана). Как видно, здесь речь идет о поступлении прежде всего тепловой энергии, т. е. о параметре оQ. Поступление энергии в процессе массообмена при этом не рассматривается.
Что касается составляющих уравнения (32), то отдельные виды энергетических затрат в процессе совершения работы почвообразовательного процесса оцениваются В. Р. Волобуевым следующим образом.
Оценка энергетических затрат на минеральные преобразования в процессе выветривания (W1+W2) дается на основании представлений об энергетике разложения силикатов, с одной стороны, и о темпах накопления компонентной влаги при почвообразовании — с другой. Последняя величина закономерно изменяется от 0,06 до 1,17 мм в год (от сухих до влажных условий).
Приняв, что на разрушение силикатных минералов расходуется примерно 40 ккал/моль, можно найти, что на каждый грамм воды, участвующей в реакциях выветривания, приходится 280 кал связанной энергии. Отсюда делается расчет затрат энергии на выветривание во влажных тропиках, где оно идет до конечных продуктов, а для более холодных условий используется правило Вант-Гоффа, согласно которому скорость химических реакций понижается вдвое при уменьшении температуры на каждые 10°С. Полученные данные свидетельствуют об относительно небольшой величине ежегодных необратимых затрат энергии на минеральные преобразования — примерно от 0,2—0,5 кал/см2 ,в год в условиях тундр и пустынь до 10—15 кал/см2 в год для влажных тропиков.
Прямые данные о суммарных затратах энергии на биологические процессы в почвах (b1+b2) отсутствуют. Косвенным путем Волобуев определяет их, принимая во внимание накопление биомассы за год на единице почвенной поверхности. Расчет количества энергии, аккумулируемой в массе ежегодного прироста биомассы, делается на основе общего уравнения фотосинтеза, согласно которому на образование 1 г продукта фотосинтеза затрачивается 3,75 ккал солнечной энергии. Согласно такому расчету, затраты энергии на ежегодную продукцию биомассы колеблются от 2,5—25 кал/см2 в год в тундрах и пустынях умеренных широт до >2000 кал/см2 в год во влажнотропических лесах.
Указанные количества энергии в значительной части участвуют в циклических процессах синтеза и разложения и лишь в небольшой доле закрепляются в приросте органического вещества в почве. При этом нельзя учесть, конечно, сколько энергии участвовало в биологических процессах в целом.
Суммарное испарение (испарение плюс транспирация) воды из почвы закономерно изменяется от менее 50 мм в год в тундрах и пустынях до 1100 мм в год во влажных тропиках. Соответственно в тундрах и пустынях расход энергии на суммарное испарение (i1+i2) составляет менее 3000—6000 кал/см2 в год; максимальный расход тепла на суммарное испарение отмечен для влажных тропиков — более 60 000 кал/см2 в год.
В отношении затрат энергии на миграцию веществ (g) прямых данных также нет, но В. Р. Волобуев считает, что при величине внутрипочвенного стока порядка 250 м3/га, возможного в условиях достаточного увлажнения, и перемещении вещества на 2 м в глубь почвы потеря энергии составит около 2 кал/см2 в год. В сумме этот расход энергии может быть достаточно большим, по в ежегодном балансе он мал и соизмерим со столь же малыми затратами на выветривание.
Подводя итог, можно сказать, что суммарные затраты энергии на почвообразование наименьшие в тундрах и пустынях (2—5 ккал/см2 в год) и наибольшие во влажных тропиках (60—70 ккал/см2 в год). Для лесного почвообразования в умеренных широтах и для степей суммарные затраты энергии будут около 10—40 ккал/см2 в год. Судя по этим данным, интенсивность почвообразования во влажнотропических условиях примерно в 7 раз выше, чем в тропических пустынях; затраты энергии на почвообразование в условиях высокого увлажнения возрастают в направлении от тундр к тропикам более чем в 20 раз.
Подавляющая часть затрат тепловой энергии на почвообразование расходуется на испарение и транспирацию воды (от 95 до 99,5%). На долю циклических биологических процессов приходится от 0,5 до 5%, в большинстве случаев около I % всей тепловой энергии почвообразования. На разложение минералов при выветривании идут тысячные и сотые доли процента всей тепловой энергии почвообразования. В.Р. Волобуев считал, что в самом общем виде относительные размеры затрат тепловой энергии в процессе почвообразования на суммарное испарение, циклические биологические процессы и необратимые реакции разложения минералов находятся в отношениях 100:1:0,01.
При всех этих расчетах принимается, что величина левой части уравнения баланса (32) определяется соотношением Q = aR, которое мы рассмотрели выше.
Оценивая в целом «энергетический баланс почвообразования», выраженный уравнением (32), мы должны помнить, что хотя он и дает определенные представления об энергетике почвообразовательного процесса, тем не менее это лишь один из компонентов общего энергетического баланса почв, так как здесь не учтена энергетика массообмена и баланс внутренней энергии почв, учет которых необходим согласно уравнению первого закона термодинамики. Полный анализ энергетического баланса почв — дело будущего, сейчас мы имели возможность лишь приближенно рассмотреть отдельные составляющие его элементы.