Глава 2 значение географических факторов в энергетике почвообразования

Многообразие почв на земной поверхности в значительной мере связано с различным количеством энергии, поступающей в почвы. Энергетические поступления регулируют активность почвенной биоты, направленность и интенсивность трансформации минеральной части, процессы преобразования органического вещества, а также характер радиального и латерального внутри почвенного передвиже­ния влаги с растворенными в ней соединениями.

Какие из географических факторов обеспечивают энергетичес­кие потребности почв? Мощным энергетическим источником поч­вообразования является солнечная энергия. Она приходит в виде прямых радиационных потоков на земную поверхность, где транс­формируется в тепловую и другие виды энергии. Почва получает солнечную энергию и опосредованным путем — от атмосферных воздушных масс, которые перемещают тепло, накапливающееся при преобразовании лучистой энергии Солнца. Обогащение почвы энер­гией происходит при отмирании организмов (прежде всего расти­тельных). В мертвых растительных остатках заключена солнечная энергия, связанная при фотосинтезе. Энергия в почву притекает также из глубоких слоев литосферы — либо в результате теплообме­на, либо с различными летучими веществами, например углеводо­родами. Кроме того, с выделением энергии связан распад радиоак­тивных элементов, которые в небольших количествах, но всегда содержатся в почвах. Таким образом, климатический, биологичес­кий и геологический факторы поставляют в почвы то или иное ко­личество энергии. Геоморфологический фактор непосредственно в этом не участвует, с ним связано только перераспределение энер­гии по поверхности почвенного покрова.

Каков же количественный вклад географических факторов в энергетику почвообразования? Как установлено, тепло земных недр, оказывающее влияние на почвенную толщу, в энергетическом вы­ражении в несколько тысяч раз меньше энергии Солнца, приходя­щей на земную поверхность. Также относительно мала радиоак­тивная энергия почвенных минералов. Больший приток энергии в почвы обеспечивается биологическим фактором, но и этот энерге­тический источник значительно уступает в количественном отно­шении непосредственной лучистой энергии Солнца, оказывающей воздействие на почвенный покров. Иными словами, именно пря­мая солнечная радиация вносит максимальный вклад в энергетику почвообразования.

Количество солнечной энергии, участвующей в почвообразова­нии, существенным образом изменяется по географическим поясам Земли. Об этом свидетельствуют величины радиационного баланса R, который представляет собой разность между количеством сол­нечной энергии, поступающей на земную поверхность, и количе­ством энергии, расходуемой на отражение и лучеиспускание. Соответствующие расчеты, сделанные М.А. Будыко и А.А. Григорьевым, приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Количество солнечной энергии, участвующей в почвообразовании

Географические пояса	Радиационный баланс, кДж/(см2 - год)
Полярные	0-42
Субполярные	42-84
Умеренные	84-210
Субтропические	210-251
Тропические	251-293
Субэкваториальные	293-335
Экваториальный	335-419

Как видно из табл. 2.1, радиационный баланс, а следовательно, и количество энергии, влияющей на почвообразование, различают­ся по географическим поясам в десятки, а в крайних значениях — в сотни раз.

Определенная часть энергии климатического фактора (солнеч­ной энергии) передается биологическому фактору. Это происходит при фотосинтезе, на который идет от 0,5 до 5 % поступающей сол­нечной энергии. В основном она расходуется на различные цикли­ческие биохимические процессы, протекающие в живых зеленых растениях. Но некоторая ее доля фиксируется в органическом ве­ществе и после отмирания растений поступает в почву.

Количество энергии, приходящей в почву с органическими остат­ками, можно рассчитать на основании данных о величине ежегодного опада и калорийности органических остатков. В табл. 2.2 приводятся средние данные по количеству энергии, поступающей ежегодно с опадом в толщу наиболее типичных почв различных ландшафтных зон.

Данные в табл. 2.2 показывают существенные различия в коли­честве поступающей в почвы с растительным опадом энергии при сравнении основных зональных типов фитоценозов. В крайних зна­чениях количество энергии различается в 20 раз и более, а для со­седних зон — примерно в 2 раза.

Важной задачей для понимания энергетики почвообразования является определение количества энергии, расходуемой на различ-

Таблица 2.2

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 = w_l + w₂ + b_l + b₂ + i_l + 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	50280	12 151	36 034	6 285
Степь, черноземы	62 850	30168	96 370	10475
Южная тайга, дерново-подзолистые почвы	41900	16341	22 626	59 708
Широколиственные леса, буроземы	125 000	22 626	49 422	—
Субтропические леса, желтоземы, красноземы	171790	19693	40643	298538
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.