Pochvovedenie_Kovda_chast1

20.2. Приходные и расходные статьи баланса

К приходным статьям баланса почвы относятся: 1) приход углерода, азота и зольных элементов с опадом и отпадом расте­ ний и животных; 2) приход тех же элементов с корневыми выделениями и «подкроновыми» водами; 3) приход азота из ат­ мосферы за счет деятельности азотфиксирующих микроорганиз­ мов; 4) приток веществ с атмосферными осадками; 5) приход веществ с эоловой пылью; 6) поступление веществ с твердым поверхностным стоком; 7) поступление веществ с жидким по-

Рис 78 Элементы баланса веществ в тундрово-глеевой (A), дерново-подзолис-

368

верхностным стоком; 8) приток веществ с боковым внутрипочвенным стоком; 9) приток веществ с капиллярной каймой почвенно-грунтовых вод; 10) поступление веществ с удобрения­ ми, мелиорантами, оросительной водой и т. д.

Расходные статьи баланса почвы представляют: 1) вовлече­ ние азота и зольных элементов растениями на создание еже­ годного прироста; 2) потеря углерода при минерализации рас­ тительного опала и гумуса; 3) потеря азота за счет денитри­ фикации; 4) вымывание вещества нисходящим током воды за пределы почвенного профиля — в почвенно-грунтовые воды; 5) вынос веществ боковым внутрипочвенным током; 6) вынос веществ поверхностным твердым стоком; 7) вынос веществ с по­ верхностным жидким стоком; 8) потеря веществ за счет дефля­ ции; 9) вынос азота и минеральных элементов с урожаем сельскохозяйственных растений, сеном, древесиной и т. п.

20.3.Роль биоклиматических условий

игеохимического сопряжения почв в балансе

веществ

Баланс веществ определяется биоклиматическими условиями и положением почв в системе сопряженных геохимических ландшафтов.

Как приходные, так и расходные статьи баланса в почвах

тынях составляет менее 1 тыс. кг/га, а в лесах влажнотропического климата — более 14 тыс. кг/га; приход азота путем азотфиксации в различных природных зонах колеблется от 10 до

На рис. 78 показана роль живого вещества в балансе ве­ ществ при почвообразовании. Количество элементов, захвачен­ ных растениями в биологический круговорот и возвращаемых ими почве, в среднем на порядок больше по сравнению с тем ко­ личеством химических элементов, которое поступает в почву и удаляется из нее абиогенным путем. Так, в черноземе обыкно­ венном поступление и вынос биогенного углерода суммарно со­ ставляют более 14 тыс. кг/(га•год), а поступление химических элементов с атмосферными осадками, вынос их с поверхностным

Баланс веществ при почвообразовании определяется не толь­ ко биоклиматическими условиями, но и положением почв в рель­ ефе в соответствии с закономерностями геохимического сопря­ жения. Баланс веществ в почве зависит от того, в каком эле­ ментарном геохимическом ландшафте формируется почва (рис. 79).

ка, ветром, вулканическими извержениями. При этом форми­ руются такие почвы абсолютного аккумулятивного баланса ве­ ществ (механическая аккумуляция), как пойменные, намытые вулканические, навеянные.

При относительной аккумуляции происходит обогащение верхней части профиля почвы минеральными биофильными эле­ ментами вследствие перекачки этих элементов растениями из всей почвенной толщи в верхние горизонты, хотя почва в целом никаких веществ не накапливает. Корни растений берут мине­ ральные элементы из большой массы почвы на разных, иногда больших глубинах (2—3, до 5—10 м). Большая часть этих эле­ ментов при отмирании растений поступает на поверхность поч­ вы, накапливаясь в лесной подстилке, в верхних горизонтах. Здесь они удерживаются благодаря закреплению в составе гу­ муса, микроорганизмов, на поверхности тонких частиц. Относи­ тельная аккумуляция веществ обусловлена избирательной спо­ собностью растений. О степени относительной аккумуляции раз­ личных химических элементов можно судить по коэффициенту биологического поглощения Ах, вычисляемого по формуле

Подобный коэффициент можно вычислять и по отношению к кларкам элементов. Наиболее велики коэффициенты биологиче­ ского поглощения таких минеральных элементов, как Р, S(l00n), Са, К, Mg (10n), Mn, Cu, Mo (n). Низкие коэффициенты погло­ щения у Si, Al, Fe, Ti, V (0,1n—0,001n) (А. И. Перельман, 1975).

При остаточной аккумуляции относительно накапливаются в почве вещества, остающиеся на месте при выносе других, более подвижных компонентов.

Отрицательный баланс веществ обусловлен превышением уровня выноса веществ над их приносом. На земном шаре не существует почв, в которых баланс складывался бы только из расходных статей. Поступление веществ с атмосферными осадка­ ми, пылью носит глобальный характер. Положительна всегда и биогенная аккумуляция. Однако в гумидных областях, а осо­ бенно на горных эродируемых склонах, принос веществ ука­ занными агентами далеко не компенсирует вынос их поверх­ ностным или внутрипочвенным нисходящим током. В этих усло­ виях баланс веществ является отрицательным.

Обеднение почв веществами может быть общепрофильным и частичным. Общепрофильное обеднение обозначает те случаи, когда вся почвенная толща обедняется какими-либо компонен­ тами, как, например, профиль подзолистой почвы катионами. Частичное обеднение — это уменьшение содержания определен­ ных компонентов лишь в верхних горизонтах без обеднения почвенного профиля в целом. Подобный баланс складывается

при нескомпенсированном выносе каких-либо веществ из верхних горизонтов в нижние, как это бывает в аридных почвах при выносе легкорастворимых солей на некоторую глубину

Нулевой баланс свойствен почвам, в которых вынос и приток веществ скомпенсированы.

20.5. Водный баланс почв

Баланс веществ в почве в значительной степени определяется водным балансом, поскольку вода — основной агент миграции веществ.

По А. А. Роде, водный баланс почвы за какой-то период выра­ жается в общей форме следующим уравнением:

М1 = М0 + (R + К + GW) - (Т + Е + FS + Fl + FG), (92)

где M1 — запас воды в почвенной толще в конце изучаемого периода; М0 — запас воды в почвенной толще в начале изу­ чаемого периода; R — сумма атмосферных осадков, К — конден­ сация влаги; GW — количество влаги, поступившее в почву из грунтовых вод (грунтовое питание, грунтовый приток); Т — транспирация; Е — физическое испарение; FS — поверхностный сток; Fl — внутрипочвенный боковой сток; FG — грунтовый сток; все величины выражены в мм или м3/га.

Водный баланс можно составить для любого периода, но чаще всего пользуются годовым балансом. В зависимости от из­ менения погоды значения водного баланса из года в год доволь­ но сильно меняются, и запас воды в почве в конце каждого кон­

372

Рис. 80. Схемы водного баланса при промывном (А), непромывном (Б) и выпотном (В) типах водного режима (А. А. Роде, 1965):

1 – испарение с растительной поверхности; 2 – поверхностный сток; 3 – испарение с поверхности почвы; 4 – внутрипочвенный сток, 5 – десукция; 6 – грунтовый сток

В водном балансе почвы большую роль играет баланс грун­ товых вод. Учение о водном балансе грунтовых вод получило развитие особенно в связи с тем, что в условиях орошаемого земледелия поддержание определенного водного баланса являет­ ся задачей первостепенной важности.

Три основных вида баланса грунтовых вод характеризуются следующими простейшими соотношениями:

хода. В первом случае запас и уровень грунтовых вод остается постоянным, во втором он повышается, в третьем — понижается.

Составные элементы питания грунтовых вод в естественных

К ним добавляются другие компоненты, связанные с ирригацией и (или) дренажем.

Важнейшие составные элементы расхода грунтовых вод сле­ дующие: Qgw — боковой отток грунтовых вод; Qt — транспирация растительностью; Qе — испарение через почву.

Таким образом, пренебрегая некоторыми малозначимыми статьями прихода и расхода (конденсация, адсорбирование, кор­ невые выделения и др.), баланс грунтовых вод в естественных условиях можно выразить следующим образом:

Динамика запасов грунтовых вод зависит от соотношения между приходными и расходными статьями, а динамика их химиз-

373

ма — от соотношения между значениями оттока, транспирации и испарения.

Определение водного баланса — очень трудоемкая задача. Она решается путем стационарных исследований с установлением абсолютных значений всех членов балансовых уравнений. Зная химический состав вод разных потоков, можно определить ба­ ланс веществ, поступающих в почву и теряемых ею в течение некоторого периода времени с током природных вод.

20.6. Типизация баланса веществ в зависимости от водного режима почв

Поскольку водный режим и водный баланс являются регу­ ляторами баланса веществ в почвах, это послужило основой для рассмотрения типов баланса веществ в связи с водным режимом почв (В. А. Ковда, 1973). Соответственно выделяются следующие типы баланса веществ: резкоотрицательный, отрицательный, уравновешенный, переменный, положительный, накопительный.

Резкоотрицательный баланс веществ обеспечивается эрозион- но-промывным (по В. А Ковде, 1973) водным режимом. Этот тип баланса характерен для склонов холмистых и горных районов, для распаханных склонов равнинных территорий, не имеющих противоэрозионной защиты. Баланс веществ этого типа, обуслов­ ленный миграцией воды, можно выразить формулой

где S — количество веществ в конце балансового периода; S0 — количество веществ в начале балансового периода; R — вещест­ ва атмосферных осадков; FSS — поверхностный сток растворен­ ного материала; FSM — поверхностный сток твердого материала; FL — внутрипочвенный боковой сток. Сухие эоловые выпадения при этом не учитываются, но при необходимости может быть добавлен еще один член уравнения в его приходной части.

Отрицательный баланс обеспечивается промывным водным режимом (рис. 80, A). Абсолютные значения отрицательного баланса меньше, чем в предыдущем случае. Это баланс почв, фор­ мирующихся на дренированных плато и равнинах с глубокими грунтовыми водами.

В почвах развивается процесс выщелачивания, выноса более или менее растворимых и геохимически подвижных продуктов выветривания и почвообразования. Процесс выщелачивания тем больше, чем в большей степени при прочих равных условиях (температурный режим, степень дренированности и т. п.) коли­ чество осадков преобладает над испаряемостью. Баланс веществ в данном случае выражается формулой

где In — нисходящий сток (инфильтрация).

374

Если при отрицательном балансе преобладающее значение среди расходных статей имеет вынос веществ нисходящим и боковым, а не поверхностным током влаги, то наблюдаются промывной режим и выщелачивание почв. Под влиянием этого типа баланса веществ под пологом леса сформировались такие почвы, как ферраллитные влажных тропиков, красноземы и желтоземы, подзолы и другие типы почв, формирующиеся во влажных климатах всех термических поясов под лесом.

Уравновешенный баланс веществ складывается при непро­ мывном водном режиме. В условиях полуаридного и аридного климатов, когда уровень грунтовых вод лежит глубже 7 м, при­ ходными статьями баланса веществ в почвах, обусловленного миграцией воды, могут быть атмосферные осадки. Вынос веществ из почвы может осуществляться только путем поверхностного и бокового стоков, так как нисходящий ток воды не глубок и выно­ са веществ за пределы почвенного профиля не происходит. В понижениях рельефа возможен незначительный принос ве­

В условиях уравновешенного баланса веществ формируются такие почвы, как степные черноземы, каштановые, бурые полу­ пустынные почвы, сероземы.

Переменный баланс веществ складывается в почвах влаж­ ного климата, расположенных на равнинах или в понижениях рельефа с близким (1—3 м) уровнем слабоотточных грунтовых вод. В таких почвах в годовом цикле нисходящий ток воды, достигающий весной уровня грунтовых вод, летом сменяется процессом их аккумуляции. В зависимости от конкретного соот­ ношения привнесенных и вынесенных из почвы веществ баланс их может быть нулевым, положительным или отрицательным. Примером такого типа вещественного баланса может быть годо­ вой баланс в черноземно-луговых почвах лесостепи, формирую­

375

20.7Изменение баланса биофильных элементов

впочвах под влиянием земледельческого

использования

Вовлечение почвы в сельскохозяйственное пользование резко меняет баланс веществ. Особенно велико влияние земледелия.

зультате смены естественных биоценозов агроценозами. Биологи­ ческий круговорот становится разомкнутым за счет отчужде­ ния и хозяйственного использования части ежегодно синтези­ руемого органического вещества. В почву поступает значительно меньше углерода, захваченного растениями из атмосферы, из нее выносится с урожаем большое количество N, Р, К, Са, Mg, S и других биофильных элементов. По подсчетам А. А. Титляповой (1982), в лесных экосистемах холодного и умеренного климата количество опада составляет 8—12 т/га в год, в травяных эко­ системах — в среднем 20 т/га, в агроценозах — только 3—8 т/га в год;

2) в почву вводятся биофильные элементы в виде удобрений и мелиорантов, а в случае орошения в виде веществ, растворен­ ных и взвешенных в оросительных водах;

3)распаханные почвы теряют вещества из-за развития по­ верхностного стока, плоскостной и линейной эрозии;

4)в первые десятилетия после распашки почва утрачивает значительную часть углерода вследствие минерализации лесных подстилок, степного войлока и гумуса. В атмосферу поступает дополнительное количество углерода в форме СO2 ;

5)осушение и орошение изменяют водный баланс почв и вместе с тем баланс всех химических элементов.

При распашке степных и лесных экосистем изменения в ха­ рактере биологического круговорота носят различный характер. Так, при сведении хвойных и широколиственных лесов и введении

севооборота при урожаях сельскохозяйственных культур средне­ го уровня ежегодный синтез органического вещества увеличи­ вается в 1,5-2 раза. При распашке луговой степи вовлечение углерода в круговорот сокращается в 1,5 раза. Поступление же биогенного углерода в почвы с растительными остатками во всех случаях сокращается. Причина этого — отчуждение большей части (60—70%) органического вещества, синтезированного сельскохозяйственными растениями.

Резкое уменьшение приходной статьи в балансе органиче­ ского вещества черноземов обусловливает обеднение черноземов гумусом. Кроме того, изменение условий разложения и комплек­ са организмов, ответственных за разложение и гумификацию растительных остатков и минерализацию гумуса, усиление минерализационных процессов также способствуют снижению содер­ жания органического вещества черноземов. Сравнение Карты

377