Глава 4. ЭНЕРГЕТИКА ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ

М.А. Глазовская

Смотрите также:

Почва и почвообразование

Почвоведение. Типы почв

Фитоценология - геоботаника

Химия почвы

Книги Докучаева

Происхождение жизни

Геология

Основы геологии

Геолог Ферсман

Черви и почвообразование

Дождевые черви

Вернадский. Биосфера

Геохимия - химия земли

Минералогия

Земледелие. Агрохимия почвы

Справочник агронома

Происхождение растений

Ботаника

Биология

Эволюция биосферы

Земледелие

Геоботаника

Биографии биологов, почвоведов

Эволюция

Типы температурного режима почв

Скорость процессов почвообразования на земной поверхности весьма различна и связана с различным количеством поступающей в почвы энергии. Главный энергетический источник почвоообразования — солнечная энергия. По сравнению с этим источником энергия, притекающая в почвы из более глубоких частей литосферы, а также энергия радиоактивного распада составляют малозаметную долю. Количество солнечной энергии, которое получают почвы, как и количество энергии, которое почвы теряют в процессе теплообмена с атмосферой, периодически изменяется в течение суток и по сезонам года.

Это изменение отражается в ритмическом изменении температуры почвы. В суточном цикле с восхода солнца и до 14 ч почва нагревается, затем она постепенно начинает охлаждаться. Максимальное охлаждение наблюдается около 4—5 ч ночи. В годовом цикле почва нагревается с первых месяцев весны до середины лета, затем постепенно охлаждается. Минимум температуры отмечается в последний месяц зимнего периода. Суточные колебания температур проявляются до глубины немногим более 50 см. Наибольшая амплитуда отмечается у поверхности почвы. Годовые колебания температур распространяются на глубину до 14 м (наиболее резкие до 3,5 м). На распространение тепла в почвенной толще требуется некоторое время, обусловленное теплопроводностью почвенной массы, поэтому как максимальные, так и минимальные температуры на разных глубинах наступают не одновременно. С глубиной наблюдается все большее запаздывание соответствующих температур по сравнению с поверхностью почвы примерно на месяц.

В высоких и умеренных широтах годовые амплитуды значительно превышают суточные, и почвы большее или меньшее время находятся в мерзлом состоянии. В тропических и экваториальных широтах температуры почв всегда положительные, и годовые амплитуды часто менее значительны, чем суточные. В. Н. Димо (1968) выделяет четыре типа температурного режима почв СССР. В основу выделения типов она положила интенсивность процессов промерзания почв.

Тип первый — мерзлотный. Характерен для почв с вечной мерзлотой. В холодный период почва промерзает до горизонта вечной мерзлоты. В теплый период нагревание почвы сопровождается про- таиванием сезонно-мерзлого слоя. Среднегодовая температура почвы и температура на глубине 0,2 м самого холодного месяца — отрицательные ().

Тип второй — длительно сезонно-промерзающий. Охлаждение почвы сопровождается промерзанием. Длительность промерзания не менее 5 месяцев, глубина проникновения отрицательных температур превышает 1 м. Прогревание почвы в начальной стадии сопровождается оттаиванием. Среднегодовая температура почвы обычно положительная, на глубине 0,2 м самого холодного месяца— отрицательная (11).

Тип третий — сезонно-промерзающий. Охлаждение сопровождается промерзанием. Длительность промерзания от нескольких дней до 5 месяцев. Среднегодовая температура положительная. На глубине 0,2 м самого холодного месяца — отрицательная. Нагревание вначале сопровождается протаиванием (рис. 12).

Тип четвертый — непромерзающий. Промерзание почв не наблюдается. Отрицательные температуры отсутствуют или наблюдаются всего лишь несколько дней. Температура на глубине 0,2 м самого холодного месяца положительная (13).

Вне пределов СССР в более низких широтах могут быть выделены по крайней мере еще два типа температурного режима почв.

Тип пятый — постоянно теплый, или постоянной биологической активности почв. Температуры самого холодного месяца во всей толще почвы не опускаются ниже 10° С.

Тип шестой — постоянно жаркий. Суточные амплитуды температур превышают годовые амплитуды, а среднегодовая температура почв на глубине 0,2 м не опускается ниже 20° С.

Сопоставление температуры почв на глубине 0,2 м и температуры приземного слоя воздуха, а также активных температур почв и воздуха (т. е. суммы среднесуточных температур >10° С) по биоклиматическим областям СССР выявляет следующие закономерности.

В полярном и бореальном поясах температуры почвы в теплое время года равны или ниже температуры воздуха. В зимнее время почва теплее, чем приземная атмосфера. В суббореальном и особенно в субтропическом поясах температура почв летом выше, чем температура приземной атмосферы. В пределах одного и того же пояса амплитуда температур почв и воздуха самого теплого и самого холодного месяцев увеличивается с запада на восток в связи с нарастанием степени континентальности климата. Сумма активных температур и в почвах, и в воздухе очень низкая в полярном поясе. В бореальном поясе она увеличивается в 10 раз и более.

В суббореальном поясе по сравнению с бореальным суммы активных температур возрастают более чем в 2 раза. Наиболее высоки они в субтропическом поясе, особенно в пустынно-степных и пустынных областях. С севера на юг увеличивается и показатель прогреваемости почв. Для выращивания и созревания определенных культур необходимы определенные запасы тепла, поэтому сумма активных температур почв и воздуха — одна из важных агроклиматических характеристик.

Соотношение энергии, расходуемой на различные почвенные процессы. Вопросы энергетики почвообразования освещены в ряде работ В. Р. Волобуева (1958, 1960).

Количество солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли, так же как и радиационный баланс, складывающийся из разности поступающей солнечной энергии и количества энергии.

Таким образом, общее количество энергии, участвующей в почвообразовании, изменяется по географическим поясам в десятки раз, а в крайних значениях почти в 100 раз.

Энергия, притекающая к поверхности Земли, расходуется на различные процессы. Основная часть энергии (более 95%) идет на суммарное испарение. Значительно меньшая часть энергии (0,5—5,0%) затрачивается на фотосинтез и после отмирания растений попадает в почву. В процессе разложения и минерализации органического вещества эта часть энергии трансформируется в тепловую и химическую, расходуется на построение органического вещества населяющих почвы гетеротрофных организмов, на процессы биохимического выветривания и синтеза вторичных минералов.

Количество энергии, поступившей в почвы с органическими остатками и далее расходуемой в циклических биохимических процессах, можно рассчитать на основании данных о количестве ежегодного опада и калорийности органических остатков. Известно, что на построение 1 г органического вещества зеленых растений затрачиваетя 15,7 кДж энергии. Ниже приводятся средние данные по количеству энергии, поступающей ежегодно с опадом и расходуемой в биохимических процессах.

Количество энергии, поступающей с опадом,

Типы растительности и почв         кДж/см2 ■ год

Арктические тундры, аркто-тундровые почвы . .            126—168

Кустарничковые тундры, тундровые почвы . . .   251—335

Хвойные леса, подзолистые почвы                       419—838

Широколиственные леса, серые лесные почвы . .           1048—1257 Влажные субтропические леса, красноземы, 'желтоземы                         2933—3143

Влажные тропические леса, красно-желтые феррал-

литные почвы                       3352—3562

Саванны, красные ферритные почвы                    1676—2095

Луговые степи, черноземовидиые почвы, черноземы    1676—2095

Сухие степи, каштановые почвы               629—838

Пустыни, серо-бурые почвы                      126—210

Приведенные данные показывают существенные различия в количестве поступающей в почвы с растительным опадом энергии в основных зональных типах растительности. В крайних значениях количество энергии различается более чем в 20 раз, а для соседних зон примерно в два раза. Это, естественно, сказывается на скорости биохимических процессов в почвах.

Наиболее быстро все процессы идут DO влажных субтропических и тропических лесах, несколько медленнее в саваннах и степях, еще' медленнее в широколиственных и хвойных лесах и особенно медленно в тундрах и пустынях.

Ежегодное поступление, быстрый переход энергии биохимических процессов в другие, весьма действенные формы энергии, длительное течение процесса почвообразования (несколько тысячелетий) способствуют глубокой трансформации минеральной части тючв, несмотря на малую долю этой энергии от общей энергии почвообразования (от 0,5 до 5%). Разрушаются кристаллические решетки алюмосиликатов и других первичных минералов, их замещают вторичные, так называемые глинистые минералы — алюмосиликаты с большей энергией кристаллических решеток, чем первичные минералы, с размерами кристаллов, измеряемыми микронами и долями микронов (степень коллоидального раздробления). Эти минералы обладают поэтому большой удельной поверхностью и большой энергией поверхности. Многие вторичные минеральные образования аморфны (многоводные гидраты окислов железа, алюминия, кремния, марганца и др.) и представляют собой коллоидные осадки — гели, также обладающие большой энергией поверхности.

Следовательно, солнечная энергия, затраченная на фотосинтез, а затем на биохимическое выветривание, фиксируется в почве не только в форме гумуса, но и в виде обладающих большим запасом энергии вторичных минеральных соединений, образующих коллоидную часть почв и, как будет показано далее, имеющих очень большое значение во всех почвенных процессах. Во внутрипочвен- ном химическом и физическом выветривании, по-видимому, участвует не только энергия, освобождающаяся при разложении органического вещества, но и непосредственно тепловая энергия Солнца, поступающая на поверхность почвы и в результате теплопроводности почв проникающая в глубь почвенной толщи.

Известно, что степень диссоциации воды увеличивается при повышении температуры. Если степень диссоциации воды принять при 0°С за 1,0, то при 10° С она увеличится 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 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.

Долю энергии, расходуемой в процессах химического и физического выветривания, трудно рассчитать, так как в почвах одновременно идут и более быстрые процессы биохимического разрушения и синтеза минералов. По приблизительным расчетам В. Р. Волобуева (1964), доля энергии, расходуемой на выветривание (физическое и химическое), невелика и составляет от 0,8 до 63 кДж/см2Х Хгод, т. е. 0,001% и менее общей энергии почвообразования.

Итак, основная доля энергии, поступающей в почвы, тратится на испарение и транспирацию (ei + e2), меньшая — на биохимические процессы (&1 + Ьг) и еще меньшая — на выветривание минералов (W1 + W2). Расход энергии на эти процессы можно представить в виде следующего отношения: (ei + e2) : (^1 + 62) : (wi + w2) = = 100: 1 :0,01. Потери энергии в процессах механической миграции веществ в почвах (g), связанные с трением, очень невелики.

В связи со столь неравномерным распределением энергии, расходуемой на различные виды превращений вещества в почвах, и скорость отдельных процессов существенно различна. Наиболее быстро протекают в почвах процессы испарения и транспирации влаги. На них идет основная часть энергии, более медленно, как было показано, осуществляются процессы гумификации и минерализации органических остатков. Процессы химического выветривания минералов, на которые расходуется ничтожная доля общей энергии, идут медленно и становятся заметными лишь в вековых циклах. Скорость разложения минералов значительно возрастает лишь в тех горизонтах, в которые поступает большое количество органических веществ и в которых усиливаются процессы биохимического выветривания.

К содержанию книги: МАРИЯ АЛЬФРЕДОВНА ГЛАЗОВСКАЯ - Общее почвоведение и география почв