Russian Federation
The article raises the issues of the development of the biosphere, which is carried out against the background of complex processes of metabolism of matter and energy. Under the influence of V.I. Vernadsky's ideas, major progress was made in studying the movement of chemical elements and the redistribution of matter within various parts of the biosphere. The energy of soil formation is a new scientific direction that studies on the basis of a systematic analysis the patterns of transformation of solar energy spent on soil formation (physical and chemical destruction of soil-forming rocks, hypergenic transformation of minerals, evaporation and transpiration, heat exchange in the soil-atmosphere system, biological processes of transformation of organic and mineral substances, etc.), revealing objective ecological conditions of formation and distribution of soils and biogeocenoses in the biosphere.
soil formation process, solar radiation, energy, soils, microorganisms, biogeocenosis
Актуальность. Впервые многостороннюю оценку круговорота и перераспределения энергии на поверхности суши - от тундры до тропиков дали многие ученые. Ими заложены основы нового научного направления - энергетики почвообразования. Источником энергии почвообразования является солнечная энергия, достигающая земной поверхности и определяемая как радиационный баланс земной поверхности [1, 2, 3]. Примерно половина его непосредственно отражается атмосферой и поверхностью земли, остальная часть трансформируется в энергию, затрачиваемую в основном на почвообразование, и используется наземными обитателями из состава флоры и фауны. Качество тепла, приходящее изнутри земного шара к поверхности почвы, очень мало по сравнению с приходом солнечным теплом, около 55 кал/см2. Почва, как и биогеоценоз, в целом формируется при взаимодействии потоков энергии, затрачиваемых на: 1) испарение и транспирацию; 2) биологические процессы (включая микробиологические, ферментативные, образование гумуса и др.); 3) гипергенное преобразование минералов; 4) перемещение веществ с фильтрующимися почвенными водами.
Ученые занимались этой проблемой и было [2] установлено, что основная часть энергии (от 95 до 99,5 %) расходуется на испарение и транспирацию. Затраты на биологические процессы составляют от 0,5 до 5 % всей энергии. С увеличением радиационного баланса количество расходуемой энергии возрастает до 10-40 ккал/см2 год в лесах и степях умеренного климата достигает максимума 60-70 ккал/см2 год в биогеоценозах влажных тропиков. Одновременно с общим ростом энергетических затрат возрастает энергия, аккумулируемая в ежегодном приросте растительной массы. Эта зависимость может служить для оценки полноты использования радиационных и водных ресурсов на форсирование продуктивности биогеоценозов.
По смене ареалов основных почвенных типов были намечены качественные переходы сочетаний поступающей энергии и атмосферной влаги.
Методы исследований. По результатам исследований, используя гидротермическую систему с координатами; радиационный баланс R, годовая сумма осадков Р, показатели эффективного увлажнения Кп и гидроряда, раскрыл объективные природные условия существования разных биогеоценозов и им соответствующих почв [3], а также их пространственное распространение. Основным источником энергий для всех процессов, протекающих в биосфере, является радиационная энергия. Границы зональных почвенных типов строго обусловлены соотношениями поступающей энергии и степенью увлажнения. При одинаковом радиационном балансе возможно существование разных биогеоценозов, которые могут иметь зональное распространение. В этом случае переход от одной зоны к другой происходит при изменении количества воды участвующей в процессе влагообмена. Гидротермическая система объективно отражает наиболее общие связи основных потоков энергии в биосфере, ее целесообразно использовать в качестве основы для почвенно-генетических экосистемных исследований. Использование энергетических подходов позволило выявить ряд новых закономерных связей в многокомпонентной системе биогеоценоза – между его атмосферными, биологическими и минеральными составляющими – и дало возможность количественно охарактеризовать эти связи [4,5].
Результаты исследований. Потребление всех видов энергии составило 3х1020 ДЖ, или 0,01 % от общего количества падающей на Землю солнечной энергии. Растения являются первичным биоэнергетическим звеном экосистем, включающим посредством фотосинтеза электромагнитную энергию солнечного излучения в жизненные процессы. Почти вся используемая человечеством энергия базируется на запасенной в процессе фотосинтеза солнечной энергии, которая является первоисточником существования, процветания и развития жизни на Земле во всей ее сложности, многообразии и красоте. По В.И. Вернадскому [6, 7], биосфера может быть рассмотрена как область земной коры, занятая трансформаторами, переводящими космическое излучение в связанную энергию. Такими высокоорганизованными биотрансформаторами солнечной энергии на нашей планете являются биогеоценозы. На фотосинтез расходуется менее 0,1 % всей приходящей на поверхность Земли солнечной энергии. Продуктивность фитомассы, полнота использования радиационной энергии и затраты энергии на почвообразование последовательно увеличиваются с ростом показателей относительной увлажненности (табл.1). Создание постоянных источников снабжения растений достаточным количеством углекислоты за счет органических удобрений, применения минеральных удобрений и стимуляторов роста благоприятствует рационально использованию орошаемой воды, снижению затрат воды на формирование урожая сельскохозяйственных культур, что в засушливых районах имеет большое, значение.
Таблица 1 – Полнота использования радиационных ресурсов (а) и затраты энергии на почвообразование (Q)
|
Почвенные грунта |
Растительные сообщества |
Радиационный баланс R ккал/см2, год |
Осадки, Р, мм/год |
Относительная влажность, Кп |
Полнота использования радиационной энергии, а |
Затраты энергии на почвообразование Q,ккал/см2, год |
|
Горно-луговые торфянистые |
Альпийские луга |
25-30 |
600-800 |
1,70 |
0,74 |
18-22 |
|
Горно-луговые дерновые |
Субальпийские луга |
30-35 |
600-800 |
1,38 |
1,38 |
21-25 |
|
Черноземы типичные |
Разнотравные степи |
35-40 |
450-550 |
0,84 |
0,84 |
20-23 |
|
Сероземно-луговые и луговые |
Низинные луга |
45-50 |
250-300 |
0,46 |
0,46 |
16-18 |
Характер и интенсивность биологических процессов в почве связаны с запасами той лучистой энергии Солнца, которая, аккумулируясь в растительной массе и в почвенном гумусе, служит незаменимым источником энергии для жизнедеятельности микроорганизмов и разнообразных биологических и минеральных превращений. Для понимания и управления почвенными процессами исключительное значение имеет учет суммарного количества энергии, аккумулированной в органическом веществе почв, и регулирование его баланса. Высокие величины получены для теплоты сгорания спиртобензольной фракции гумуса - 8480 кал/г представлены в таблице.
Таблица 2 – Теплота сгорания различных фракцией гумусовых кислот почв, кал/г
|
Почва |
Спиртобензольная фракция |
Гуминовые кислоты |
Фульвокислоты |
Негидролизуемый остаток (гумины) |
|
Горно-луговая дерновая |
В среднем 8480 |
4640 |
В среднем 2200 (1520-2790) |
4510 |
|
Горный чернозем |
4510 |
4200 |
||
|
Луговая |
4830 |
4050 |
По данным почвоведов, экологов и других исследователей [8, 9], для суши земного шара, запасы гумуса составляют 2,2х1012т с запасами энергии 12хI018 ккал, тогда как суммарная биомасса суши (включая гумус, подстилку, высшие растения, микроорганизмы и др.) равна 5,5х1012т сухого органического вещества с содержанием энергии 27,5х1018 ккал, т.е. 50% биомассы и запасов энергии суши приходится на гумусовые вещества [10]. Как отмечает В.А. Ковда, что гумусовая оболочка на Земле является мощным геохимическим аккумулятором преобразованной солнечной энергии, аккумулятором общепланетарных геологических масштабов. Установлено, что теплота сгорания гуминовых кислот в горно-луговой почве составляет 4640 кал/г, в черноземе снижается до 4510 кал/г, тогда как в каштановой и особенно в сероземной почвах она возрастает до максимальных величин - 5100-5290 кал/г. Несколько ниже теплота сгорания гуминов. Теплота сгорания фульвокислот изменяется в пределах 1520-2790 кал/г (в среднем 2200 кал/г). Высокие показатели потенциальной энергии в гуминовых кислотах сероземной и каштановой почв объясняется их богатством азотистыми, белковыми соединениями микробной плазмы. Проблема энергетики микробиологических процессов, в области энергетики микробиологических процессов, освещены лишь некоторые вопросы. При изучении количества энергии, аккумулированной микроорганизмами в почве, возникли методические трудности в определении общего числа микроорганизмов в почве и средней их массы. Масса микроскопических грибов и актиномицетов равна 5-10% массы бактерий. По средней массе микробов и общему количеству бактерий подсчитана, биомасса микроорганизмов в почве. Установлено, что биомасса микроорганизмов в 0-25 см слое исследуемых почв изменяется в пределах 185-250 г/см2, из них на долю бактерий приходится 172-235 г/см2, а актиномицетов и грибов 13-21 г/см2. Содержание микробной массы в составе гумуса составляет 0,9-3,5% и существенно влияет на энергетическую природу гумусовых кислот.
Таблица 3 – Микробная масса и количество связной энергии в почве (в слое 0-25 см)
|
Почва |
Количество микроорганизмов, млн/г почвы |
Бактерии |
Актиномицеты и грибы |
Всего |
Микробная масса, % к гумусу |
Энергия, использованная на образование микробной массы, ккал/м2 |
|||
|
г/м2 |
ккал/м2 |
г/м2 |
ккал/м2 |
г/м2 |
ккал/м2 |
||||
|
Чернозем |
7800 |
235 |
1460 |
15 |
80 |
250 |
1540 |
0,9 |
40500 |
|
Коричневая послелесная |
6940 |
219 |
1360 |
14 |
70 |
233 |
1430 |
1,1 |
37600 |
|
Каштановая |
5410 |
172 |
1401 |
13 |
70 |
185 |
1210 |
1,4 |
31700 |
|
Сероземная |
6680 |
208 |
1290 |
21 |
110 |
229 |
1400 |
3,5 |
37000 |
|
Луговая |
7240 |
194 |
1200 |
18 |
90 |
212 |
1290 |
1,3 |
34000 |
Используя показатели удельной теплоты сгорания массы различных групп микроорганизмов, полученные путем сжигания микроорганизмов в калориметрической бомбе (для грибов 4900-5100, актиномицетов 5700-5800: бактерий 6200 кал/г), мы определили количество энергии, связанной в микробной массе исследуемых почв (таблица 3). При этом следует отметить значительное количество энергии в микробной массе сероземной почвы [11, 12].
Заключение. Энергетический баланс превращения органического вещества почв имеет теоретический интерес и практическую значимость. Так, по мнению М.М. Кононовой, при изучении поступления в почву растительных остатков и их гумификации, и не должен быть оставлен вопрос об энергетике процесса гумификации. В зависимости от интенсивности потока энергии в почве в результате поступления растительной массы и минерализации гумуса следует различать уравновешенный положительный и отрицательный баланс энергии гумусонакопления.
1. Akimenko A.S., Dudkina T.A., i dr. Metodologicheskie osnovy proizvodstva zadannogo kolichestva prodovol'stvennogo zerna v sevooborotah Central'nogo Chernozem'ya //Zemledelie. 2021. № 4. S. 10-14. DOI: https://doi.org/10.24411/0044-3913-2021-10403; EDN: https://elibrary.ru/TSEITM
2. Goneev I.A., Lukashova O.P., Batrachenko E.A., Lunin V.N. Tendencii izmeneniya sovremennyh landshaftov srednerusskoy vozvyshennosti pod vozdeystviem prirodnyh i antropogennyh faktorov (na primere kurskoy oblasti)//Problemy regional'noy ekologii. 2020. № 2. S. 56-63. DOI: https://doi.org/10.24411/1728-323X-2020-12056; EDN: https://elibrary.ru/UCXNKB
3. Batrachenko E.A., Dolgopolova N.V., Dudkina T.A. Investigation of the soil cover ecological state under the different geomorphological elements conditions//V sbornike: IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. Krasnoyarsk Science and Technology City Hall. Krasnoyarsk, Russian Federation, 2021. S. 42081. DOI: https://doi.org/10.1088/1755-1315/677/4/042081; EDN: https://elibrary.ru/WRSYPG
4. Stifeev A.I., Nikitina O.V. Sostoyanie pahotnyh zemel' central'nogo Chernozem'ya i osnovnye napravleniya vosproizvodstva ih plodorodiya //Vestnik Kurskoy gosudarstvennoy sel'skohozyaystvennoy akademii. 2022. № 2. S. 30-35. EDN: https://elibrary.ru/MSJYEV
5. Pigorev I.Ya., Dolgopolova N.V., Batrachenko E.A., Shirokih E.V. Rol' estestvennyh i antropogennyh faktorov na sostoyanie chernozema vyschelochennogo v adaptivno-landshaftnom zemledelii CChZ//Vestnik Kurskoy gosudarstvennoy sel'skohozyaystvennoy akademii. 2017. № 1. S. 2-5. EDN: https://elibrary.ru/YPCKNP
6. Zubkova E.N., Belova T.A. Fiziologiya fotoperiodicheskoy chuvstvitel'nosti u rastitel'nyh organizmov pri razlichnoy prodolzhitel'nosti svetovogo perioda//Vestnik Rossiyskogo universiteta druzhby narodov. Seriya: Ekologiya i bezopasnost' zhiznedeyatel'nosti. 2017. T. 25. № 1. S. 50-57. DOI: https://doi.org/10.22363/2313-2310-2017-25-1-50-57; EDN: https://elibrary.ru/YMRWPJ
7. Dolgopolova N.V. Biologicheskaya sistema zemledeliya i vosproizvodstvo plodorodiya pochvy v lesostepi central'nogo Chernozem'ya //Regional'nyy vestnik. 2016. № 2 (3). S. 29-32. EDN: https://elibrary.ru/WEOORN
8. Gurin A.G., Rezvyakova S.V., Revin N.Yu. Problemy sohraneniya pochvy ot erozii v promyshlennyh sadah central'no-chernozemnogo regiona//Vestnik Orlovskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2017. № 4 (67). S. 32-42. EDN: https://elibrary.ru/ZDOSLD
9. Dolgopolova N.V., Pavlov A.A. Biologicheskaya aktivnost' i plotnost' pochvy pri vozdelyvanii yarovoy tverdoy pshenicy//Vestnik Kurskoy gosudarstvennoy sel'skohozyaystvennoy akademii. 2012. № 4. S. 31-33. EDN: https://elibrary.ru/ROBSBD
10. Pykhtin I.G., Gostev A.V., Pykhtin A.I. Software decision support in the cultivation of crops // Journal of Engineering and Applied Sciences. 2017. T. 12. № 20. S. 5338-5342.
11. Dolgopolova N.V., Pigorev I.Ya. Korrelyacionnaya zavisimost' urozhaynosti polevyh kul'tur ot elementov ee struktury//Vestnik Kurskoy gosudarstvennoy sel'skohozyaystvennoy akademii. 2017. № 6. S. 7-11. EDN: https://elibrary.ru/ZIZQRN
12. Batrachenko E.A. Ocenka ustoychivosti komponentov landshaftov k antropogennomu vozdeystviyu kak etap proektirovaniya ustoychivyh agrolandshaftnyh kompleksov//V sbornike: Sovremennye problemy landshaftovedeniya i geoekologii. Materialy VI Mezhdunarodnoy nauchnoy konferencii (k 100-letiyu so dnya rozhdeniya professora V.A. Dement'eva). Pod redakciey A.N. Vitchenko. 2018. S. 179-181. EDN: https://elibrary.ru/YOCUPZ
