Россия
В статье подняты вопросы развитие биосферы, которое осуществляется на фоне сложных процессов обмена вещества и энергии. Под воздействием идей В.И. Вернадского, был, совершен крупный прогресс в изучения движения химических элементов и перераспределения вещества внутри различных звеньев биосферы. Важной задачей энергетики почвообразования является разработка эффективных технологических систем повышения полноты использования солнечной энергии, на создание высокопродуктивных природных и агрокультурных биоценозов.
процесс почвообразования, солнечное излучение, энергия, почвы, микроорганизмы, биогеоценоз
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. Акименко А.С., Дудкина Т.А., и др. Методологические основы производства заданного количества продовольственного зерна в севооборотах Центрального Черноземья //Земледелие. 2021. № 4. С. 10-14. DOI: https://doi.org/10.24411/0044-3913-2021-10403; EDN: https://elibrary.ru/TSEITM
2. Гонеев И.А., Лукашова О.П., Батраченко Е.А., Лунин В.Н. Тенденции изменения современных ландшафтов среднерусской возвышенности под воздействием природных и антропогенных факторов (на примере курской области)//Проблемы региональной экологии. 2020. № 2. С. 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//В сборнике: IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. Krasnoyarsk Science and Technology City Hall. Krasnoyarsk, Russian Federation, 2021. С. 42081. DOI: https://doi.org/10.1088/1755-1315/677/4/042081; EDN: https://elibrary.ru/WRSYPG
4. Стифеев А.И., Никитина О.В. Состояние пахотных земель центрального Черноземья и основные направления воспроизводства их плодородия //Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. 2022. № 2. С. 30-35. EDN: https://elibrary.ru/MSJYEV
5. Пигорев И.Я., Долгополова Н.В., Батраченко Е.А., Широких Е.В. Роль естественных и антропогенных факторов на состояние чернозема выщелоченного в адаптивно-ландшафтном земледелии ЦЧЗ//Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. 2017. № 1. С. 2-5. EDN: https://elibrary.ru/YPCKNP
6. Зубкова Е.Н., Белова Т.А. Физиология фотопериодической чувствительности у растительных организмов при различной продолжительности светового периода//Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Экология и безопасность жизнедеятельности. 2017. Т. 25. № 1. С. 50-57. DOI: https://doi.org/10.22363/2313-2310-2017-25-1-50-57; EDN: https://elibrary.ru/YMRWPJ
7. Долгополова Н.В. Биологическая система земледелия и воспроизводство плодородия почвы в лесостепи центрального Черноземья //Региональный вестник. 2016. № 2 (3). С. 29-32. EDN: https://elibrary.ru/WEOORN
8. Гурин А.Г., Резвякова С.В., Ревин Н.Ю. Проблемы сохранения почвы от эрозии в промышленных садах центрально-чернозёмного региона//Вестник Орловского государственного аграрного университета. 2017. № 4 (67). С. 32-42. EDN: https://elibrary.ru/ZDOSLD
9. Долгополова Н.В., Павлов А.А. Биологическая активность и плотность почвы при возделывании яровой твердой пшеницы//Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. 2012. № 4. С. 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. Т. 12. № 20. С. 5338-5342.
11. Долгополова Н.В., Пигорев И.Я. Корреляционная зависимость урожайности полевых культур от элементов её структуры//Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. 2017. № 6. С. 7-11. EDN: https://elibrary.ru/ZIZQRN
12. Батраченко Е.А. Оценка устойчивости компонентов ландшафтов к антропогенному воздействию как этап проектирования устойчивых агроландшафтных комплексов//В сборнике: Современные проблемы ландшафтоведения и геоэкологии. Материалы VI Международной научной конференции (к 100-летию со дня рождения профессора В.А. Дементьева). Под редакцией А.Н. Витченко. 2018. С. 179-181. EDN: https://elibrary.ru/YOCUPZ
