ТЕРМОДИНАМИКА СТЕПНЫХ АГРОЛЕСОЛАНДШАФТОВ 

THERMODYNAMICS OF STEPPE AGROFORESTRY LANDSCAPES 

А.С. Рулёв, Г.А. Рулёв

A.S. Rulev, G.A. Rulev 

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение

«Федеральный научный центр агроэкологии, комплексных мелиораций и защитного лесоразведения Российской академии наук» (ФНЦ агроэкологии РАН)

(Россия, 400062, г. Волгоград, пр-т Университетский, 97) 

Federal State Budget Scientific Institution «Federal Scientific Centre of

Agroecology, Complex Melioration and Protective Afforestation of the Russian

Academy of Sciences» (FSC of Agroecology RAS)

(Russia, 400062, Volgograd, Pr. Universitetsky, 97)

e-mail: rulev54@rambler.ru

Для решения проблемы оценки эффективности агролесомелиорации и защитного лесоразведения в степи предлагается использовать термодинамический подход, базирующийся на изучении направлений протекания неравновесных процессов и закономерностей энергетических превращений в природных системах. Агролесоландшафты можно представлять как термодинамические системы в виде совокупности физических тел, которые могут взаимодействовать энергетически между собой с другими телами и обмениваться с ними веществом.

Согласно термодинамическим представлениям, физико-химические процессы, происходящие в природных объектах, стремятся привести систему к равновесному состоянию, и это сопровождается ростом энтропии системы. Приток энергии в открытую термодинамическую систему, в которой присутствует биотическая составляющая, позволяет ей уменьшать свою энтропию.

Энтальпия, энтропия – важнейшие обобщающие критерии термодинамической характеристики агролесоландшафтов с определением физической и информационной энтропии.

To solve the problem of assessing the efficiency of agroforestry and protective afforestation in the steppe it is proposed to use thermodynamic approach based on the study of the directions of non-equilibrium processes and patterns of energy transformations in natural systems. Agroforestry landscapes can be represented as thermodynamic systems in the form of a set of physical bodies that can interact energetically with other bodies and exchange with them substance.

According to thermodynamic concepts, physical and chemical processes occurring in natural objects tend to lead the system to an equilibrium state, and this is accompanied by an increase in the entropy of the system. The inflow of energy into the open thermodynamic system, in which the biotic component is present, allows it to reduce its entropy.

Enthalpy, entropy-the most important generalizing criteria of thermodynamic characteristics of agroforestry landscapes with the definition of physical and informational entropy.

Возникнув в недрах термодинамики при решении некоторой частной задачи, понятие энтропии стало расширяться с удивительной энергией, быстро перешагнуло границы физики и проникло в самые сокровенные области человеческой мысли. В каком-то смысле она – мера рассеяния, и в этом смысле она подобна дисперсии. Но если дисперсия является адекватной мерой рассеяния лишь для специальных распределений вероятностей случайных величин (например, нормального гауссова распределения), то энтропия не зависит от типа распределения. Популярность энтропии связана с ее важными свойствами: универсальностью и аддитивностью.

Вообще, может ли энтропия быть мерой хаоса [1, 2]?

Формула                                                           (1)

где dS_i – изменение энтропии в ходе процессов, происходящих в самой живой системе; dS_e – изменение энтропии при обмене энергии с окружающей средой.

Согласно второму закону термодинамики величина dS_i может быть только положительной или в предельном случае равна нулю. Величина dS_e может быть положительной (dS_e > 0, система получает энтропию) и отрицательной (dS_e < 0, система не получает энтропию). При этом суммарное изменение энтропии может быть и отрицательным. При dS_e < 0 и | dS_e| > | dS_i|: dS = dS_i + dS_e < 0, что означает увеличение упорядоченности в случае, когда систему покидает больше энтропии, чем возникает внутри нее в ходе обратимых процессов.

Рассмотрим производную энтропии по времени , которую называют скоростью изменения или производством энтропии. Из выше изложенного для dS следует, что производство энтропии открытой системы:

Формула                                                         (2)

Для стационарного состояния, когда неравновесность во времени не изменяется, производство энтропии должно быть равно нулю (производная от постоянной величины), т.е. энтропия, возникающая в ходе процессов, происходящих внутри системы (dS_i), должна полностью переходить во внешнюю среду.

Согласно теореме Пригожина [2], если открытую термодинамическую систему при неизменных во времени условиях предоставить самой себе, то прирост энтропии dS будет уменьшаться до тех пор, пока система не достигнет стационарного состояния динамического равновесия; в этом состоянии прирост энтропии будет минимальным. Таким образом, мы можем сказать, что для открытой системы в стационарном состоянии производство энтропии минимально.

В течение последних десятилетий подход к оценке устойчивости почв и ландшафтов, основанный на принципах термодинамики равновесных систем, получил широкое распространение [1, 3, 4].

Опорным объектом для изучения влияния 3JIH на термодинамику веществ в ландшафте выбран полигон на южном маломощном черноземе Хоперско-Бузулукской аккумулятивной равнины в пределах Окско-Донской низменности (Михайловский район Волгоградской области). В целом на территории Хоперско-Бузулукского геоморфологического района эрозионная расчлененность небольшая – 0,2-0,5 км/км². Однако склоны длинные, пологие и при несоблюдении противоэрозионных мероприятий значительно распространен плоскостной смыв верхнего гумусового горизонта.

Полигон исследований находится в 30 км на северо-восток от г. Михайловка. Он включает связанные единой миграционной цепью ЭГЛ: межбалочный водораздел, склон северо-восточной экспозиции крутизной до 2°, надпойменную террасу. На территории распространены слабосмытые южные черноземы легкого гранулометрического состава, сформированные на покровных гидрослюдисто-монтмориллонитовых породах. В педогеохимической сопряженности с ними находятся лугово-черноземные почвы надпойменной террасы р. Тишанка.

На двух параллельных профилях – открытом (для лесных полос) и облесенном (с 4-мя лесными полосами), – полностью сравнимых по геоморфологическим условиям, пересекающих все указанные выше ЭГЛ, заложены тестовые участки, попарно адекватные по положению в ландшафте, с отбором почвенных образцов в разрезах. Лесные полосы плотные 4-6-рядные, смешанного состава расположены на расстоянии 400-500 м. Сельскохозяйственная культура на полигоне – подсолнечник.

Наибольшей подвижностью обладают, прежде всего, легкорастворимые соли и среди них, прежде всего, хлориды щелочей и щелочных земель. Нужно иметь ввиду, что при оценке миграционного поведения воднорастворимых соединений мы имеем дело с двумя разнонаправленными процессами: движение солей с поверхностным стоком и вертикальной их миграцией в нижние слои почв. Почвы исследуемой территории содержат малое количество легкорастворимых солей – менее 0,3%. В этих условиях содержание хлоридов в верхних горизонтах почв по створу приводораздельная часть – склон – терраса на открытой территории изменяется мало, однако с тенденцией падения к супераквальной территории. В относительных единицах это выглядит так: 1,0 (приводораздельный ЭГЛ) – 1,1 (верхняя часть склона) – 1,0 (нижняя часть склона) – 0,7 (терраса). По створу с системой лесных полос наблюдается та же картина: на фоне меньшего содержания хлоридов: 1,0 – 0,8 – 0,8 – 0,6 (по адекватным безлесному створу точкам). Это мы связываем с лучшим водным режимом почв и более выраженным промыванием хлоридов вглубь. Подтверждением этого тезиса может служить тот факт, что наименьшее их содержание наблюдается под лесными полосами: 0,8 – 0,7 – 0,5 (табл. 1).

Таблица 1 Содержание водорастворимых солей в верхних горизонтах почв сопряженных элементарных геохимических ландшафтов (в относительных единицах)

Несколько иная картина наблюдается по менее растворимым сульфатам: здесь нет четко выраженного падения их относительного содержания от водораздела к супераквальному ЭГЛ, и, во-вторых, в меньшей степени выражено в целом снижение их содержания в горизонте А+В, на облесенной адекватной территории, хотя и здесь отмечается некоторое снижение содержания S0₄" в почве под лесными полосами, пусть и в меньшей степени по сравнению с хлоридами. 

Обладающие меньшей геохимической подвижностью бикарбонаты, в отличие от рассмотренных выше солей, на необлесенной территории имеют явно выраженную тенденцию накопления в трансаккумулятивных и супераквальных ЭГЛ. На территории с системой лесных полос этот процесс не наблюдается – примерно одинаковое количество бикарбонатов в почве прослеживается по всем ЭГЛ, т.е. можно полагать, что ЗЛН снимают вопрос об их миграции в сопряженных ЭГЛ.

Аналогичным образом ведут себя и карбонаты щелочных земель (табл. 2).

Защитные лесные насаждения в сопряженных ландшафтах оказывают действенное влияние на формирование стока не только воднорастворимых химических соединений, но твердого (смыва). В этом плане заслуживают внимание данные, полученные на исследуемом полигоне по мощности гумусового горизонта в ЭГЛ.

Они свидетельствуют о том, что на облесенном склоне в ЭГЛ транзитного типа мощность гумусового горизонта почвы существенно выше, чем на необлесенном, в частности в лесных полосах в 1,4-1,5 раза превосходит показатели адекватных по положению на открытой территории и в 1,1 раза в приполосной лесной зоне поля.

Таблица 2 Содержание углекислых солей в верхних горизонтах почв сопряженных ЭГЛ (в относительных единицах)

Данные по этим объектам позволяют сделать вывод о том, что мощность гумусового горизонта почвы под лесными полосами в 1,1-1,5 раза выше, чем в адекватных местах открытой территории с максимумом влияния ЗЛН, в основном на водораздельных элементарных геохимических ландшафтах (ЭГЛ). Дисперсионный анализ данных показал, что на долю влияния положения ЭГЛ в катене приходится 40-70% дисперсии, на долю влияния ЗЛН – 30-60%. 

Превышение средневзвешенного содержания гумуса в горизонте А+В₁ почвы под лесными полосами, по сравнению с приполосной зоной поля, достигает 1,1-1,2.

Гумусовая составляющая энергии твердой фазы намного (на два порядка) меньше, чем энергия, связанная с минеральной частью. Здесь представлены данные по энергетике почв с участием мощности гумусового горизонта. Считаем это оправданным, т.к. именно с гумусовым горизонтом в большей мере связано плодородие почвы, ее продуктивность, и на его мощность заметно оказывает влияние ЗЛН. Кстати, отсюда и разница в величинах энергии, аккумулированной в кристаллических решетках почвы на разных ЭГЛ. Что же касается влияния ЗЛН на элементы термодинамики почвы, то оно сказывалось, прежде всего, на гумусовой составляющей энтальпии. Гумусовая составляющая энтальпии в гумусовом горизонте под лесной полосой в 1,5-1,2 раза выше, чем в поле, с максимумом на водораздельном ЭГЛ (табл. 3). Что же касается удельной «гумусовой» энтальпии, то она лишь на 6-20% выше под лесной полосой.

Снижение энтропии свидетельствует о выраженной почвомелиорирующей роли ЗЛН, причем степень этого снижения – о действенности лесомелиорации в цепи педосопряженных ЭГЛ. При этом если оценивать потоки энтропии под влиянием лишь биологической аккумуляции органического вещества, то можно видеть, что наибольшая эффективность лесомелиорации наблюдается на водораздельной территории. Здесь же наибольший удельный вес в общей энтропии внешней составляющей.

Таблица 3 Термодинамическая характеристика гумусовой составляющей прироста энергии в горизонте А+В₁ почвы под влиянием ЗЛН 

Условные обозначения: I - территория с лесной полосой вдоль склона, II - территория с системой лесных полос поперек склона; ΔН - прирост энергии, кал/г, dS - изменение энтропии, кал/г-град., d_еS – внешний поток энтропии, d_iS - внутренняя энтропия. 

Когда же процессы биологической аккумуляции вещества дополняются механической аккумуляцией (с расположением 3JIH поперек склона) изменение энтропии, связанные с действием 3ЛH (d_iS) на склоне, приближается к таковой на водораздельной территории, а в условиях супераквального ЭГЛ – даже ниже ее. Соответственно вырастает относительная эффективность лесомелиорации на подчиненных ЭГЛ (dS = 0,63-0,69 против 0,73 на контроле). Условием приближения агрогеосистем к оптимуму является возрастание энтальпии, уменьшение потока энтропии в почве и древостоях, а также при достижении высокой средневзвешенной продуктивности агроландшафтов. 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ: 

1. Назаров А.Г. Термодинамическая направленность почвообразования в истории развития экосистем // Почвы, биогеохимические циклы и биосфера. М.: Т-во науч. изданий КМК, 2004. С. 70-102.
2. Рубин А.Б. Термодинамика биологических процессов: учеб. пособие. 2-е изд. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1984. С. 148-154.
3. Рулёв А.С., Исупов Б.А. Энергетические и геохимические показатели почвы как основа организации лесоаграрного ландшафта // Защитное лесоразведение в Российской Федерации. Волгоград: ВНИАЛМИ, 2011. С. 399-402.
4. Рулев А.С., Максимов А.Н., Исупов Б.А. Методология исследований структурно-функциональной организации агролесоландшафта, организация почвенных систем // Методология и история почвоведения. Пущино, 2007. С. 71-73.