Термодинамика и моделирование переходных зон в агрогеосистемах

УДК 528:551.4

ТЕРМОДИНАМИКА И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ЗОН

В АГРОГЕОСИСТЕМАХ

THERMODYNAMICS AND MODELING OF TRANSITION ZONES

IN AGROGEOSYSTEMS

А.С. Рулев, член-корреспондент РАН, доктор сельскохозяйственных наук В.Г. Юферев, доктор сельскохозяйственных наук

A.S. Rulev, V.G. Yuferev

Всероссийский научно-исследовательский агролесомелиоративный институт, г. Волгоград All-Russian Research Institute of Agroforest Reclamation

Природные и антропогенные структуры, образующие агроландшафт, объединяются за счет трансформации солнечной энергии, влагооборота, биогеохимического круговорота вещества и энергии в единую агрогеосистему. Катенарный подход предполагает, что в цепи закономерно сменяющих друг друга ландшафтных единиц (фаций, урочищ, местностей) происходит эволюция почв, сукцессия растительного покрова и животного населения. Морфологические единицы, входящие в состав катены, различаются в соответствии с реакцией их на геоморфологические и почвенные процессы. При этом ландшафтные структуры приобретают каскадный характер и их главным звеном становится зональная катена, которой присущи определенные устойчивые признаки, отражающие зависимость комплекса природных условий и процессов от географической широты. Концепция экотонов как пограничных переходных зон с нестабильным состоянием, обусловленным высоким градиентом изменения природной (физической) среды, играет важную роль в описании пространства, а их выделение в суббореальных ландшафтах позволит определить границы таких зон. Установлено изменение значения радиационного потока тепла по географической широте на суше для основных географических зон. Анализ графиков показал, что кривая функции радиационного потока тепла имеет точку перегиба, соответствующую максимуму первой производной, в момент перехода возрастающей в убывающую скорость процесса. Анализ производных позволяет установить границы и величину диапазонов, характеризуемых значимыми изменениями радиационного потока тепла по географической широте.

The natural and artificial structures that form agricultural landscapes are combined through the transformation of solar energy, the hydrologic cycle, the biogeochemical cycle of matter and energy into a single agrogeosystem. Catenary approach assumes that in the logical chain of the successive landscape units (facies, tracts, places) the evolution of soils, the succession of vegetation cover and animal population take place. The morphological units included in the composition of the catena differ in accordance with the response to geomorphological and soil processes. Thus the landscape structure gains the cascade nature and the main link becomes zonal catena, which has certain stable characteristics, reflecting the dependence of the complex of natural conditions and processes of latitude. The concept of ecotones, as border transition zones with unstable conditions, due to the high gradient of natural (physical) environment, plays an important role in the spatial description, and their allocation in sub-boreal landscapes will help to establish the boundaries of such zones. The change in the value of radiation heat flux by latitude on land for the main geographical areas was determined. The analysis of graphs showed that the function curve of the radiation heat flux has a point of inflection corresponding to the maximum of the first derivative, in the time of transition growing in decreasing the speed of the process. Analysis of derivatives allows to set boundaries and value ranges for latitude, characterized by significant changes in radiation heat flow.

Ключевые слова: экотон, переходная зона, граничное пространство, агроландшафт, моделирование, морфоструктура, радиационный баланс тепла.

Key words: ecotone, transition zone, boundary space, agricultural landscapes, modeling, morphostructure, radiative heat balance.

Введение. В ходе аграрного природопользования естественные ландшафты трансформируются в агроландшафты, в которых происходит взаимодействие природы и человека. Образующие агрогеосистему природные и антропогенные компоненты [1] объединяются функционально за счет трансформации солнечной энергии, влагооборо-та, биогеохимического круговорота вещества и энергии. Кроме вертикального межкомпонентного кругооборота, в ландшафтах наличествует многообразный латеральный поток вещества и энергии. Катенарный подход [2] предполагает, что в цепи закономерно сменяющих друг друга ландшафтных единиц (фаций, урочищ, местностей) происходит эволюция почв, сукцессия растительного покрова и животного населения [3]. Морфологические единицы, входящие в состав катены, распознаются в соответствии с реакцией их на геоморфологические и почвенные процессы. При этом ландшафтные структуры приобретают каскадный характер и их главным звеном становится зональная ка-тена, которой присущи определенные устойчивые признаки, отражающие зависимость комплекса природных условий и процессов от географической широты.

Материалы и методы. Изучение механизма формирования зональной границы привело к появлению новых терминов: переходная зона, географический экотон, ландшафтный экотон, триггерный ландшафт, гистерезисный пояс [4, 5].

Экотоны - переходные, граничные пространства [4, 8, 10, 13] между различными природными системами (экосистемами, ландшафтами), между природными и антропогенными системами, между различными средами (вода-суша) и между различными природными зонами оказались значительно менее исследованными. Вместе с тем, распространенность экотонов в природе огромна, а роль весьма существенна. Концепция экотонов как пограничных переходных зон с нестабильным состоянием, обусловленным высоким градиентом изменения природной (физической) среды, играет важную роль в описании пространства, а их выделение в суббореальных ландшафтах позволит установить границы таких зон.

В первичном понимании по Ф. Клементсу [8], экотоны представляют собой контактные «микрозоны» между растительными сообществами или между соседними экосистемами. Они отличаются выраженным краевым эффектом - повышенной численностью организмов и проявлением пертиненции в виде разнообразных влияний сообществ организмов на физическое состояние среды собственного и соседних биоценозов. Они не образуют самостоятельных элементарных экосистем и являются объектом фитоценологического изучения. Понятие «экотон» применялось Н.Б. Сочавой [2] для обозначения буферного сообщества, например амурской подтайги, а позже определялось как «переходная полоса между двумя регионами или двумя выделами геомеров» с замечанием, что «понятие уместно в учении о геосистемах». Г. Вальтер и Г. Бокс ввели понятие «зональный экотон», обозначая им переходное состояние растительности целой природной зоны, которое характеризуется смешением элементов двух различных формаций, либо равномерным, либо в форме макромозаичного покрова.

Однако, наряду с исследованием экотонов как специфических переходных пространств различных рангов и масштабов, чрезвычайный интерес представляют исследования организации и функционального своеобразия особых лабильных агроэкотонных систем на переходных территориях. Одной из важнейших характеристик переходных территорий оказывается повышенная флуктуационность, неустойчивость параметров абиотической среды. Именно к этому ее свойству должны быть адаптированы экотонные системы.

Негативные процессы в переходных зонах в значительной степени обусловлены деградацией почв и почвенного покрова. Этот процесс характеризуется уменьшением АО (энергия Гиббса), АН (энтальпия), увеличением А$ (энтропия), уменьшением надежности и

долговечности экосистем. Наблюдается снижение биопродуктивности систем, плодородия почв, КПД использования фотосинтетически активной радиации (ФАР) и антропогенно затраченной энергии на повышение урожая и воспроизводство плодородия почв.

Установлено, что в процессе интенсивной деградации происходит увеличение инертности органической и минеральной части, уменьшение комплексообразующей, структурообразующей способности и биологической активности почв [6, 11].

Снижается информационная функция инертного гумуса, быстрее развивается почвоутомление. При этом происходит увеличение А£, уменьшение АО и АН органической и минеральной части, а также буферной емкости к внешним воздействиям. Почва по различным показателям теряет свою естественную структурную организацию и по совокупности параметров все сильнее отличается от стандарта, находящегося в термодинамическом равновесии со средой.

Результаты и обсуждение. Известен периодический закон [2] географической зональности, устанавливающий связь географических зон с радиационным балансом земной поверхности и радиационным индексом сухости, где отмечается, что внутри каждого широтного пояса существует соответствие границ природных зон определенным значениям радиационного индекса сухости ГО.=К/Ьг, где Я - радиационный поток тепла, Ь - скрытая теплота испарения, г - годовые осадки.

В результате исследований особенностей пространственного распределения переходных природных зон был разработан и запатентован «Способ картографирования природных переходных зон (экотонов)» [7]. Суть этого патента заключается в картографировании переходных зон (экотонов) разного пространственного уровня в суббо-реальных ландшафтах, включающем определение широты переходных зон на суше по радиационному потоку тепла и радиационному индексу сухости.

Для математического описания изменения значения радиационного потока тепла по географической широте удобнее пользоваться нормированными величинами. При этом максимальное и минимальное значение радиационного потока тепла на суше принимаются соответственно 1 и 0. За ноль нормированного широтного диапазона принята широта 90°, а за единицу широта 0° (экватора).

Установлено изменение значения радиационного потока тепла по географической широте на суше для основных географических зон (рисунок 1), характер которого может быть описан логистической зависимостью:

К= 1+0,72 ехр4,25-8,51х +0'28'

где 2,81 - коэффициент радиационного баланса, ГДж/м2год; 8,51 - коэффициент зональности; 0,28 - минимальный годовой радиационный поток тепла, ГДж/м2год.

Анализ показал, что кривая функции радиационного потока тепла имеет точку перегиба, соответствующую максимуму первой производной, в момент перехода возрастающей в убывающую скорость процесса, определяемого по первой производной Я'(х).

Анализ производных позволяет установить границы и величину диапазонов, определяемых значимыми изменениями радиационного потока тепла, по географической широте.

Первая производная Я'(х) определяет скорость изменения радиационного потока тепла и имеет максимум, характеризующий ее переход от нарастания к убыванию, что позволяет установить широтный центр северной глобальной катены, который равен 48,6° с.ш.

Значения географической широты в точках экстремумов второй производной от 34,2° до 62,1° северной широты задают границы экотона глобальной катены (глобального экотона). Вторая производная Я"(х) показывает ускорение процесса и в точке перегиба функции Я(х) вторая производная равна нулю. Она достигает максимума и минимума в точках перегиба функции Я'(х). Значения широты в точках экстремумов соответствуют границам зоны перехода.

ИЗВЕСТИЯ'

№ 2 (42), 2016

НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

Рисунок 1 - Изменение значения годового радиационного потока тепла на суше для основных географических зон

Третья производная Я"'(х), а также последующие производные используются для выделения ландшафтных экотонов различного пространственного уровня, так как устанавливают географические координаты точек с параметрами, характеризующими изменения радиационного потока тепла на суше в плане переходов «возрастание - 0 -убывание». Анализ последующих производных дает возможность определить центры и границы локальных экотонов географических зон.

В результате, на основании уравнения радиационного баланса в логистической форме осуществляется выделение границ переходных зон с устойчивыми, малоустойчивыми и неустойчивыми экосистемами.

Таким образом, сформулировано правило Рулева-Юферева [10]. Положение экотонов разного пространственного уровня в ландшафтах определяется производными уравнений энергетического баланса географических зон, выраженного логистической функцией:

А

К =

|+0,72 ехр(4,25 -

-+С.

Суть правила заключается в определении связи границ переходных зон (экотонов) разного пространственного уровня с радиационным потоком тепла на суше и радиационным индексом сухости, выделении внутри каждого широтного пояса границ природных зон по определенным значениям радиационного индекса сухости, причем связь радиационного потока тепла на суше (Я) с нормированной географической широтой суббореального пояса (х) описывают уравнением энергетического баланса географических зон, выраженным вышеприведенной логистической функцией.

Для стабилизации деградационных процессов, т. е. «ноль-деградация», необходима лесомелиорация агрогеосистем. В агрогеосис-теме имеется большое число компонентов с характерными для них свойствами, которые при оптимизации необходимо сопоставлять, уравновешивать, приводить к общему объективному, средневзвешенному знаменателю. Таким обобщающим критерием является термодинамическая характеристика объектов исследований с определением физической и информационной энтропии [9, 12, 14].

Объектами послужили агро- и агролесоландшафты на юге Хоперско-Бузулукской равнины в экотоне между южными черноземами и темно-каштановыми почвами. Лесные полосы (ЛП) 40-летние, плотные, смешанного состава, высотой до 8-10 м.

Данные по этим объектам позволяют сделать вывод о том, что мощность гумусового горизонта почвы под ЛП в 1,1-1,5 раза выше, чем в открытых экотонах с максимумом влияния ЗЛН, в основном на водораздельных элементарных геохимических ландшафтах (ЭГЛ). Дисперсионный анализ данных показал [11, 12], 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 ЛП, 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. В таблице представлены данные по энергетике почв с участием мощности гумусового горизонта. Считаем это оправданным, так как 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 ЛП в 1,5-1,2 раза выше, чем в поле, с максимумом на водораздельном ЭГЛ (таблица). Что же касается удельной «гумусовой» энтальпии, то она лишь на 6-20 % выше под ЛП.

Таблица - Энтропийная характеристика гумусовой составляющей прироста энергии в горизонте А+В1 почвы под влиянием ЗЛН

ЭГЛ -АН

I

Водораздельный 53 0,78=-0,18+0,96 0,23

Трансэлювиальный 33 0,79=-0,11+0,90 0,14

Трансаккумулятивный 31 20 0,82=-0,11+0,93 1,07=-0,07+1,14 0,13 0,07

II

Водораздельный 31 0,73=-0,11+0,84 0,15

Трансэлювиальный 24 0,63=-0,08+0,71 0,13

Трансаккумулятивный 27 0,69=-0,09+0,78 0,13

Супераквальный 54 0,69=-0,18+0,87 0,26

Примечание: I - территория с лесной полосой вдоль склона, II - территория с системой лесных полос поперек склона; АН - прирост энергии, кал/г, ёБ - изменение энтропии, кал/г-град., -внешний поток энтропии, - внутренняя энтропия.

Заключение. Анализ радиационного потока тепла на суше позволяет установить границы и величину диапазонов переходных зон, характеризуемых значимыми изменениями радиационного потока тепла по географической широте, причем снижение энтропии свидетельствует о выраженной почвомелиорирующей роли ЗЛН, а степень этого снижения - о действенности лесомелиорации в цепи педосопряженных ЭГЛ. При этом, если оценивать потоки энтропии под влиянием лишь биологической аккуму-

ляции органического вещества, то можно наблюдать наибольшую эффективность лесомелиорации на водораздельной территории. Здесь же наибольший удельный вес в общей энтропии внешней составляющей. Когда же процессы биологической аккумуляции вещества дополняются механической аккумуляцией (с расположением ЗЛН поперек склона), изменение энтропии, связанное с действием ЗЛН (djS) 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). Таким образом, условием приближения агрогеосистем к оптимуму является возрастание энтальпии и уменьшение потока энтропии в почве и древостоях.

Библиографический список

1. Арманд, Д.Л. Географическая среда и рациональное использование природных ресурсов [Текст] / Д.Л. Арманд. - М.: Наука, 1983. - 240 с.

2. Будыко, М.И. Глобальная экология [Текст] / М. И. Будыко. - М.: Мысль, 1977. - 327 с.

3. Виноградов, Б.В. Основы ландшафтной экологии [Текст] / Б.В. Виноградов. - М.: ГЕОС, 1988. - 418 с.

4. Золотокрылин, А.Н. Природная переходная зона на Прикаспийской низменности [Текст] / А.Н. Золотокрылин, Т.Б. Титкова // Известия АН. Сер. Географическая. - 2004. - № 2. -С. 92-99.

5. Коломыц, Э.Г. Зонально-поясной экотон в системе больших равнинных водосборов (на примере Волжского бассейна) [Текст] / Э.Г. Коломыц // Экотоны в биосфере. - М.: РАН, 1997. -С 34-50.

6. Назаров, А.Г. Термодинамическая направленность почвообразования в истории развития экосистем [Текст] / А.Г. Назаров // Почвы, биогеохимические циклы и биосфера. - М.: Товарищество научных изданий КМК, 2004. - С. 70-102.

7. Пат. RU № 2507602 С1 Российская Федерация, МПК G09B 29/00 (2006.01). Способ картографирования природных переходных зон (экотонов) / Рулев А.С., Юферев В.Г., Кулик К.Н. и др.; заявитель ГНУ ВНИАЛМИ Россельхозакадемии (RU) / № 2012136002/12; заявл. 21.08.2012, опубл. 20.02.2014, Бюл. № 5; приоритет 21.08.2012. - 7 с.

8. Риклефс, Р. Основы общей экологии [Текст] / Р. Риклефс; под ред. Н.Н. Карташева; пер. с англ. Н. О. Фомина. - М.: Изд-во «Мир», 1979. - 424 с.

9. Рубин, А.Б. Термодинамика биологических процессов: учеб. пособие [Текст] / А.Б. Рубин. - 2-е изд. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1984. - С. 148-154.

10. Рулев, А.С. Аналитическое определение границ переходных природных зон (экотонов) [Текст] / А.С. Рулев, В.Г. Юферев // Вестник Волгогр. гос. ун-та. Сер. II. Естественные науки. - 2015. - № 1(1). - С. 69-74.

11. Рулев, А.С. Методология исследований структурно-функциональной организации аг-ролесоландшафта, организация почвенных систем [Текст] / А.С. Рулев, А.Н. Максимов, Б.А. Ис-упов // Методология и история почвоведения: материалы II Нац. конф. «Проблемы истории, методологии и философии почвоведения». - Пущино, 2007. - С. 71-73.

12. Рулев, А.С. Энергетические и геохимические показатели почвы как основа организации лесоаграрного ландшафта [Текст] / А.С. Рулев, Б.А. Исупов // Защитное лесоразведение в Российской Федерации. - Волгоград: ВНИАЛМИ, 2011. - С. 399-402.

13. Сочава, В.Б. Растительный покров на тематических картах [Текст] / В.Б. Сочава. - Новосибирск: Наука, 1979. - 190 с.

14. Флёров, Р.И. Опыт применения скорости возникновения энтропии в листовой системе лесных древесных пород [Текст] / Р.И. Флёров // Физиология растений. - Т. 13. - 1966. - Вып. 4. -

C. 688-694.

Reference

1. Armand, D.L. Geograficheskaja sreda i racional'noe ispol'zovanie prirodnyh resursov [Tekst] /

D.L. Armand. - M.: Nauka, 1983. - 240 p.

2. Budyko, M.I. Global'naja jekologija [Tekst] / M. I. Budyko. - M.: Mysl', 1977. - 327 p.

3. Vinogradov, B.V. Osnovy landshaftnoj jekologii [Tekst] / B.V. Vinogradov. - M.: GE-OS, 1988. - 418 p.

4. Zolotokrylin, A.N. Prirodnaja perehodnaja zona na Prikaspijskoj nizmennosti [Tekst] / A.N. Zolotokrylin, T.B. Titkova // Izvestija AN. Ser. Geograficheskaja. - 2004. - № 2. - P. 92-99.

5. Kolomyc, Je.G. Zonal'no-pojasnoj jekoton v sisteme bol'shih ravninnyh vodosborov (na primere Volzhskogo bassejna) [Tekst] / Je.G. Kolomyc // Jekotony v biosfere. - M.: RAN, 1997. - P. 34-50.

6. Nazarov, A.G. Termodinamicheskaja napravlennost' pochvoobrazovanija v istorii razvitija jekosistem [Tekst] / A.G. Nazarov // Pochvy, biogeohimicheskie cikly i biosfera. - M.: Tovarishhestvo nauchnyh izdanij KMK, 2004. - P. 70-102.

7. Pat. RU № 2507602 S1 Rossijskaja Federacija, MPK G09V 29/00 (2006.01). Sposob kartografi-rovanija prirodnyh perehodnyh zon (jekotonov) / Rulev A.S., Juferev V.G., Kulik K.N. i dr.; zajavitel' GNU VNIALMI Rossel'hozakademii (RU) / № 2012136002/12; zajavl. 21.08.2012, opubl. 20.02.2014, Bjul. № 5; prioritet 21.08.2012. - 7 p.

8. Riklefs, R. Osnovy obshhej jekologii [Tekst] / R. Riklefs; pod red. N.N. Kartasheva; per. s angl. N. O. Fomina. - M.: Izd-vo "Mir", 1979. - 424 p.

9. Rubin, A.B. Termodinamika biologicheskih processov [Tekst] : ucheb. posobie/ A.B. Rubin. -2-e izd. - M.: Izd-vo Mosk. un-ta, 1984. - P. 148-154.

10. Rulev, A.S. Analiticheskoe opredelenie granic perehodnyh prirodnyh zon (jekotonov) [Tekst] / A.S. Rulev, V.G. Juferev // Vestnik Volgogr. gos. un-ta. Ser. II. Estestvennye nauki. -2015. - № 1(1). - P. 69-74.

11. Rulev, A.S. Metodologija issledovanij strukturno-funkcional'noj organizacii agrolesoland-shafta, organizacija pochvennyh sistem [Tekst] / A.S. Rulev, A.N. Maksimov, B.A. Isupov // Prob-lemy istorii, metodologii i filosofii pochvovedenija: metodologija i istorija pochvovedenija: materialy II Nac. konf. - Pushhino, 2007. - P. 71-73.

12. Rulev, A.S. Jenergeticheskie i geohimicheskie pokazateli pochvy kak osnova organizacii lesoagrarnogo landshafta [Tekst] / A.S. Rulev, B.A. Isupov // Zashhitnoe lesorazvedenie v Rossijskoj Fed-eracii. - Volgograd: VNIALMI, 2011. - P. 399-402.

13. Sochava, V.B. Rastitel'nyj pokrov na tematicheskih kartah [Tekst] / V.B. Sochava. - Novosibirsk: Nauka, 1979. - 190 p.

14. Fljorov, R.I. Opyt primenenija skorosti vozniknovenija jentropii v listovoj sisteme lesnyh drevesnyh porod [Tekst] / R.I. Fljorov // Fiziologija rastenij. - Vol. 13. - 1966. - Issue 4. - P. 688-694.

E-mail: vnialmi@avtlg.ru

УДК 551.48:631.617

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ КРИВЫЕ ВЕРОЯТНОСТИ ПРЕВЫШЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СТОКА ТАЛЫХ ВОД И СТОКОРЕГУЛИРУЮЩАЯ РОЛЬ ЗЯБИ НА КАШТАНОВЫХ И ТЕМНО-КАШТАНОВЫХ ПОЧВАХ ВОЛГОГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ

MELT WATER SURFACE RUNOFF THEORETICAL CURVE EXCEEDANCE

PROBABILITY AND PLOWED FIELDS FLOW REGULATING ROLE ON CHESTNUT AND DARK CHESTNUT SOILS OF THE VOLGOGRAD REGION

А.Т. Барабанов1, доктор сельскохозяйственных наук А.И. Узолин1, кандидат сельскохозяйственных наук А.В. Кулик1, кандидат сельскохозяйственных наук М.М. Кочкарь2, кандидат сельскохозяйственных наук

A.T. Barabanov, A.I. Uzolin, A.V. Kulik, M.M. Kochkar

1 Всероссийский научно-исследовательский агролесомелиоративный институт, г. Волгоград 2Волгоградский государственный аграрный университет

'All-Russia scientific-research agrosilvicultural institute 2Volgograd State Agrarian University

Приведены результаты многолетних исследований формирования поверхностного стока талых вод и других элементов водного баланса с рыхлой и уплотнённой пашни на каштановых и темно-каштановых почвах Волгоградской области. Рассчитаны и построены теоретические кривые вероятности превышения склонового стока, которые указывают на высокую стокорегу-

40