Енергетичні та термодинамічні характеристики ґрунтотворних порід та рендзин Подільських Товтр

Размещено на http://www.allbest.ru/

Енергетичні та термодинамічні характеристики ґрунтотворних порід та рендзин Подільських Товтр

Останнім часом, все більшого розповсюдження набуває практика застосування енергетичних та термодинамічних характеристик ґрунтотворних порід і ґрунтів для встановлення потенціалу ґрунтотворення та подальшого ґрунтогенезу. Як відзначає Д. Г Тихоненко «ґрунтогенез є складним антиентропійним біо-гео-фізико-хімічним процесом екзогенного перетворення на поверхні Зем-лі речовин та енергії, причетним до формування з неродючої породи якісно нового, наділеного родючістю природного тіла - ґрунту» [13].

Одним із засновників концепції потенціалу ґрунтотворення вважається американський науковець Г. Йєнні, який у праці «Фактори ґрунтотворення» обґрунтував функціональний зв'язок між ґрунтом і найважливішими чинни-ками ґрунтотворення. Згодом його положення набули підтримки та подаль-шого розвитку в наукових працях В. Р. Волобуєва [1-2], А. Є. Ферсмана [14], І. Ш. Іскандерова [7], С. А. Шоби, В. О. Таргульяна [11, 12], О. М. Геннадіє-ва [3], Ф. М. Лисецького [9], П. В. Голеусова [4], В. О. Забалуєва [6], Є. Н. Кра- сєхи і С. П. Позняка [10] С. Г. Чорного, О. І. Єргіної [5], А. А. Кирильчука [8] та багатьох інших.

Зокрема, І. Ш. Іскандеров [7] запропонував розраховувати енергію криста-лічної решітки (ит) і вільну енергію Гіббса ^т) за емпіричними формулами. Маючи кількісні дані про склад мінералів, можна обрахувати основні термоди-

намічні функції ґрунтів. Враховуючи складність точного визначення мінераль-ного складу ґрунтів, В. Р. Волобуєв [1-2] запропонував вважати мінеральну частину ґрунту сумою оксидів, а для розрахунків енергії кристалічної решітки та вільної енергії Гіббса використовувати дані валового хімічного аналізу мі-неральної частини ґрунту.

Досліджуючи онтогенетичні стадії рендзин Західного регіону України А. А. Кирильчук зазначає, що розвиток цього напряму досліджень створює певні можливості використання термодинамічних показників ґрунтів та ґрун-тотворних порід, зокрема енергії кристалічної ґратки, вільної енергії Гіббса та ентропії мінеральної частини для оцінки здатності гірських порід до ґрун- тотворення [8]. Тому надзвичайно перспективним і актуальним є вивчення процесів ґрунтотворення саме з енергетичної та термодинамічної точки зору. Водночас зазначимо, що існуючі теоретичні та методологічні підходи потребу-ють вдосконалення, оскільки існуючі засади мають низку недоліків та спірних питань, що значно обмежує можливості практичних досліджень.

Метою дослідження є встановлення термодинамічних та енергетичних ха-рактеристик ґрунтотворних порід та рендзин Подільських Товтр. Відповідно до мети, виділено такі завдання:

- дослідити термодинамічні та енергетичні характеристики ґрунтотвор-них порід та рендзин Подільських Товтр.

- визначити кількісні показники запасів енергії кристалічної решітки (ит), вільної енергії Гіббса ^т_{298 15}) та ентропії ^т_{298 15}).

- обґрунтувати роль дернового процесу в акумуляції енергії гумусу.

Матеріали та методи дослідження

Впродовж 2013-2017 рр. була закладена система аналізованих ґрунтових розрізів на 5 ключових ділянках, що репрезентують рендзини на різних угід-дях: ріллі, перелогах та цілинних ділянках під лісовими та лучно-степовими фітоценозами. Зразки ґрунту відбирались пошарово (через кожні 10 см).

Зважаючи на широке впровадження енергетичного підходу, було застосо-вано вже прийняті та апробовані в наукових працях [1, 2, 5, 6-8] розрахункові методи, запропоновані А. Є. Ферсманом та удосконалені В. Р. Волобуєвим із встановлення енергетичних та термодинамічних характеристик ґрунтотворних порід та рендзин Подільських Товтр, які базуються на твердженні про міне-ральну частину ґрунту, як суму оксидів. В основу обрахунків покладено дані валового хімічного складу досліджуваних ґрунтів та ґрунтотворних порід, які ототожнюються з літостріальними відмінностями Подільських Товтр. Для ко-ректного співставлення величин відсотковий вміст оксидів хімічних елементів був переведений в кДж/г застосовуючи наступні формули:

де Um - енергія кристалічної решітки (кДж/г); Gm - енергія Гіббса (кДж/г); Sm - ентропія (кДж/г); U- енергія кристалічної решітки (кДж/моль); G - енер-гія Гіббса (кДж/моль); S - ентропія (кДж/моль); М - молярна маса сполуки (г/моль).

Для визначення енергії гумусу застосовували методику Д. С. Орлової та Л. А. Грішиної [8], якими було запропоновано спрощену формулу обрахунків:

Q = 517,2 х Г х Н х d,

де Q - запаси енергії акумульовані гумусом ґрунту, млн. ккал/га; 517,2 - коефі-цієнт переведення у млн. ккал/га; Г - вміст гумусу, %; Н - потужність горизон-ту, м; d - щільність будови ґрунту, г/см³.

Розрахункові операції та графічну обробку даних виконувались за допомо-гою програмних пакетів Microsoft Office Excel 2010.

РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕННЯ ТА ЇХ ОБГОВОРЕННЯ

Отримані результати досліджень засвідчують, що характерною особли-вістю рендзин та ґрунтотворних порід є високі запаси енергії кристалічної решітки (Um = 6951,44-17728,82 кДж/г) та вільної енергії Гіббса (Gm_{298 15} = 1089,07-1327,72 кДж/г), а також слабо мінливі значення ентропії (Sm_{298 15} =

65,12- 67,75 кДж/г х град) (табл. 1, рис. 1).

Такі низькі енергетичні показники ґрунтотворних порід зумовлені значним вмістом СаО. Проте, як стверджує у своїх дослідженнях В. О. Забалуєв [6], гір-ські породи, які характеризуються меншими показниками запасів внутрішньої енергії мають більшу реакційну спроможність і створюють сприятливі умови для біологічного освоєння, що цілком узгоджується із твердженням В. А. Ков- ди [5, 8] про обернено пропорційну залежність між запасами внутрішньої енергії материнських порід та родючістю ґрунтів.

Встановлено, що досліджувані ґрунтотворні породи характеризуються значною часткою безкремнеземної енергії, оскільки збагачені переважно на CaCO₃, на відміну від порід, які мають високу енергію кристалічної решітки за рахунок високого вмісту Силіцію. Оскільки така гратка є міцною і важче руй-нується, то це створює умови для накопичення в ґрунті залишкових мінералів, що опосередковано свідчить про залишкове оглинювання ґрунтового профілю [8, 15].

Водночас, значних відмінностей між енергетичними показниками рендзин сформованих на різних материнських породах не виявлено. Існує лише їхня профільна диференціація, що чітко корелює з даними валового хімічного скла-ду. Зокрема найвищими значеннями енергії кристалічної решітки (ит) харак-теризуються верхні генетичні горизонти профілю рендзин, де її величини зна-ходяться в межах 16569,21-17728,82 кДж/г і знижуються вниз по профілю до

7932,12- 13318,39 кДж/г. Це зумовлено значним відносним вмістом SiO₂, який має найвищі енергетичні показники і відповідно найбільше впливає на їх за-паси в ґрунті.

Варіабельність показників вільної енергії Гіббса ^т_{298 15}) дещо більша. Так найбільшими показниками закономірно відзначається бура парарендзи- на (АП2, переліг) - 1327,82-1226,05 кДж/г, найменшими - рендзина типова сформована на щільних вапнякових породах під лучно степовою рослинністю (ВЦ-4) - 1295,77-1112,04 кДж/г.

Відношення вільної енергії Гіббса до енергії кристалічної ґратки ^т/ит, %) (табл. 1) дає підстави стверджувати, що незважаючи на досить низькі показни-ки енергії кристалічної ґратки, досліджувані ґрунти мають досить значну част-ку вільної енергії Гіббса, яка може перетворитися у роботу. Тобто елементарні ґрунтові процеси, зокрема гумусоутворення, гумусонакопичення, вивітрюван-ня, вилуговування, знекарбоначування будуть розвиватись досить інтенсивно.

Показники ентропії ^т₂₉₈₁₅), досліджуваних ґрунтів коливаються в дуже вузьких межах - 67,29-67,87 кДж/г х град у верхніх генетичних горизонтах та 65,69-67,60 кДж/г х град - в нижніх. При цьому, тренд розподілу показників ентропії не завжди корелює з розподілом величин енергії кристалічної решітки і особливо показниками енергії Гіббса. А. Є. Ферсман досліджуючи закономір-ності цих показників, зазначає: «... утворення кристалічної решітки із вільних іонів є процесом зменшення вільної енергії системи, що веде до збільшення її ентропії» [14].

Але при цьому автор стверджує, що така властивість спостерігається лише за умови, якщо брати до уваги систему загалом, тобто суму іонів, які склада-ються у решітки і матеріальне середовище, у якому вивільнена енергія роз-сіюється.

Якщо ж систему розуміти виключно як суму іонів, то у разі переходу з іон-ного газу в кристалічний стан, їхня ентропія (розсіяна енергія) не зростає, а зменшується [8; 14].

Серед особливостей профільного розподілу енергетичних показників слід відзначити вирівнювання їхніх величин між генетичними горизонтами Нса та НРса, розрізу БР-3, що зумовлено антропогенною педотурбацією мінеральної частини ґрунту.

З позиції енергетичного підходу гумус як і мінеральна частина ґрунту є по-тужним геохімічним акумулятором, який в планетарному масштабі, за твер-дженнями В. А. Ковди зосереджує близько 10²⁰ ккал енергії [13].

Таблиця 1

Перші методичні розробки з досліджень енергії гумусу обґрунтовані І. В. Тюріним, який на основі кількісного вмісту Карбону та окислювальної здатності гумусу розробив формулу для обчислення запасів його енергії [13].

Застосувавши зазначений метод ми розрахували запаси енергії акумульовані в гумусових горизонтах (табл. 2).

Отримані показники засвідчують, що для досліджуваних рендзин характерна значна варіабельність енергії гумусу, зумовлена насамперед різним його вмістом. Так, найбільшими запасами енергії в гумусі (2347-2488 мДж/га в 10- ти сантиметрах гумусового горизонту Нса) характеризуються рендзини типові, що формуються на щільних вапняках вершин товтр. Найменшими запасами - бурі парарендзини схилів товтр (742,13 мДж/га в 10-ти сантиметрах гумусового горизонту Нса).

Важливу роль для активного накопичення енергії в гумусі відіграє інтенсивність дернового процесу та видовий склад рослин, що беруть участь в ґрунтотворному процесі. Зокрема, В. Р. Волобуєв у своїх працях [2] зазначав, що трав'яниста рослинність зумовлює накопичення в декілька разів більше енергії гумусу, ніж лісова, а «м'які» морфологічні частини рослин (листя і стебла трав, листя кущів і дерев), відповідно привносять в ґрунт більше енергії, ніж «тверді» (гілки, корені, стовбури).

Таблиця 2

Загалом, дослідження енергетики ґрунтів - надзвичайно актуальний на-прям, що в перспективі допоможе у вирішенні багатьох проблем генетичного ґрунтознавства. Проте на сьогодні він потребує розробки нових фундаменталь-них теоретичних та методологічних підходів, оскільки існуючі засади мають низку недоліків, як теоретичного, так і методологічного характеру, що значно обмежує можливості практичних досліджень

Висновки

1. Характерною особливістю рендзин та ґрунтотворних порід є високі запаси енергії кристалічної решітки (ит = 6951,44-17728,82 кДж/г) та вільної енергії Гіббса ^т29815 = 1089,07-1327,72 кДж/г), а також слабо мінливі значення ентропії ^т29815 = 65,12-67,75 кДж/г * град), що зумовлено значним вмістом СаО.

2. Встановлено, що досліджувані ґрунтотворні породи характеризуються значною часткою безкремнеземної енергії, оскільки збагачені переважно на СаС03, на відміну від порід, які мають високу енергію кристалічної решітки за рахунок високого вмісту Силіцію. Оскільки така гратка є міцною і важче руйнується, то це створює умови для накопичення в ґрунті залишкових мінералів, що опосередковано свідчить про залишкове оглинювання ґрунтового профілю.

3. Найвищими значеннями енергії кристалічної решітки (ит) характеризуються верхні генетичні горизонти профілю рендзин, де її величини знаходяться в межах 16569,21-17728,82 кДж/г і знижуються вниз по профілю до

7932,12- 13318,39 кДж/г. Це зумовлено значним відносним вмістом SiO2, який має найвищі енергетичні показники і відповідно найбільше впливає на їх запаси в ґрунті.

4. Для досліджуваних рендзин характерна значна варіабельність енергії гумусу. Найбільшими запасами енергії в гумусі (2347-2488 мДж/га в 10-ти сантиметрах гумусового горизонту Нса) характеризуються рендзини типові, що формуються на щільних вапняках вершин товтр. Найменшими запасами - бурі парарендзини схилів товтр (742,13 мДж/га в 10-ти сантиметрах гумусового горизонту Нса). Важливу роль для активного накопичення енергії в гумусі відіграє інтенсивність дернового процесу та видовий склад рослин.

Список використаної літератури

енергія ґрунтотворний земля

1.Волобуев В. Р. Введение в энергетику почвообразования [Текст] / В. Р Волобуев. - М.: Наука, 1974. - 128 с.

2.Волобуев В. Р Опыт расчета энергии кристаллической решетки почвенных минералов [Текст] /

B. Р Волобуев // Почвоведение. - 1968. - № 4. - С. 89-93.

3.Геннадиев А. Н. Стадиальность почвообразования и географическая среда [Текст] / А. Н. Геннадиев // Вести. Московского ун-та. - Сер. : геогр. - 1988. - № 2. - С. 21-28.

4.Голеусов П. В. Формирование почв в различных комбинациях субстратно-фитоценотических условий лесостепной зоны [Текст] / П. В. Голеусов. // Почвоведение. - 2003. - № 9. - С. 1050-1060.

5.Єргіна О. І. Енергетичні та термодинамічні характеристики ґрунтів та ґрунтоутворювальних субстратів Кримського півострова [Текст] / О. І. Єргіна // Вісник Львівського університету. - Серія : географічна. - 2013. - Вип. 41. - С. 132-139.

6.Забалуєв В. О. Енергетичні і термодинамічні характеристики гірських порід як показники їх здатності до ґрунтоутворення [Текст] / В. О. Забалуєв // Екологія і природокористування. - 2003. - Вип.

Размещено на Allbest.ru