МОДЕЛЬ ТРАНСФОРМАЦИИ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА В ПОЧВЕ ДЛЯ КОЛИЧЕСТВЕННОГО ИЗУЧЕНИЯ ФУНКЦИЙ ПОЧВЫ В ЭКОСИСТЕМАХ

Член-корреспондент АН СССР В.А. КОВДА, В.В. БУГРОВСКИЙ, 

А.С. КЕРЖЕНЦЕВ, Н.Н. ЗЕЛЕНСКАЯ
(Опубликовано: Доклады Академии  наук СССР 1990. Том 312, №3)

В настоящее время сформулированы следующие биосферные функции почвы [1]: биоэкологическая, биоэнергетическая, азотно-белковая, биогеохимическая, функция оземления изверженных горных пород, гидрологическая, газово-атмосферная. Представляет интерес количественное изучение этих функций и их динамики с помощью математического моделирования. Предлагается модель трансформации органического вещества в почве в процессе биосферного круговорота вещества и энергии: синтеза органического вещества растениями и его разложения почвенными животными и микроорганизмами. Такая модель, не затрагивая качественной стороны сложных физико-химических процессов, протекающих в почве, дает возможность проследить в динамике интегральный результат их действия и пролить свет как на количественную сторону проявления указанных выше функций почвы, так и на их динамические закономерности. Концепцию модели иллюстрирует рис. 1.

Рис. 1.  Концепция модели трансформации органического  вещества  в  почве.

Опад степных и луговых экосистем на 70—80% состоит из корневой массы, поступающей непосредственно в толщу генетических горизонтов. Заметим, что техника измерения корневого опада нуждается в проработке.

Стадии разложения органического вещества соответствуют его составу и количеству в горизонтах почвенного профиля А0, А1, АВ, В, ВС, С. Запасы органического вещества в генетических горизонтах измерить не составляет труда. Зато скорости трансформации пока не поддаются прямому измерению. Модель строится так, чтобы, опираясь на известные данные о запасах органического вещества в почвенных горизонтах, вычислить неизвестные скорости его перехода из одного горизонта в другой. Одновременно с решением этой задачи мы получаем и характерные времена формирования почвенных горизонтов или время полного обновления органической массы каждого горизонта и всего профиля в целом.

Модель имеет балансовый характер. Генетические горизонты рассматриваются как «емкости», содержание которых определяется разностью входа и выхода вещества. Переход из одного горизонта в другой связан с его качественным превращением и определяется соответствующими скоростями (Vij), показывающими, какая часть вещества данного горизонта переходит по данному каналу за определенный интервал времени, меняя при этом качество. Число горизонтов в модели не критично и может меняться в соответствии с конкретным изучаемым профилем без принципиального изменения модели. Концептуальная схема рис. 1 описывается системой обыкновенных дифференциальных уравнений:

или в конечно-разностном виде для ЭВМ:

i — А0, A1, АВ, В, ВС, С; j = 0, 1, 2, 3, 4. Vi0 — приход вещества в горизонт профиля, Vi1 — выход вещества из горизонта в атмосферу (дыхание почвы), Vi2— выход вещества в фитомассу (зольность прироста), Vi3 — выход вещества из горизонта в гидросферу: минерализация почвенного раствора, модель химического стока, Vi4 — переход вещества из вышележащего горизонта в нижележащий.

Предложенная система уравнений при известных массах вещества в сложившихся горизонтах почвенного профиля Mi может быть решена относительно коэффициентов перехода вещества из горизонта Vi4, в том случае, если известны скорости выноса вещества в атмосферу Vi1, в фитомассу Vi2, в гидросферу Vi3. Эти скорости можно получить следующим образом. Поступление минеральных элементов из почвы в фитомассу определяется через зольность прироста. Параметр поддается измерению на любой стадии развития фитоценоза. Вынос вещества в атмосферу соответствует измеренной величине дыхания почвы по СО2. Вынос в гидросферу можно определить по минерализации почвенного раствора или модулю химического стока [2]. Заметим, что методика измерений этих величин также нуждается в проработке.

Модель была идентифицирована по данным типичных профилей дерново-подзолистой почвы и чернозема (рис. 2). В качестве базовых показателей использованы соответствующие массы годового опада и запасы органического вещества в генетических горизонтах. Затем на ЭВМ подбирались скорости, при которых в установившемся (стационарном) режиме образуется заданный профиль. Оказалось, что характерная масса профиля дерново-подзолистой почвы 133 т/га при массе годового опада 5,5 т/га полностью обновляется за период времени порядка 80 лет. Это и есть характерное время данного профиля. Характерная масса профиля чернозема типичного 825 т/га при опаде 11,2 т/га обновляется за 350 лет. В табл. 1 показаны характерные массы и соответствующие характерные времена генетических горизонтов этих почв.

Рис. 2. Моделирование дерново-подзолистой почвы (а) и чернозема (б). 
А0, A1, АВ, В, ВС - горизонты почвенного профиля 
(соответствует обозначениям рис. 1)

С помощью предлагаемой модели возможен переход к количественному описанию почвы как открытой системы, развивающейся в динамическом равновесии с условиями или факторами почвообразования, а также изучение количественных и динамических закономерностей ее функционирования в экосистемах и в биосфере. Изменение условий среды вызывает, прежде всего, изменение скорости разложения органического вещества (и характерных времен каждого горизонта), затем происходит изменение количества органического вещества и его состава.

Все эти изменения фиксируются, и в модели рассчитывается их динамика. Параллельно могут быть рассчитаны величины, характеризующие биосферные функции почвы. Легко заметить, что три динамических характеристики: характерное время, характерная масса, характерный спектр фракций определяют весь диапазон изменчивости почвы. На этой основе возможен переход от диагностики почвенного профиля по сочетанию статических признаков составляющих его горизонтов к диагностике по сочетанию статических и динамических параметров почвенных горизонтов, что открывает новые возможности для повышения объективности почвенной диагностики и разработки принципиально новой классификации почвы как динамичного компонента биосферы.

Для построения упрощенной классификации может быть использована двумерная шкала, координатами которой являются характерная масса почвенного профиля (М) и характерное время (τ) обновления органического профиля. Пример построения такой шкалы приведен на рис. 3, где точками обозначены исследованные нами почвы.

Рис. 3. Динамическая шкала классификации почв.

М _Σ. τ - суммарная масса органического вещества, 

τ - полное время образования почвенного профиля.

Предлагаемая модель позволяет построить и более полную, трехмерную шкалу количественной диагностики почвенных профилей. Все многообразие почв в их динамике можно описать соотношениями трех динамичных параметров: характерного времени, характерной массы, характерного спектра фракций.

Институт проблем управления, Москва.
Институт почвоведения и фотосинтеза Академии наук СССР, 
Пущино Московской обл.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ковда В.А. Проблемы защиты почвенного покрова и биосферы планеты. Пущино, 1989. 155 с. 
2. Керженцев А.С, Кузнецов М.Я., Кузнецова Е.В. В сб.: О моделировании процесса трансформации органического вещества в почве. Информационные проблемы изучения биосферы. М.: Наука, 1988, с. 67-76.