Пошук по сайту


В. О. Забалуєв Дніпропетровський державний аграрний університет, Дніпропетровськ

В. О. Забалуєв Дніпропетровський державний аграрний університет, Дніпропетровськ


ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2003, Випуск 6





УДК 631.48:631.618:548.7

енергетичні і термодинамічні

характеристики гірських порід

як показники їх здатності до ґрунтоутворення

В.О.Забалуєв

Дніпропетровський державний аграрний університет, Дніпропетровськ

Показана можливість використання енергетичних і термодинамічних характеристик мінеральної частини гірських порід (енергія кристалічної решітки, вільна енергія Гіббса, ентропія) для оцінки їх ґрунтоутворювального потенціалу. Одержані розрахунки підтверджуються результатами багаторічних експериментальних дослідів по використанню субстратів гірських порід для моделювання штучних едафотопів при сільськогосподарській рекультивації земель.

Показана возможность использования энергетических и термодинамических характеристик минеральной части горных пород (энергия кристаллической решетки, свободная энергия Гиббса, энтропия) для оценки их почвообразовательного потенциала. Полученные расчеты подтверждаются результатами многолетних экспериментальных опытов по использованию субстратов горных пород для моделирования искусственных эдафотопов при сельскохозяйственной рекультивации земель.





Сприятливі фізичні властивості полідисперсних полімінеральних гірських порід обумовлюють можливість виникнення рослинного покриву після винесення їх на денну поверхню при гірничодобувних роботах. З часом акумуляція біофільних елементів у верхніх шарах створює умови для ґрунтотворного процесу, інтегрованим показником якого є накопичення гумусу. За висловом В.Р. Вільямса (1947) “горная порода, чтобы стать почвой, должна развить два новых свойства, слагающих существенный признак почвы – ее плодородие. Она должна приобрести способность к образованию и сохранению запаса воды …, сконцентрировать и удержать необходимый для развития растений запас элементов их зольной и азотной пищи”.

В зв’язку з цим цікавим є вивчення процесів ґрунтоутворення з енергетичної точки зору. Для оцінки потенційної здатності гірських порід до ґрунтоутворення і гумусонакопичення в процесі біологічного освоєння вивчали їх термодинамічні характеристики.

Як зазначає В.Р. Волобуєв (1974), з точки зору термодинаміки, енергія кристалічної решітки  це енергія, яку потрібно затратити для руйнування однієї грам-молекули кристалічної речовини до стану газоподібних одноатомних іонів, безкрайньо віддалених один від одного.


© Забалуєв В.О., 2003


В мінералогії важливою термодинамічною функцією є вільна енергія Гіббса. Вона характеризує ту частину енергії, за рахунок якої при відповідних умовах може здійснюватись корисна робота.

Енергію кристалічної решітки і вільну енергію Гіббса І.Ш. Іскандеров (1974) пропонує розраховувати за емпіричними формулами. Маючи кількісні дані про склад мінералів, обраховуються основні термодинамічні функції ґрунтів. Враховуючи складність точного визначення мінерального складу ґрунтів, В.Р. Волобуєв (1963, 1968) запропонував вважати мінеральну частину ґрунту сумою оксидів, а для розрахунків енергії кристалічної решітки та вільної енергії Гіббса використовувати дані валового хімічного аналізу мінеральної частини ґрунту. Кількість енергії в окремих оксидах брали з таблиць, приведених А.Є. Ферсманом (1934), а константи вільної енергії  з термодинамічних довідників (Карапетянц, Карапетянц, 1968; Карпов, 1968).

Аналіз даних таблиці 1 свідчить, що запаси внутрішньої енергії (енергія кристалічної решітки, вільна енергія Гіббса та ентропія мінеральної частини ) в полімінеральних гірських породах менші, ніж в зональному ґрунті. Як зазначає В.А. Ковда (1973), потенційна родючість ґрунтів обернено пропорційна запасу їх внутрішньої енергії. Отже, полімінеральні гірські породи мають досить сприятливі умови для біологічного освоєння. Вони мають більшу реакційну спроможність в порівнянні із зональним ґрунтом, що є передумовою інтенсивного ґрунтоутворюючого процесу.

Отже, енергія кристалічної решітки в гірських породах має менші показники, ніж в зональному ґрунті (за винятком мономінерального древньоалювіального піску)  відповідно 97166 і 185 МДж/кг. Меншою є й вільна енергія Гіббса  відповідно 8,612,2 та 13,2 МДж/кг, а також ентропія мінеральної частини  524600 та 654 КДж/кг. Такі показники обумовлюють більшу реакційну спроможність полімінеральних гірських порід в порівнянні із зональним ґрунтом, що є передумовою для інтенсивного ґрунтотворного процесу.



Таблиця 1. Термодинамічні характеристики мінеральної частини субстратів, КДж/100 г





Субстрат

Енергія кристалічної решітки

Вільна енергія

Гіббса

Ентропія мінеральної частини

Орний шар чорнозему південного

18476

1321

0,065

Лесоподібний суглинок

15725

1158

0,057

Червоно-бурий суглинок

16661

1200

0,059

Червоно-бура глина

15462

1141

0,055
Сіро-зелена мергелиста глина

9719

861

0,047

Темно-сіра глина

14789

1099

0,052

Древньоалювіальний пісок

20503

1367

0,067

Яблучно-зелена глина

16570

1208

0,056

Зелена безкарбонатна глина

16478

1221

0,060




За термодинамічними характеристиками сприятливість до біологічного освоєння гірських порід визначається таким рядом: сіро-зелена мергелиста глина > темно-сіра глина > червоно-бура глина > лесоподібний суглинок > яблучно-зелена глина > червоно-бурий суглинок > сіро-зелена безкарбонатна глина > древньоалювіальний пісок.

Таким чином, кількісні показники енергії кристалічної решітки, вільної енергії Гіббса та ентропії мінеральної частини можна використовувати при оцінці здатності субстратів до ґрунтоутворення.

Результати енергетичних показників підтверджуються багаторічними польовими та вегетаційними дослідами з біологічного освоєння літоземів (моделей штучних едафотопів без використання гумусованої маси зонального ґрунту) , які проводяться на науково-дослідному стаціонарі з рекультивації земель Дніпропетровського державного аграрного університету в Нікопольському марганцеворудному басейні.

Як свідчать дані таблиці 2, на початку багаторічного вегетаційного досліду в органічних компонентах гірських порід вміст енергії був у 8,414,9 разів менше, ніж в зональному ґрунті (за винятком темно-сірої глини, в якій міститься до 1,6 % органічної речовини, що пояснюється їх генезисом  це “законсервована” органіка морських міоценових відкладів, яка досить інертна на перших етапах біологічного освоєння).

З даних таблиці 2 видно, що за 19-річний період біологічного освоєння вміст енергії в органічних компонентах гірських порід в порівнянні з первинним збільшився в 2,8  4,4 рази (в темно-сірій глині  в 1,6 рази), тоді як в зональному ґрунті  лише в 1,1 рази. Найбільший приріст енергії зафіксовано в сіро-зеленій мергелистій глині, лесоподібному суглинку та темно-сірій глині. За темпами акумуляції енергії органічними компонентами кращі показники мають древньоалювіальний пісок (вміст енергії збільшився в 4,4 рази), зелена безкарбонатна та сіро-зелена мергелиста глини (в 4 рази).

Таким чином, процеси гуміфікації і акумуляції енергії органічною речовиною в гірських породах відбуваються значно інтенсивніше, ніж в зональному ґрунті, що підтверджує можливість використання енергетичних і термодинамічних характеристик субстратів при прогнозуванні їх ґрунтотворного потенціалу.

Високі темпи акумуляції енергії в органічних компонентах підтверджуються й результатами багаторічного польового досліду з сільськогосподарського освоєння літоземів, представлених технічною сумішкою червоно-бурих глин і суглинків та сіро-зеленими мергелистими глинами (таблиця 3).



Таблиця 2. Динаміка гумусоутворення в субстратах за 19-річний період їх біологічного освоєння (за даними багаторічного вегетаційного досліду)




Субстрат

Запаси енергії в органічній речовині, КДж/кг субстрату

Акумульовано енергії

за 19822000 рр.

1982 р.

2000 р.

КДж/кг

%

Орний шар чорнозему південного

611

680

69

11

Лесоподібний суглинок

63

222

159

252

Червоно-бурий суглинок

65

203

138

212

Червоно-бура глина

73

207

134

183

Сіро-зелена мергелиста глина

64

253

189

295

Темно-сіра глина

230

375

145

63

Древньоалювіальний пісок

41

180

139

339

Зелена безкарбонатна глина

47

186

139

296


Примітка. Чергування культур в досліді по рокам: люцерна посівна 2 роки  чистий пар  ярий ячмінь  горох, поукісно ячмінь  кукурудза  люцерна 1 рік  ярий ячмінь  люцерна 4 роки  ярий ячмінь 3 роки  горох  ярий ячмінь  люцерна 1рік  ярий ячмінь.
Таблиця 3. Біоенергетичні показники гумусоутворення при освоєнні літоземів в польовому

багаторічному досліді (Науково-дослідний стаціонар ДДАУ, 19712002 рр.)


Показники

Технічна суміш червоно-бурих глин і суглинків

Сіро-зелені мергелисті глини

1*

2

1

2

Кількість біомаси, що поступила в едафотоп з біомасою кореневих та післяжнивних решток, т/га

105,8

81,0

105,6

87,9

Надійшло енергії в едафотоп з біомасою, ГДж/га

1924

1456

1919

1581

Вміст енергії в органічних компонентах едафотопів (шар 0-20 см), ГДж/га:

на початку біологічного освоєння

через 30 років

122

424

122

385

88

536

88

477

Акумульовано енергії в органічних компонентах едафотопів за 30 років біологічного освоєння, ГДж/га




302



263



448



389



Примітки: 1 агросукцесія: люцерна посівна 4 роки  ярий ячмінь  еспарцет піщаний 5 років  ярий ячмінь  бобово-злакова травосуміш 9 років  чистий пар  озима пшениця  бобово-злакова травосуміш 10 років; 2  агросукцесія: люцерна посівна 4 роки  чистий пар  ярий ячмінь  ярий ячмінь  чистий пар  озима пшениця  ярий ячмінь  чистий пар  озима пшениця  ярий ячмінь  кукурудза  горох  ярий ячмінь  горох  ярий ячмінь  горох  ярий ячмінь  чистий пар  озима пшениця  озима пшениця  бобово-злакова травосуміш 9 років.



Дані таблиці 3 свідчать, що процес гумусонакопичення залежить не тільки від якісних характеристик субстратів, а також і від кількості та якості біомаси, що поступає в едафотоп і є основою для утворення органічної речовини. За 30-річний період вищі темпи акумуляції енергії виявились в сіро-зелених мергелистих глинах.

Висновки

  1. Енергетичні і термодинамічні показники мінеральної частини субстратів (енергія кристалічної решітки, вільна енергія Гіббса, ентропія) дозволяють оцінювати їх ґрунтоутворювальний потенціал. Потенційна родючість субстратів обернено пропорційна запасу їх внутрішньої енергії.

  2. Полімінеральні гірські породи мають сприятливі енергетичні і термодинамічні характеристики для їх успішного біологічного освоєння. Більша реакційна спроможність в порівнянні із зональним ґрунтом свідчить про можливість інтенсивного ґумусонакопичення.

  3. Експериментально підтверджено, що полімінеральні гірські породи мають високий грунтоутворювальний потенціал. В процесі біологічного освоєння вміст енергії в органічній частині в цих субстратах збільшився в 2,84,4 рази, що є передумовою формування в майбутньому стійких стабільних едафотопів як компонента агроекосистеми на рекультивованих землях.



Перелік посилань


  1. Вільямс В.Р. Почвоведение. Земледелие с основами почвоведения. - 5-е издание. – М.: Сельхозгиз, 1947.  С. 37.

  2. Волобуев В.Р. Экология почв (очерки). - Баку: Изд. АН АзербССР, 1963.  176 с.

  3. Волобуев В.Р. Опыт расчета энергии кристаллической решетки почвенных минералов // Почвоведение. - 1968.- № 4.  С. 8993.

  4. Волобуев В.Р. Введение в энергетику почвообразования. -М.: Наука, 1974.  167 с.

  5. Искандеров И.Ш. Энергия кристаллической решетки и свободная энергия минеральной части почв // Почвоведение. - 1974.- № 4.  С. 147149.

  6. Карапетянц М.Х., Карапетянц М.Л. Основные термодинамические константы неорганических веществ.  М.: Химия, 1968.  87 с.

  7. Карпов И.К. Константы веществ для термодинамических расчетов в геохимии и петрологии.  М: Наука, 1968.  66 с.

  8. Ковда В.А. Основы учения о почвах. - М.: Наука, 1973. - Кн. 1.

  9. Ферсман А.Е. Геохимия. - Л.: ОНТИ.- 1934. – Т. 2. - С. 5861.


V.O. Zabaluev

Energetic and thermodynamics characteristics of striping rocks as measure of soil development ability


Dniеpropetrovsk State Agrarian University, Dniepropetrovsk

Capability of usage of energetic and thermodynamics characteristics of mineral part of striping rocks (lattice energy, free energy of Gibbs, entropy) were showed. Technology can be used for evaluation of soil-forming potential of rocks. Theoretical computations were developed are confirmed by experimentation results with striping rocks usage for modeling artificial edaphotops during agricultural stage of land reclamation.


Надійшла до редколегії 14 вересня 2003 р.

Представлено членом редколегії канд. біол. наук О.О. Скрипником








поділитися в соціальних мережах



Схожі:

Досягнення та перспективи
Матеріали Міжнародної науково-практичної конференції, присвяченої 100-річчю від дня народження проф. Л. А. Христєвої (Дніпропетровськ,...

Одеський державний аграрний університет
Українська мова та література 6 лютого 2016р об 11. 00 аудиторія 313, вул. Пантелеймонівська, 13, корпус 2

Ю. В. Лахнова Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту
Розкриті особливості взаємодії залізничного транспорту з довкіллям, екологічні вимоги до його об’єктів. Надано інформацію про стан...

Київський державний лінгвістичний університет
Зигмунд Фрейд народився 6 травня 1856 року в Фрейберзі, провінційному місті, в сім'ї дрібного торговця. Незабаром сімейство Фрейдів...

Міністерство освіти І науки, молоді та спорту буковинський державний...
Рекомендовано до друку на засіданні кафедри державної служби, історії та політології Буковинського державного фінансово-економічного...

Ти І науки, молоді та спорту україни бердянський державний педагогічний...
Олександр Іванович ёc д пед н., проф., зав каф фізики й методики викладання фізики зну

Комунальний заклад «дніпропетровський обласний інститут післядипломної педагогічної освіти»
України 17 листопада 2011 року за №1318/20056, Дніпропетровський обласний інститут післядипломної педагогічної освіти надсилає графік...

Державний стандарт
Державний стандарт визначає вимоги до освіченості учнів І випускників основної та старшої школи, гарантії держави у її

Державний стандарт базової та повної загальної середньої освіти (далі...
Державний стандарт базової та повної загальної середньої освіти (далі — Державний стандарт) розроблений відповідно до мети загальної...

Звіт директора дптнз «Білківський професійний аграрний ліцей»
Закінчується навчальний рік І тому ми зібралися сьогодні, щоб заслухати звіт про діяльність директора на посаді протягом 2012-2013...



База даних захищена авторським правом © 2017
звернутися до адміністрації

h.lekciya.com.ua
Головна сторінка