Экологическая функция почв. Участие почв в формировании геохимического потока элементов

Экологические функции почв. Биохимическое преобразование верхних слоев литосферы. Трансформация поверхностных вод в грунтовые и участие в формировании речного стока. Регулирование газового режима атмосферы. Экологическая функция почв. Участие почв в формировании геохимического потока элементов.

ЛЕКЦИЯ № 8,9,10

ЭКОЛОГИЯ ПОЧВ

ТЕМА:

Почвенный покров образует одну из геофизических оболочек Земли – педосферу. Основные геосферные функции почвы как природного тела обусловлены положением почвы на стыке живой и неживой природы. И главная из них – обеспечение жизни на Земле. Именно в почве укореняются наземные растения, в ней обитают мелкие животные, огромная масса микроорганизмов. В результате почвообразования именно в почве концентрируются жизненно необходимые организмам вода и элементы минерального питания в доступных для них формах химических соединений. Таким образом, почва – условие существования жизни, но одновременно почва – следствие жизни на Земле.

В категорию глобальных функций почв входят функции, реализуемые почвенным покровом в его взаимодействии с литосферой, гидросферой, атмосферой, биосферой в целом и этносферой.

Глобальные функции почв в биосфере базируются на следующих основополагающих ее качествах. Во-первых, почва служит средой обитания и физической опорой для огромного числа организмов; во-вторых, почва является необходимым, незаменимым звеном и регулятором биогеохимических циклов, практически круговороты всех биогенов осуществляются через почву.

1. Литосферные функции

Проблема литосферных функций почвы на первый взгляд мо­жет показаться неправомочной. Действительно, если влияние почвенного покрова на взаимодействующую с ним атмосферу и гидросферу очевидно в связи с подвижностью и способностью к перемешиванию контактирующих с почвой воздушных и водных масс, то воздействие почвы на каменную оболочку воспринимает­ся как малозначительное. Поэтому не случайно длительное время углубленно изучалась лишь роль литосферы в почвообразовании и были установлены основные особенности почвообразовательно­го процесса на различных исходных субстратах. Однако феномен обратной связи ощутим. Литосфера своими поверхностными слоями не только определяет направле­ние и разнообразие почвообразовательного процесса, но и сама во многих проявлениях и трансформациях зависит от жизни и динамики покрывающей ее тонким слоем почвы (Вернадский В.И., 1960). В первую оче­редь воздействие почвообразования испытывают на себе коры выветривания и осадочная оболочка в целом. Но и другие состав­ляющие литосферы, если брать геологические масштабы време­ни, связаны прямо или чаше всего опосредованно с событиями, реализующимися в поверхностном слое.

Для понимания существа взаимосвязей почвы и литосферы, несомненно, первостепенное значение имеет динамика каменной оболочки. Отмечается большое значение обмена веществом и энер­гией между континентальными сухопутными регионами (главными носителями почвенного покрова) и океаническими бассейнами (Вернадский В.И., 1960).

При этом отмечается особое значение в процессах взаимодействия и обмена веществом между континентами и океаном переходных зон. Проблема взаимодействия почвенной оболочки и литосферы не может исчерпываться только глобальным аспектом, ярким вы­разителем которого оказываются исследования взаимосвязи кон­тинентов и океанов.

Не менее важной самостоятельной стороной проблемы является всестороннее изучение экзогенных геологиче­ских процессов, их переплетений с процессами почвообразования.

1.1. Почва – защитный слой литосферы и фактор развития литосферы

Верхняя часть литосферы, граничащая с гидросферой и воз­душной оболочкой, находится в особых термодинамических и геохимических условиях. Поверхностные горизонты литосферы испытывают постоянное разрушающее воздействие ряда агентов. На континентах особую разрушающую силу несут с собой движу­щиеся воды и ветер, наиболее интенсивно воздействующие на незащищенные почвенным и растительным покровом дневные го­ризонты геологических пород.

Без почвенного слоя поверхность литосферы была бы подвержена мощному фронталь­ному эрозионному воздействию текучих вод. Не менее тяжелые потери возникают от дефляции, приобретающей бурный, затяжной характер при уничтожении почвенно-защитного чехла (Вернадский В.И., 1960).

На Земле в силу мощного проявления экзогенеза каче­ственно иное структурно-динамическое состояние литосферы, которая оказалась гораздо более продвинутой в эволюционном плане. Одна из важнейших причин этого — наличие на нашей планете развитого почвенного покрова.

Благодаря гидросферным функциям почвы реализуются в течение многих миллионов лет влагообороты на Земле, имеющие столь существенное значе­ние в глубоком экзогенном преобразовании каменной оболочки. С циркуляцией воды во внешней области Земли связано функцио­нирование на нашей планете мощного комплекса экзогенных процессов, оказывающих огромное влияние на другие компонен­ты – литосферу, органический мир, вовлечение их в глобальные круговороты.

Значительный вклад вносит почва в эффект сбалансированности развития литосферы – уравновешенность эндогенных и экзогенных факторов, внутренних и внешних источников энергии литосферы и существование процессов возврата в каменную оболочку теряемого ею вещества (Вернадский В.И., 1960).

1.2. Преобразование приповерхностной части литосферы

В биохимическом преобразовании верхнего слоя литосферы почва принимает прямое и косвенное участие. Косвенное влияние заключается в том, что без почвы не было бы активного биохимического преобразования литосферы, потому что в почве обитают организмы, осуществляющие процессы преобразования.

Здесь почва выступает источником органических кислот. При взаимодействии фульвокислот с первичными минералами наряду с разложением последних мог происходить и синтез глиняных минералов, при котором частично фиксируется мобильный магний (см приложение 1).

Кроме кислот, возникающих при гумусообразовании, важными агентами разрушения и изменения минералов литосферы являются попадающие в почву продукты жизнедеятельности обитающих в ней микроорганизмов. В результате совместного действия эти агенты оказываются важнейшими факторами мобилизации хи­мических элементов, законсервированных в кристаллических ре­шетках, которые идут на питание различных живых существ био­сферы (см. приложение 2).

Приложение 1

Минерал	Растворы кислот, 0,005 н.	Общая минера­лизация раство­ров, мг/л	SiO2	А12О3	Fe2O3	СаО	MgO	К2О	Na2O
Нефелин	фк	277	120	53	—	—	—	39	65
гк	416	137	100	—	—	—	30	77
Монтмо­риллонит	фк	97	35	3	7	50	3	—	—
гк	85	47	12	13	13	0	—	—

Приложение 2

Освобождение SiO₂ из минералов под влиянием кислотно-щелочеобразующих микроорганизмов (Аристовская, 1980)

Микроорганизмы	pH	Извлечение SiO2 из различных минералов, мг/л
	в исходной среде	в куль­туре	40 сут	70 сут	70 сут
			нефелин	плагиоклаз	кварц
Penicillium notatum	6,6	3,1	124,0
	6,3	1,9	—	4,0
	4,9	1,9	—	—	0,8
Sarcina ureae	7,8	9,6	13,0
	6,8	9,5	—	2,6
	5,8	9,5	—	—	14,0

Процесс микробиологической деструкции минералов материн­ских пород наглядно проявляется на ранних стадиях почвообра­зования, когда в исходном субстрате еще не накопилось зольных веществ и минералы породы оказываются почти единственным источником питания живых организмов.

Среди агентов преобразования минералов заметную роль могут играть биогенные щелочи, вклад которых в процессы выветрива­ния остается пока слабо изученным. В то же время образование биогенных щелочей – широко распространенный в природе про­цесс, который в отдельных микроочагах может протекать даже в кислых подзолистых почвах. Основным источником биогенных щелочных соединений могут быть соли слабых органических кис­лот и сильных оснований, образующихся при разложении расти­тельных остатков, среди продуктов минерализации которых ока­зываются карбонаты и бикарбонаты. Щелочи образуются также при аммонификации белковых веществ. Они могут накапливаться в почве после внесения навоза и других азотсодержащих соедине­ний, а также при разложении богатых основаниями пород.

В процессах выветривания в щелочных почвах большое значение имеет биогенная сода. Образование микроорганизмами карбона­тов и бикарбонатов при минерализации богатого опада приводит к сильному повышению рН почвенных растворов, что вызывает разрушение алюмосиликатов.

К числу реагентов, образуемых с помощью микробов, относят­ся также сильные восстановители: водород, сероводород, метан и другие, которые, по-видимому, в определенных условиях могут также участвовать в процессах преобразования минерального суб­страта.

Таким образом, биохимический аппарат, которым располагает микрофлора почвы для деструкции минералов, в высшей степени гибок и разнообразен. В зависимости от условий среды может быть использовано то или иное из имеющихся средств для осво­бождения химических элементов из породы.

В результате длительного действия почвенных агентов вывет­ривания и мобилизации вещества земной коры достигается одно из главнейших условий динамического развития и функциониро­вания зоны гипергенеза – образование фонда лабильных соеди­нений и элементов, создающего необходимые предпосылки для различного типа миграции веществ и круговоротов.

Благодаря разрушению литосферных пород возникает оболочка, способствующая поглощению паров, газов, адсорбции элементов и соединений из растворов.

1.3. Почва – источник вещества для формирования пород и полезных ископаемых

Почва является источником для формирования в ней минералов, пород и полезных ископаемых. Осадочная и метафорфическая оболочки образовались при участии вещества, испытавшего воздействие почвообразовательного процесса.

Почвообразование оказывает существенное влияние на торфонакопление и генетически связанное с ним углеобразование. Взаимосвязь торфо- и угленакопления обусловлена прежде всего тем, что и торф и многие виды ископаемых углей — резуль­тат консервации растительных остатков, образовавшихся при совместном влиянии климата, растительности, геологической об­становки и, конечно, почвообразования. Почвенный фактор во многих работах, однако, не упоминается, что также указывает на явный недоучет многообразия роли почв в природных процессах.

Есть основания говорить также и об определенном значении почвенной оболочки Земли для формирования нефти и газа, на­ходящихся в "родственных" связях с углем. В химическом составе угля, нефти и природного газа много общего. Прежде все­го, преобладает углерод и присутствуют водород, кислород, азот, т.е. те элементы, которые являются основой жизни на Земле.

Рассмотренные вопросы вклада почвообразования в формиро­вание горючих полезных ископаемых свидетельствуют о сущест­венном значении еще одного результата взаимодействия почвы с литосферой Земли. Становится ясным, что область влияния поч­венной оболочки не исчерпывается той маломощной пленкой земной коры, в которой она расположена в настоящее время. Если рассматривать геологические масштабы времени в размере эпох и периодов, то перед нами со всей убедительностью пред­стает грандиозное распространение влияния почвенной оболочки на значительную, а возможно и большую, часть литосферы.

В коре выветривания, тесно связанной с почвообразованием, представлены месторождения полезных ископаемых, которые мо­гут образоваться различными путями. В одних случаях происходит высвобождение в результате разрушения породы самородных ме­таллов и устойчивых минералов (золото, платина, серебро, титани­стый жезезняк, касситерит, гранат, алмаз и др.). В других случаях накапливаются вторичные образования (каолины, бентониты, охры и др.) в результате процессов окисления, гидролиза, синтеза и других геохимических реакций. Кроме того, полезные ископае­мые могут образовываться при выпадении соединений из насы­щенных растворов, путем метасоматоза, карстовых явлений и т.п.

Почвообразо­вательные процессы задействованы в том или ином виде в разной степени в создании всех групп осадочных пород: обломочных, гли­нистых, аллитных, железистых, марганцевых, фосфатных, карбо­натных, кремнистых, солей, каустобиолитов. Это проникновение почвообразования в осадочный литогенез обусловлено прежде все­го теснейшей прямой или опосредованной связью почвы с живым веществом Земли.

Оценивая общий вклад почвы в континентальный литогенез, необходимо отметить очевидное влияние тесно взаимосвязанных процессов почво- и корообразования не только на формирование мощных толщ осадочных пород, которые прорабатываются поч­вообразованием по мере их накопления, но и не менее сильное воздействие данных процессов на плотные породы. Эти породы претерпевают интенсивное воздействие почво- и корообразования, одним из важнейших результатов которого оказываются диспергация и растворение вещества, законсервированного в кристалличе­ских решетках, с последующим поступлением значительной части мобилизованного консервативного материала в геохимические потоки в системе континент – океан.

1.4. Аккумуляция энергии Солнца

Участие почв в данном процессе изучено недостаточно, хотя ре­альность этого участия в настоящее время не вызывает сомнения. Особого внимания заслуживает обмен энергией и веществами между разными слоями литосферы. В.И. Вернадский считал, что гранитная оболочка – метаморфизованная и переплавленная, когда-то была на поверхности биосферой суши.

Атом­ные структуры основных минералов зоны гипергенеза по сравне­нию с главными минералами изверженных пород характеризуются повышенными запасами энергии, поскольку они образуются в процессе выветривания (и почвообразования) при эндотермиче­ских реакциях с поглощением солнечной энергии. Это важно, поскольку данные минералы составляют основную массу осадоч­ных пород, которые в областях опускания земной коры попадают в глубокие горизонты планеты. Для этих горизонтов характерны высокие температуры и давление, поэтому вещество, образовав­шееся при почвообразовании и выветривании, перестраивается в атомные системы с меньшей энергоемкостью. Выделяемое при этом тепло стимулирует внутриземные процессы.

Почва также участвует в передаче вещества атмосферы в недра Земли. В процессе почвообразования происходит поглощение га­зов, которые в составе почвенных соединений поступают в оса­дочные породы. Вместе с органическим веществом осадочные породы уносят с собой до­бавочные количества кислорода за счет окислов.

Важна роль почв в фикса­ции атмосферного азота в его глобальном круговороте, отмечая, что поступление азота в состав органических соединений проис­ходит преимущественно в почве. Особенно важное значение имеет связывание почвенно-растительным покровом диоксида углерода с последующим погребением в осадочной оболочке.

Аккумуляция углерода в стратосфере достигает колоссальных величин. Только органического углерода в фанерозойских отло­жениях накоплено более 9 * 10²¹ г; карбонатного углерода содер­жится в несколько раз больше. Аккумуляция СО₂ атмосферы при формировании органического осадочного вещества Земли и кар­бонатных осадочных пород имеет принципиальное значение для поддержания геологической активности планеты и постоянного выделения из недр диоксида углерода и других газов в воздушную оболочку.

2. Гидросферные функции

В настоящее время отсутствует единая общепринятая трактов­ка понятия гидросферы. Связано это в значительной мере с раз­нообразием форм нахождения воды в природе и вычленением в водной оболочке Земли существенно разных составляющих: океа­на, жидких наземных континентальных вод и льда, атмосферных и подземных вод и др. Хотя различные типы вод находятся между собой в генетическом родстве, реальная функциональная связь между ними в каждый момент времени не может рассматриваться как однопорядковая.

То, что мегагидросфера, или планетарная водная оболочка, проникает своей верхней границей в атмосферу, не противоречит классическим представлениям о соотношении геосфер Земли рассматривались как взаимо­проникающие друг в друга.

2.1. Роль в круговороте воды

Перед атмосферными осадками, питающими реки, все другие факторы, за исключени­ем температуры, представляются более чем второстепенными. Однако постепенно стало выясняться существенное значение и других гидрологических факторов: почвы, литологии, рельефа, живого вещества, антропогенных влияний.

Огромно значение в истории воды почвенных растворов, являющихся основным субстратом жизни. Рассматри­вая связи различных форм природной воды, изучение почвенных растворов вскрывает в истории воды гранди­озное явление, связывающее разные воды (морские, речные и дож­девые). Ниже дана схема зависимости почвенных и других вод.

Почва играет роль посред­ника между климатом, речным и подземным стоками. Ни одно явление водного баланса не минует почву. Поэтому необходимо самое пристальное внимание уделять гидрологической роли поч­вы, без чего не могут быть правильно поняты многие гидрологи­ческие явления и процессы.

Говоря о важности учета почвенных гидрологических функций в современных исследованиях, следует прежде всего иметь в виду разнообразие свойств реальных почв и сильное антропогенное изменение многих из них, приводящее к значительной изменчи­вости гидрологических процессов, контролируемых почвой. Особую актуальность приобретают детализация многих гидрологических исследований с учетом данных по динамике почв и дальнейшее развитие гидрологии почв в целом (см приложение 3).

Приложение 3

Глобальные функции почв

Литосферные	Гидросферные	Атмосферные	Общебиосферные
Биохимическое преобразование верхних слоев литосферы	Трансформация поверхностных вод в грунтовые	Поглощение и отражение сол­нечной радиации	Среда обитания, аккумулятор и ис­точник вещества и энергии для орга­низмов суши
Источник ве­щества для об­разования ми­нералов, пород, полезных иско­паемых	Участие в фор­мировании реч­ного стока	Регулирование влагооборота ат­мосферы	Связующее звено биологического и геологического круговоротов, пла­нетарная мембрана
Передача акку­мулированной солнечной энер­гии в глубокие части литосферы	Фактор биопро­дуктивности во­доемов за счет приносимых почвенных сое­динений	Источник твер­дого вещества и микроорганиз­мов, поступаю­щих в атмосферу	Защитный барьер и условие нормаль­ного функциониро­вания биосферы
Защита литосферы от чрезмерной эрозии и условие ее нормального развития	Сорбционный защищающий от загрязнения барьер аквато- рии	Поглощение и удержание неко- торых газов от ухода в космическое пространство; регулирование газового режима атмосферы	Фактор биологи- ческой эволюции

Участие почвы в формировании речного стока и водного баланса имеет многоплановое проявление и определяется рядом факторов, среди которых пер­востепенное значение имеют водно-физические свойства почвы (Ковда В.А., 1989).

Так, есть случаи, когда инфильтрационная и водоудерживающая способности почв изменяются параллельно (одновременно возрастают или уменьшаются). При малых значе­ниях фильтрационных и водоудерживающих показателей основная масса осадков расходуется на поверхностный сток; питание под­земных вод очень слабое, а испарение с поверхности почв отсутст­вует или незначительно (практически нечему испаряться). Пол­ный речной сток почти равен величине атмосферных осадков, но он состоит главным образом из поверхностных (паводочных) вод. В период между паводками реки сильно пересыхают, поскольку питание за счет подземных вод оказывается незначительным. При больших значениях фильтрационных и водоудерживающих показателей почв величины и соотношения элементов водного баланса сильно изменяются. Поверхностный сток уменьшается, испарение увеличивается за счет образовавшихся ресурсов поч­венной влаги, питание рек подземными водами возрастает.

Более широко в природе распространено иное соотношение основных водно-физических свойств почв: при увеличении ин-фильтрационных показателей почв происходит уменьшение их водоудерживающей способности. В этом случае поверхностный сток резко уменьшается, а подземный, напротив, сильно возраста­ет. Испарение достигает максимума при средних (оптимальных) значениях водно-физических свойств почв и мало при их крайних значениях. Полный речной сток изменяется наоборот: он снижает­ся до минимума при средних значениях водно-физических свойств почв и возрастает при крайних значениях. Указан­ные изменения водного баланса рассмотрены для вариантов с одинаковыми атмосферными осадками.

При выявлении основных форм участия почвы в формирова­нии общего речного стока выясняется, что главная форма этого участия – влияние почвы на соотношение грунтового и поверх­ностного питания рек. Именно от почвы зависит, какая часть ат­мосферных осадков поступит с водоразделов в реки в виде поверх­ностного стока, а какая – в виде грунтового, что в значительной мере определяет равномерность питания рек.

Если почвы отличаются хорошей водопроницаемостью и в подстилающей толще имеются рыхлые и трещиноватые породы, являющиеся аккумуляторами влаги, создаются благоприятные ус­ловия для равномерного питания рек. При слабовыраженной впитывающей способности почв активизируется поверхностный сток, что может приводить ко многим нежелательным последст­виям: длительным паводкам в поймах весной и пересыханию рек в засушливый период, недостаточной влагозарядке почв, активи­зации эрозии и др.

На характер стока заметно влияет режим промерзания почв. Сухая промерзшая почва по водопроницаемости мало чем отлича­ется от непромерзшей. В сильно увлажненной промерзшей почве фильтрация снижается из-за закупорки пор кристаллами льда.

Водорегулирующая способность почв также существенно зави­сит от характера произрастающей на ней растительности. Так, структура стока в лесу и на поле очень сильно различается. В лесу он значительно меньше. Это связано прежде всего с тем, что ин­фильтрация влаги в лесных почвах благодаря их благоприятным физическим свойствам в 2-3 раза выше, чем на полях. Поэтому снеговые и дождевые воды хорошо усваиваются почвой в лесу.

Почва в значительной мере определяет и баланс подземных вод. По условиям образования различаются сле­дующие основные типы подземных вод: инфильтрационные, седиментационные (образующиеся в процессе отложения морских осадков), возрожденные и магматические. От почвы зависит образование не только инфильтрационных, но и других вод.

Рассматривая влияние почв на формирование грунтовых вод, необходимо обратить внимание на изменение химического соста­ва атмосферных осадков при прохождении их через почвенный профиль. Почвенный покров, тесно соприкасающийся с водой, играет значительную роль в трансформации состава выпадающих атмосферных осадков. Воз­действие почвы на химический состав природной воды имеет двоякий характер: во-первых, формирующий первичный состав фильтрующихся через нее атмосферных осадков; во-вторых, метаморфизирующий, при котором происходит качественное изме­нение ионного и газового состава воды, взаимодействующей в дальнейшем с почвой. При этом в обоих случаях химический со­став воды полностью зависит от характера почвы. Если вода фильтруется через бедные солями торфянисто-тундровые почвы, то она обогащается большим количеством органических веществ и лишь в очень малом — солями. Близкая к этому картина у подзо­листых и супесчаных почв. Значительно больше обогащают солями воду черноземные и каштановые почвы, не говоря уже о солон­цеватых (Ковда В.А., 1989).

Изменение газового состава атмосферных осадков при про­хождении их через почву связано прежде всего с тем, что в ней идут процессы окисления органических веществ, вызывающих расход кислорода и выделение углекислого газа, содержание кото­рого в почвенном воздухе может достигать нескольких процентов.

2.2. Почва – фактор биопродуктивности водоемов

Эта функция является логическим следствием воздействия поч­венного покрова на химический состав поверхностных и грунтовых вод, питающих реки, а через них и на другие акватории, в том числе моря и океаны.

В результате привноса почвенных соединений водоемы полу­чают большие количества биофильных макро- и микроэлементов, а также гумуса (см. приложение 4).

Соединения, поступившие с континентов в конечные водоемы стока, активно вовлекаются в продукционный процесс водных экосистем и в биохимические циклы. По подсчетам до 95% кальция, 50% магния и 30% калия, мобили­зованных в почвах и корах выветривания при разрушении пер­вичных пород на водоразделах, извлекаются из растворов при их попадании в моря и океаны, причем это извлечение происходит главным образом при участии организмов. Активно извлекаются, кроме того, кремний, фосфор и другие элементы.

Приложение 4

Внешний годовой круговорот суммы ионов основного солевого состава вод Мирового океана (10⁹ т) (по В.Н. Иваненкову и O.K. Бордовскому)

Составляющие круговорота	Поступление	Удаление
Ионный сток речной пресных подземных вод при таянии антарктических и арктических льдов материкового происхождения	3,1 1,2 0,003	- - -
Поступление солей при: растворении взвесей речного стока растворении частиц пыли из атмосферы растворении донных осадков десорбционных и диффузионных процессах растворении вулканических и поствулканических продуктов	0,2 0,05 0,2 0,1 0,05	- - - - -
Вынос солей на сушу при испарении океани­ческих вод	—	0,5
Осаждение и коагуляция солей	—	2,6
Осаждение солей при испарении морской воды в полуизолированньгх морских лагунах	—	0,6
Сорбция ионов донными осадками и взвесями	—	1,2

Говоря о важном значении соединений, поступающих с водо­разделов, в формировании биологической продукции водоемов, необходимо отметить следующее. В условиях слабо измененных человеческой деятельностью регионов большая часть веществ, растворенных в водах, в основном прошла через почво- и корообразование до того, как влилась в геохимическую миграцию в направлении к океану или внутриматериковым впадинам, т.е. эти вещества поступили в водоемы из природных геохимических по­токов и формы этих соединений сформировались в результате ес­тественных процессов (Ковда В.А., 1989).

Современные почвы регионов интенсивного антропогенного воздействия стали во многих случаях иначе или даже принципи­ально по-другому влиять на продукционный процесс в водоемах. Если в доиндустриальный период почвы выступали в основном как фактор положительного воздействия на продукционный про­цесс в аквасистемах, то в техногенный этап развития общества ситуация изменилась. Соединения, поступающие в водоемы из почв, в первую очередь освоенных, стали весьма часто негативно воздействовать на биологическую продуктивность гидросферы.

2.3. Почва как защитный барьер акваторий

Основное проявление защитной функции почв заключается в том, что почва благодаря своей огромной активной поверхности в состоянии поглощать многие вредные соединения на пути их миграции в водные экосистемы, а также снижать избыточное поступление биофильных элементов. Эта роль почв оказывается исключительно важной, поскольку, например, радиоактивные изотопы из водной среды поглощаются организмами гораздо ак­тивнее, чем из почвы, что может привести к быстрому наруше­нию в них обмена веществ. Коэффициенты накопления боль­шинства изучавшихся радиоизотопов у пресноводных растений достигают десятка тысяч, тогда как у наземных растений они обычно меньше единицы.

Такое резкое снижение поступления элементов в растения из почвы — наглядный пример того, что она представляет собой сильный природный сорбент, благодаря чему оказывается мощ­ным барьером для многих элементов и соединений на пути их миграции в водоемы стока. Сорбционная сила почв настолько ве­лика, что химические элементы могут поглощаться из недонасы-щенных растворов, из которых самостоятельные минералы мно­гих элементов образоваться не могут. Поэтому для ряда редких элементов (рубидия, цезия и др.) сорбция фактически единствен­ный механизм концентрации.

Возможности сорбционной функции почв, к сожалению, не беспредельны. В настоящее время в связи с резко возросшими антропогенными нагрузками она уже во многих случаях не справ­ляется со своими задачами. В результате в речные воды и водо­емы поступают избыточные количества многих соединений (Ковда В.А., 1989).

Почва выполняет также важную роль сорбционного защитного экрана от загрязнения подземных вод. Известны случаи, когда при фильтрации сточных вод и детергентов (очистителей) до 95 % загрязнителей задерживалось в верхнем 15-30-сантиметровом слое почвы, отличающейся зна­чительной величиной удельной поверхности.

3. Влияние почв на атмосферу

Тесная зависимость состава и динамики атмосферы от почвы диктуется в первую очередь их взаимопроникновением через га­зообразную фазу почвы. Другой причиной тесной связи атмосферы и почвы оказывается постоянное физическое воздействие на динамичные нижние слои воздушной оболочки подстилающей поверхности, представленной не только океаном и растительностью, но и поч­венным покровом.

Значимость влияния почвы на атмосферу определяется еще и тем, что, хотя условная внешняя граница атмосферы проходит на высоте около 1000 км, основная ее масса, равная 5,27 * 10¹⁸ кг, со­средоточена в относительно тонком приземном слое. Поскольку между различными частями атмосферы существует постоянный обмен веществом и энергией, то результаты взаимо­действия нижних слоев воздушной оболочки с почвой сказыва­ются в той или иной мере на всей атмосфере.

Наиболее разносторонне и постоянно почва взаимодействует с тропосферой, высота которой в разное время года и на разных широтах неодинакова: на полюсах – около 8-10, в умеренных широтах – 9-12, на экваторе – 16-18 км. Воздух в тропосфере не только движется в вертикальном и горизонтальном направле­ниях, но и непрерывно перемешивается. Следовательно, физи­ческие и химические изменения, возникшие в воздушных массах в зоне контакта их с почвенно-растительным покровом, за корот­кое время сказываются на вышележащих слоях (Ковда В.А., 1989).

С точки зрения взаимодействия атмосферы с земной поверх­ностью ее разделяют на нижний пограничный слой и верхний, называемый свободной атмосферой. В пограничном слое проис­ходят суточные изменения метеорологических показателей и дви­жение воздуха в значительной мере зависит от трения о земную поверхность, в том числе о почвенно-растительный покров. В дан­ном слое выделяют нижний приземный слой высотой 50-100 м с ослабленным изменением потоков водяного пара и тепла с высотой.

Почва, вернее почвенная атмосфера как раз является областью, где возможно сохранение древних примитивных организмов, которые остановились в своем развитии. Данное положение нуждается в дальней­шем развитии и при решении проблемы взаимодействия почвы и воздушной оболочки, поскольку выявление и изучение архаич­ных форм жизни, до сих пор сохраняющихся в почве, поможет вскрыть механизм изменения древней атмосферы.

3.1. Почва – фактор формирования газового состава атмосферы

Среди атмосферных функций почвы выделяется ее влияние на формирование газового состава атмосферы. Оно обнаруживается в двух главных формах – опосредованном и прямом воздействии почвы на состав атмосферных газов. Первое определяется прежде всего зависимостью функционирования наземных биоценозов, контролирующих многие параметры атмосферы (содержание кис­лорода, СО₂, микрогазов и др.), от свойств почв. Прямое воздей­ствие заключено в самом газообмене между почвой и воздушной оболочкой. Масштабы влияния почвы на газовый состав атмосфе­ры впечатляющи, особенно если рассматривать его в историческом плане

Воз­действие почв и почвообразования на состав атмосферы началось намного раньше возникновения высшей растительности на суше.

При рассмотрении конкретных видов влияния почвы на фор­мирование состава атмосферы отметим, что существуют два отно­сительно самостоятельных аспекта: воздействие почвы на атмосферу в течение истории ее развития и современное влияние почвы на воздушную оболочку (Ковда В.А., 1989).

В настоящее время исследователи полагают, что в истории ат­мосферы выделяются три этапа. Первый приурочен к началу докембрия, когда существовала первичная ат­мосфера и стала формироваться вторичная воздушная оболочка. Первичная атмосфера, по-видимому, образовалась из газово-пылевого облака – источника вещества для построения Солнечной системы. Вторичная атмосфера возникла из газов, попавших в нее в результате дегазации верхней мантии и земной коры. Она состояла в основном из углекислого газа и паров воды, а также небольшого количества азота и водорода (Гиляров М.С., 1985,).
Таким образом, говоря об общем значении микроорганизмов в биологизации приповерхностных геосфер Земли и изменении состава ее атмосферы, необходимо подчеркнуть, что большой вклад в указанные процессы микроскопических форм жизни во многом был обусловлен их тесной связью с почвой и педогенными телами (в определенных пространственных интервалах). Есть все основания полагать, что эта связь имеет такой же возраст, как у наиболее древних геологических отложений, испытавших воздейст­вие живого вещества. Поэтому, рассматривая факторы трансфор­мации атмосферы в древний, дофанерозойский этап ее развития, надо включить в число этих факторов не только микроорганизмы, но и почвы (Почва как память…, 2008).

3.2. Почва – регулятор газового состава атмосферы

Современная атмосфера, возникшая в ходе длительного развития Земли, не находится в стабильном состоянии по газовому составу. Несмотря на выровненность соотношения составляющих компо­нентов в различных зонах, атмосфера пребывает в состоянии их непрерывного пространственно-временного изменения, особенно в нижних слоях тропосферы, граничащих с почвенно-растительным покровом. Установлено, что состав тропосферы достаточно сложен и разнообразен (Демкин В.А., 1997).

Значительное воздействие на состав атмосферы во многом обусловлено особыми свойствами почвы, определяющими ее влия­ние на воздушную оболочку. Среди этих свойств прежде всего следует отметить пористость почвы: количество пор в ней состав­ляет 10-60% объема. Благодаря расположению почвы на стыке с атмосферой, пористому сложению и активному продуцированию газов почвенной биотой газообмен между воздухом и почвой происходит интенсивно (см. приложение 5).

Приложение 5

Эмиссия предельных углеводородов почвенным покровом планеты в атмосферу (Минько, 1998)

Почва	Площадь, тыс. км^2 (% от общей площади поч­венного покрова)	Поток углеводородов за ПБА, 10 ^п г
		сн4	с2н6	С3Н
Тундровая зона	6 866,0 (5,2)	3-6	1-3	0,2-0,4
Глеемерзлотные, болотно-мерзлотные, мерзлотно-таежные; кислые и слабокис­лые бореального, умеренного холодного климата; болот­ные и глеетаежные бореаль­ного климата	21 596,0 (16,4)	57-169	9-37	2-13
Нейтральные и слабощелоч­ные суббореального тепло-умеренного климата равнин­ных и горных территорий мира	6 607,7 (5,0)	22—31	11-20	4—7
Тропические и субтропиче­ские леса	25 000,0 (19,0)	-5	~0	~0
Саванные	23 000,0 (17,4)	-10	~0	~0
Возделываемые под культутуру риса	1 400,0 (1,1)	31-55	27-47	3__ 4
Непродуктивные и малопро­дуктивные земли: арктиче­ские и песчаные пустыни, земли населенных пунктов, промышленности, транспор­та и нарушенные человеком	25 000,0 (18,2)	~0	~0	~0
Сумма	108 489,7 (82,3)	98-246	48-107	9,2-24,4

Газообмен почвы и атмосферы, основанный на диффузии, а также конвекции, существенно зависит от разности температур почвы и воздуха, влияния ветра, осадков, уровня грунтовых вод и верховодки. Особенно сильно газообмен зависит от увлажненности почвы, снижаясь по мере ее возрастания. При переходе от сильно увлажненной до водонасыщенной почвы скорость газообмена уменьшается в миллион раз (Ковда В.А., 1989).

Существенное воздействие почвы на состав атмосферы обус­ловлено также сильным различием их газовой фазы. Почвенный воздух по ряду показателей отличается в десятки и сотни раз от атмосферного, несмотря на высокоскоростной взаимообмен с ним. Это связано с тем, что продуцирование и потребление газов почвы осуществляются очень быстро в силу интенсивной дея­тельности почвенной биоты (Базилевич Н.И., 1970). По сравнению с атмосферным поч­венный воздух содержит в 10-100 раз больше углекислоты и во много раз меньше кислорода. Различия по азоту несущественные. Почвенный воздух, кроме того, постоянно содержит пары воды (насыщенность влагой близка к 100%) и ряд микрогазов. В нем также имеются летучие органические соединения, которые хотя и содержатся в небольших количествах, но могут иметь большое значение в балансе веществ из-за быстрого круговорота и сильного физиологического действия этих соединений и органического ве­щества почв в целом.

3.3. Почва – источник и приемник твердого вещества и микроорганизмов атмосферы

Пограничное положение почвы среди приповерхностных гео­сфер Земли определяет многообразие ее взаимодействия с каж­дой из них. Существенным во взаимосвязи почвы с атмосферой оказывается их обмен не только газами, но и тонкодисперсным твердым веществом и микроорганизмами, способными при опре­деленных условиях попадать в воздушную оболочку с почвенной поверхности, а затем, спустя определенное время, вновь возвра­щаться на нее, переместившись, как правило, на изрядное рас­стояние.

Главная причина двустороннего движения твердого вещества и микроорганизмов в системе почва-атмосфера заключается в на­личии потоков воздушных масс значительной силы, способных отрывать от горизонтов почв мелкозем (в случае их обнажения) и перемещать его аэральным путем на то или иное расстояние в зависимости от размерности составляющих частиц. Наиболее мелкие частицы способ­ны облетать вокруг Земли (Ковда В.А., 1989).

Попадающие в атмосферу частицы почвенного мелкозема оказы­вают разнообразное воздействие на происходящие в ней процессы. Общая их оценка затруднительна, поскольку она слагается из эф­фектов, имеющих зачастую неоднозначное значение для климата и биосферы. Существует мнение, что наличие некоторого коли­чества пылеватого материала способствует выпадению дождей, поскольку частички пыли оказываются центрами конденсации паров влаги.

3.4. Влияние почвы на энергетический режим и влагооборот атмосферы

Воздействие почвенного покрова на тепловой режим атмосферы определяется прежде всего поглощением и от­ражением почвой солнечной радиации, отчего в значительной мере зависит динамика тепла и влаги в нижних слоях атмосферы. В количественном отношении процессы поглощения-отражения солнечной радиации почвами и материнскими породами могут заметно различаться. Обращает на себя внимание то, что почво­образование изменяет отражательную способность породы. На­пример, имеются данные, что исходные бурые суглинки отражают около 18-19% солнечной радиации, распаханные черноземы на тех же породах – 5-7, подзолы – до 30, солончаки – до 35%.
Таким образом, по сравнению с четвертичными материнскими почвообразующими породами отражательная способность поч­венного покрова более дифференцированна, поскольку она опре­деляется не только свойствами пород, но и свойствами самих почв, зависящими от их генетических особенностей. Пестрота от­ражательной способности почвенного покрова особенно ощутимо сказывается на динамике энергетических показателей атмосферы в связи с широкой распашкой земель, обнажающей поверхность самих почв (Ковда В.А., 1989).

Роль почв в формировании влагооборота в целом достаточно велика. Почва не только способствует увеличению общего коли­чества водяного пара, поступающего в атмосферу, но и посредст­вом местного круговорота выравнивает процесс водообеспечения ландшафтов. Это имеет немаловажное значение, поскольку влаго­перенос с океана на сушу подвержен частым перебоям и резким колебаниям. В то же время на Земле имеется много неустойчивых экосистем, существование которых тесно зависит от особенностей микроклимата в почвенно-растительном ярусе.

4. Общебиосферные функции

Важнейшее значение имеют такие общие биологические функции почв, как уникальность их в качестве среды обитания самых разнообразных живых существ, как связующего звена биологического и геологического круговорота веществ в наземных биогеоценозах, как их биологическая продуктивность, а в агробиоценозах – плодородие. Эти биологические функции почв требуют более обстоятельного рассмотрения (см. приложение 6).

Приложение 6

Экосистемные функции почв

Физические	Химические и физико-химические	Биологические	Информационные
Жизненное пространство	Аккумуляция биофильных элементов, ферментов, биохимической энергии	Среда обитания организмов	Регуляция структуры экосистем
Механическая опора	Сорбция веществ, микроорганизмов	Связующее звено биологического и геологического круговоротов веществ.	Сигнализация изменений состояния экосистем
Аккумуляция влаги	Биологическая продуктивность (плодородие)	Запись и хранение показателей истории экосистем (почва-память)
Защитная экологическая ниша	Деструкция и минерализация органических остатков
Депо семян, эмбрионов, цист	Ресинтез органических и минеральных веществ

Уникальность почвы как среды обитания жизни проявляется в том, что в почве и на почве живет 92% от числа всех известных на Земле видов растений и животных. В одном грамме почвы может находиться до нескольких миллиардов бактерий, сотни метров грибных гифов, сотни тысяч одноклеточных простейших животных, и многие тысячи метров тонких корней и корневых волосков растений.

Такое обилие и разнообразие форм жизни в почве обусловлено тем, что она (почва) представляет собой трехфазную природную систему – состоит из твердой, жидкой и газовой фазы, содержит как минеральные, так и органические вещества, пригодные для питания как автотрофных, так и гетеротрофных организмов. С каждым типом и видом почв связаны определенные и только им свойственные виды сообществ растений и животных (биоценозов).

Становится все более ясным, что сохранять биологическое разнообразие на Земле невозможно без сохранения разнообразия почв, без борьбы с деградацией и с эрозией почв.

Не менее важна вторая общебиологическая функция почв как связующего звена большого геологического и малого биологического круговоротов веществ на Земле. Именно в почвах совершается двусторонний процесс деструкции органических и минеральных веществ, синтезированных растениями и животными, в тоже время – возвращение содержавшихся в них химических элементов вновь в состав живого вещества, в новые циклы жизни. О грандиозности этого процесса можно судить по колоссальной массе веществ, удерживаемых в почвенно-растительном покрове Земли от выноса в океан. Общая масса вовлекаемых в круговорот зольных элементов существенно превышает их величину в речном суммарном годовом ионном стоке в океан (Добровольский Г.В., 1990).

Очень интересным примером вовлечения элементов в биологический круговорот и удержания биофильных элементов в нем от выноса в океан может служить «геохимическая судьба» калия и натрия. Оба элемента содержатся в первичных массивно-кристаллических породах примерно в равных количествах (около 2,5 %), а в океанической воде, куда поступает весь ионный сток с суши, содержание калия в 25 раз меньше, чем натрия. Это явление объясняется не только более прочной фиксацией калия кристаллической решеткой глинистых минералов почв и осадочных пород, но, главным образом, «удержанием» калия как биофильного элемента в малом биологическом круговороте элементов между почвой и растительным покровом суши.

На аккумуляцию биофильных элементов в почвах обратили внимание академики В.И. Вернадский и А.Е. Ферсман. А.Е. Ферсман, сопоставляя кларки среднего содержания химических элементов в разных природных телах, в своей «Геохимии» писал: «Почвы и кларки живого вещества очень близки и мы должны признать, что средний состав живого вещества следует в меньшей степени кларкам атмосферы и гидросферы, и ближе всего и непосредственно следует кларкам почвенного покрова, который в сущности и предопределяет состав организмов» (Добровольский Г.В., 1990).

Близость геохимических связей почв с растительным покровом, почвенной биотой проявляется в зонально-региональных закономерностях и разнообразии типов биологического круговорота химических элементов на земной поверхности. Изучение геохимических связей почв, их биологической продуктивности с жизнью человека имеет прямое отношение к здравоохранению и медицинской географии. Потребляя растительную и животную продукцию, выращенную на почвах, человек включается в те «пищевые цепи», которые связывают его с химическим составом почв, выращиваемых на них растений и травоядных животных (Добровольский В.В., 1998.).

Давно было замечено, что существует прямая связь между спецификой химического состава почв в некоторых регионах и наличием в них эндемических болезней человека и животных. В бассейне реки Уров в Забайкалье была отмечена болезнь суставов и вообще костной ткани, получившая название «уровской». Она обусловлена необычным соотношением кальция, стронция и кремния в почвах, водах, растительных и животных продуктах. На отгонных пастбищах Дагестана наблюдалось проявление митоза (болезни мышц) у овец, как следствие избытка бора в почвах и кормах. Всем известна болезнь щитовидной железы из-за недостатка йода в кислых подзолистых почвах внутриконтинентальных районов (Виноградов А.П., 1949).

Не только упомянутые, но и другие функции почв, осуществляемые в биогеоценозах, имеют важное значение для сохранения, жизни и эволюции природных и антропогенных сообществ растений и животных, для жизни и хозяйственной деятельности человека.

Экологические функции почв в биосфере базируются на следующих основополагающих ее качествах. Во-первых, почва служит средой обитания и физической опорой для огромного числа организмов; во-вторых, почва является необходимым, незаменимым звеном и регулятором биогеохимических циклов, практически круговороты всех биогенов осуществляются через почву.

Главная функция почвы - это обеспечение жизни на Земле. Это определяется тем, что именно в почве концентрируются необходимые организмам биогенные элементы в доступных им формах химических соединений. Кроме того, почва обладает способностью аккумулировать необходимый для жизнедеятельности продуцентов биогеоценозов запасы воды, также в доступной им форме, равномерно обеспечивая их водой в течение всего периода вегетации. Наконец, почва служит оптимальной средой для укоренения наземных растений, обитания многочисленных беспозвоночных и позвоночных животных, разнообразных микроорганизмов. Собственно эта функция и определяет понятие "плодородие почв".

Вторая функция почв заключается в регулировании всех потоков вещества в биосфере. Все биогеохимические циклы элементов, включая циклы таких важнейших биогенов, как углерод, азот, кислород, фосфор, а также циклы воды осуществляются именно через почвы при ее регулирующем участии в качестве аккумулятора биогенных элементов. Почва - это связующее звено и регулирующий механизм в системах биологической и геологической циркуляции элементов.

Третья функция почвы - регулирование состава атмосферы и гидросферы. Атмосферная функция почвы осуществляется вследствие ее высокой пористости (40-60%) и плотной заселенности организмами, благодаря чему идет постоянный газообмен между почвой и атмосферой. Почва постоянно поставляет в атмосферу различные газы, в том числе и "парниковые" - СО2, СН4, а также множество так называемых "микрогазов". Одновременно почва поглощает кислород из атмосферы. Таким образом, в системе "почва - атмосфера" именно почва является генератором одних газов и "стоком" для других.

В сухопутной ветви глобального круговорота воды почва избирательно отдает в поверхностный и подземный сток растворимые в воде химические вещества, определяя тем самым гидрохимическую обстановку в водах и прибрежной части океана.

Четвертой важнейшей функцией почвы является накопление в поверхностной части коры выветривания, в почвенных горизонтах описанного выше специфического органического вещества - гумуса и связанной с ним химической энергии.

Пятая функция заключается в ее защитной роли по отношению к литосфере. Почва защищает литосферу от воздействия экзогенных факторов, регулируя процессы денудации суши.

Наконец, еще одна, шестая функция почвы - это генерирование и сохранение биологического разнообразия. Почва, являясь средой обитания для огромного числа организмов, ограничивает жизнедеятельность одних и стимулирует активность других. Чрезвычайно большое разнообразие почвенных свойств по кислотности, щелочности, засоленности или отсутствию солей; окислительная или восстановительная обстановка-все это создает огромные возможности жизнедеятельности различных организмов. По отношению к человеку почва имеет еще одну специфическую функцию, являясь главным средством сельскохозяйственного производства и местом поселения людей.

Дата добавления: 2014-01-07