лекции по экологии почв. Лекция 1 тема
 Скачать 0.8 Mb.
|
|
ТЕМА: 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. 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
Приложение 2 Освобождение SiO2 из минералов под влиянием кислотно-щелочеобразующих микроорганизмов (Аристовская, 1980)
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
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||