Реферат Глобальные функции почв
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-28Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
УДК 631.4
Глобальные функции почв: Реферат. – Пермь: ФГОУ ВПО ПГСХА, 2010 – 56 с.
В работе рассмотрены вопросы о функциях почвы: литосферных, гидросферных, атмосферных, общебиосферных и этносферных.
Библ. – 13, прил. – 6.
Содержание
Введение 4
1. Литосферные функции 5
1.1. Почва – защитный слой литосферы и фактор развития литосферы 6
1.2. Преобразование приповерхностной части литосферы 7
1.3. Почва – источник вещества для формирования пород и полезных ископаемых 9
1.4. Аккумуляция энергии Солнца 11
2. Гидросферные функции 13
2.1. Роль в круговороте воды 13
2.2. Почва – фактор биопродуктивности водоемов 17
2.3. Почва как защитный барьер акваторий 18
3. Влияние почв на атмосферу 20
3.1. Почва – фактор формирования газового состава атмосферы 21
3.2. Почва – регулятор газового состава атмосферы 22
3.3. Почва – источник и приемник твердого вещества и микроорганизмов атмосферы 23
3.4. Влияние почвы на энергетический режим и влагооборот атмосферы 24
4. Общебиосферные функции 26
5. Этносферные функции 29
Заключение 30
Библиографический список 32
Приложения 34
Введение
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 глинистых 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).
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 *
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).
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.
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
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-
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-
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).
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).
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.
5.Этносферные функции
Почвенный покров Земли (педосфера) как глобальная природная система взаимосвязана своими функциями с историей и современной жизнью человечества (Мировая коррелятивная..., 2007).
Эти связи исключительно разнообразны и начали проявляться еще на заре жизни древнего человека. Но вполне четко они сказались во времена зарождения земледелия и особенно формирования древних земледельческих цивилизаций. Не случайно, а именно в связи с плодородием почв наиболее ранние цивилизации возникали на аллювиальных почвах в долинах крупных рек южных стран – Нила, Египта, Тигра и Евфрата в Месопотамии, Ганга - Индии, Янцзы и Хуанхе в Китае, Аму-Дарьи и Сыр-Дарьи – в Средней Азии и др. На территории Русской равнины развитие земледелия было связано с высокоплодородными черноземами. По мнению выдающегося ученого биолога и географа Н.И. Вавилова, ранними очагами земледелия и растениеводства были горные страны тропического и субтропического поясов Земли. В дальнейшем, по мере роста населения и переселения народов, земледелие все шире распространялось по земной суше. Осваивались менее плодородные почвы умеренных и даже северных широт, требовавших все большего труда, опыта и знаний земледельцев. Быстрая и неконтролируемая распашка огромных пространств Земли все чаще сопровождалась процессами водной и ветровой эрозии почв, заболачивания и засоления земель. Во второй половине XIX и особенно ХХ веке эти процессы достигли глобальных размеров и стали осязаемо влиять на состояние биосферы и жизнь людей во многих странах (Почва как память…, 2008).
Обеспокоенность состоянием окружающей среды заставила ряд международных организаций провести в 80-90-х годах ХХ века анализ состояния почв и земельных ресурсов мира. Оказалось, что площадь пахотно-пригодных земель на планете Земля составляет 3 млрд. 278 млн. гектаров или 22% всей площади суши. При этом высоко- и среднепродуктивные почвы (полностью уже распаханные) составляют всего 9% площади земной суши.
Заключение
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.
Библиографический список
1. Базилевич Н.И., Родин Л.Е., Розов Н.Н. Географические аспекты изучения биологической продуктивности // Материалы 5 съезда географического общества СССР. – Ленинград.– 1970. – C. 28.
2. Вернадский В.И. Избранные сочинения, Т. V. – М.: Изд. АН СССР, 1960. – С. 323.
3. Вернадский В.И. Избранные сочинения, Т. V. – М.: Изд. АН СССР, 1960. – С. 304.
4. Вернадский В.И. Избранные сочинения, т. V.– М.: Изд. АН СССР, 1960.– С. 176, С. 99.
5. Виноградов А.П. Биогеохимические провинции // В кн.: Труды юбилейной сессии, посвященной 100-летию со дня рождения В.В. Докучаева. – М.: АН СССР, 1949.– С. 59-68.
6. Гиляров М.С., Криволуцкий Д.А. Жизнь в почве. М, Молодая гвардия, 1985, 190 с.
7. Демкин В.А. Палеопочвоведение и археология. – Пущино, 1997. – 214 с.
8. Добровольский В.В. Основы биогеохимии. – М.: Высшая школа, 1998. – С. 44.
9. Добровольский Г.В., Никитин Е.Д. Функции почв в биосфере и экосистемах. – М.: Наука, 1990.– 260 c.
10. Ковда В.А. Проблемы защиты почвенного покрова и биосферы планеты. – Пущино, 1989. – 155 с.
11. Кудеяров В.Н. Вклад почвы в баланс СО2 атмосферы на территории России // Доклады АН. – 2000. – Т. 375, № 2. – С. 275-277.
12. Мировая коррелятивная база почвенных ресурсов: основа для международной классификации и корреляции почв. – М.: Товарищество научных изданий КМК, 2007. – 278 с.
13. Почва как память биосферно-геосферно-антропосферных взаимодействий. Коллективная монография. / Ред.: В.О. Таргульян, С.В. Горячкин. – М.: УРСС, 2008. – 687 с.
Приложения
Приложение 1
Растворение минералов гуминовыми и фульвокислотами за 200 суток опыта (Пономарева, Плотникова
, 1980)
Приложение 2
Освобождение SiO2 из минералов под влиянием кислотно-щелочеобразующих микроорганизмов (Аристовская, 1980)
Приложение 3
Глобальные функции почв
Приложение 4
Внешний годовой круговорот суммы ионов основного солевого состава вод Мирового океана (109 т) (по В.Н. Иваненкову и O.K. Бордовскому)
Приложение 5
Эмиссия предельных углеводородов почвенным покровом планеты в атмосферу (Минько, 1998)
Приложение 6
Экосистемные функции почв
| 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 | |
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 | |
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 |
Приложение 5
Эмиссия предельных углеводородов почвенным покровом планеты в атмосферу (Минько, 1998)
| Почва | Площадь, тыс. км2 (% от общей площади почвенного покрова) | Поток углеводородов за ПБА, 10п 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 |
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 | | |
