Почва и ее ответственность за развитие биосферы

Неотъемлемая и важная составная часть биогеоцено­за – почва – биокосное образование, продукт взаимодей­ствия между биотической и абиотической средами. По­чва как компонент биогеоценоза находится в динами­ческом равновесии с другими его компонентами. Био­геоценоз также представляет собой динамическую сис­тему, непрерывно изменяющуюся во времени и в про­странстве. Однако из всех компонентов биогеоценоза почва – одна из самых консервативных составляющих. Она играет буферную роль в биогеоценозе, ослабляя воздействие на него внешних факторов. Почва служит своеобразным экраном, фильтром, изменяющим состав проходящих через нее потоков вещества. Часть веществ, необходимых для жизнедеятельности растительности, микроорганизмов и других живых существ в почве, за­держивается, часть фильтруется через почвенную тол­щу и рыхлые породы и сбрасывается в гидрологическую сеть. Таким образом, почва оказывает определенное вли­яние на формирование качества воды в окружающей среде.

В современный период, когда антропогенное воздей­ствие на окружающую среду становится все большим и геохимическая деятельность человека не уступает по мощности природным процессам, роль почвы в нормаль­ном функционировании биогеоценоза становится осо­бенно важной. Техногенные вещества, поступающие на поверхность почвы, дифференцируются в пределах ее профиля в соответствии с природой почвенных ге­нетических горизонтов и химическим составом загряз­няющих веществ. Последние включаются в миграци­онные потоки, и происходит перераспределение их в по­чве и ландшафтах. Коэффициент концентрации загрязняющих веществ в почвах аккумулятивных лан­дшафтов значительно выше, чем в элювиальных и трансэлювиальных.

Говоря о роли почвы в развитии биосферы, необходи­мо упомянуть еще об одном явлении, имеющем огром­ное значение в создании современного облика планеты. Биогенное накопление многих химических элементов (Р, S, Са, К, Ве, Со, Ni, Zn, Gе, Аs, Сd, Sn и др.) в верхнем слое почвы, впервые обнаруженное в 30-х годах Гольдшмидтом, обязано своим происхождением деятельности рас­тениям, которые действуют как насос, перекачивающий элементы из нижних горизонтов почвы в верхние. Но это явление обусловлено и существованием такого свойства почвы как поглотительная способность. Поглощая кати­оны, корни непрерывно выделяют в почвенную среду Н⁺, являющийся важным фактором выветривания. Наряду с биогенной аккумуляцией в почве наблюдается и вы­нос – миграция веществ с нисходящими токами влаги – выщелачивание. Поэтому реальное распределение хи­мических элементов в почвенном профиле определяет­ся соотношением этих двух процессов. Рассмотрим в ка­честве примера некоторые главные типы почв.

Подзолистые и дерново-подзолистые почвы. Веду­щий почвообразовательный процесс – подзолистый, по­этому происходит вынос из верхней части почвенного профиля всех химических элементов, кроме кремния. Эллювиальный горизонт можно рассматривать как зону аккумуляции многих элементов и, прежде всего – Fе и А1. В силу особенностей водного режима здесь возможно скопление оксидов железа в виде пятен, ортштейнов, трубочек, примазок, новообразования МnО₂ в виде пиролюзита. Дерново-подзолистые почвы в хими­ческом отношении отличаются от подзолистых форми­рованием аккумулятивного горизонта Аl, обогащенного углеродом и биогенными элементами.

Черноземы. Это один из самых простых по химичес­кому строению тип почвы. Элементный состав в пере­счете на бескарбонатную и безгумусную навеску одно­образен по профилю, на графике это практически пря­мые линии. Наблюдается только накопление углерода и органогенных элементов (Н, N, S, Р) в перегнойно-аккумулятивном горизонте и карбонатов – в эллювиально-карбонатном горизонте.

Красноцветные почвы. Почвы характеризуются спе­цифичными гидротермическими условиями и рН среды, в которых происходит выщелачивание большинства эле­ментов, даже кремния, из почвенного профиля. Накап­ливаются только оксиды железа, что и обуславливает характерный облик этих почв.

Таким образом, почвообразование приводит к диффе­ренциации элементов: однородная горная порода пре­вращается в неоднородный почвенный профиль с не­сколькими горизонтами. Так в почве накапливается не только энергия, но и информация о геохимических про­цессах в прошлом и в настоящем.

Итак, роль почвы в развитии биосферы:

1) буфер, обеспечивающий устойчивость существова­ния биогеоценоза;

2) фильтр, участвующий в регулировании состава природных вод;

3) аккумулятор энергии (гумусообразование) и хи­мических элементов (биогенное накопление);

4) протектор, связывающий часть загрязняющих ве­ществ в недоступное для живых организмов состояние;

5) источник информации о геохимических процессах в прошлом и настоящем.

МИГРАЦИЯ ВЕЩЕСТВ

Типы миграции

Геохимия процессов миграции выделяется в особый раздел науки. Выделяют 4 основных типа миграции: механическая, физико-химическая, биогенная, техногенная.

Механическая миграция (механогенез) обусловлена работой рек, течений, ветра, ледников, вулканов, тектонических сил и других факторов, детально изучаемых в соответствующих разделах геологии, геоморфологии, вулканологии, океанологии и т.д. Характерное явление механогенеза – раздробление горных пород и минералов, ведущее к увеличению степени их дисперсности, растворимости, развитию сорбции. При диспергировании резко увеличивается суммарная поверхность частиц, а, следовательно, и их поверхностная энергия. Увеличивается и растворимость минералов, многие минералы при этом разлагаются. Так, при диспергировании сульфидов про­водит их частичное разложение на металл и серу. Гидратные минералы выделяют воду.

При механогенезе тяжелые минералы ведут себя как частицы более крупного размера, т.е. при механической миграции важным фактором является плотность минералов. Механическая миграция зависит также от твердости, податливости к выветриванию минералов. Твердые минералы (например, циркон, алмаз, касситерит) хорошо со­храняются в осадках, так как при механическом пере­носе истираются с большим трудом.

Способность минералов сопротивляться истиранию называется абразивной прочностью. Абразивная проч­ность зависит не только от твердости минералов, но и от их химической устойчивости. Восходящий ряд не­которых наиболее распространенных минералов по аб­разивной прочности: золото, киноварь, вольфрамит, пироксены, лимонит, колумбит, платина, эпидот, роговая обманка, дистен, оливин, апатит, монацит, ставролит, ан­далузит, железный блеск, пирит, ильменит, магнетит, кас­ситерит, хромшпинелиды, циркон, турмалин, осмистый иридий, топаз, рутил, шпинель, корунд, алмаз.

Показателем механической миграции (Р _м) является го­довой расход взвешенных частиц в створе реки в т/км² площади бассейна. Р _м зависит от климата, геологическо­го строения местности и рельефа. Максимальная вели­чина Р _м характерна для аридных гор (Р _м = 1000 т/км²), минимальная – для гумидных лесных равнин.

Представление о соотношении механической и хими­ческой миграции дает отношение среднегодовой мине­рализации воды к среднегодовой мутности. В современ­ную геологическую эпоху механическая миграция пре­обладает над химической.

В истории отдельных химических элементов механи­ческая миграция играет различную роль. Она велика для Si, Zr, Нf и мала для Со, Мg, С1, Nа.

В механической миграции большую роль играют эоло­вые процессы. Перенос вещества в атмосфере может быть трех видов:

— стратосферный (на высоте 15–60 км);

— тропосферный (на высоте 8–12 км частицы могут мигрировать на сотни и тысячи километров);

— локальный (миграция на десятки и сотни кило­метров).

Существует гипотеза об эоловом образовании лесов, покровных суглинков, песков пустынь. Осо­бенно велика была роль эоловых процессов в леднико­вые периоды с их сухим холодным климатом и силь­ными ветрами. Наличие пыльных бурь установлено на Марсе.

Механическая миграция на склонах обязана таким процессам, как дефлюкция (сползание вязкого или пластичного течения), солифлюкция (сползание пере­увлажненной массы на мерзлом основании), крип (пере­мещение при совместном действии силы тяжести и др. факторов).

Физико-химическая миграция – это перемещение, пе­рераспределение химических элементов в земной коре и на ее поверхности. Интенсивность и направление миг­рации химических элементов зависят от внутренних и внешних факторов. К внутренним факторам миграции относятся:

1) особенности ионов;

2) форма, в которой присутствует элемент;

3) химические свойства элемента.

К внешним факторам миграции относят физико-химические и биологические условия миграции. Это:

1) щелочно-кислотные и окислительно-восстанови­тельные условия;

2) водный режим;

3) температурный режим;

4) давление;

5) жизнедеятельность живых организмов.

Внутренними факторами физико-химической миграции являются электростатические свойства ионов и форма нахождения элемента.

Электростатические свойства ионов – эта груп­па факторов учитывается только при миграции элементов в виде ионов. Ионная миграция характерна для водных растворов, магматических расплавов, газовых смесей, живого вещества.

Электростатические свойства ионов во многом обус­ловлены размерами ионных радиусов элементов. С уве­личением радиуса иона обычно возрастает дальность миграции. Показателями электростатических свойств ионов служат ионный потенциал Картледжа и энерге­тические коэффициенты ионов. Ионный потенциал Кар­тледжа рассчитывают по формуле

ПК = W / 10 R_i, (1)

где ПК – потенциал Картледжа, W – валентность иона, R_i – радиус иона, км.

По этому показателю химические элементы делятся на 3 группы.

1. ПК ниже 3. Элементы с такими значениями потен­циала обычно легко переходят в природные воды из твердой фазы в виде ионов и не образуют комплексных со­единений: К, Nа, Са, Li, Rb, Сs, Ва.

2. ПК от 3–12. Элементы с такими значениями потен­циала Картледжа образуют труднорастворимые гидролизованные соединения. К элементам этой группы от­носят: Fе, А1, Zг, V, Сr и др.

3. ПК выше 12. Элементы этой группы, соединяясь с кислородом, образуют комплексные растворимые соеди­нения. Это В, С, N, Р, S.

В зависимости от условий Si и Мо могут вести себя и как элементы 2-й группы и как элементы 3-й группы.

Энергетические коэффициент ионов рассчитывают по следующим формулам:

ЭК_КАТИОН = (W ² / 20 R_i)[0,75(10 R_i + 0,2)], (2)

ЭК_АНИОН = W ² / 20 R_{i .} (3)

Энергетические коэффициенты отражают последова­тельность кристаллизации минералов из растворов и рас­плавов и обусловлены, в основном, энергией их кристал­лических решеток. Ионы с большими значениями ЭК вы­падают из растворов раньше. В процессах миграции они менее подвижны и поэтому накапливаются в элювии. Ионы с малыми энергетическими коэффициентами (Na, К, RЬ, Сs, Li) обладают легкой растворимостью и высо­кой миграционной способностью.

Степень электролитической диссоциации характери­зует количество ионов, образовавшихся при растворении вещества. Показателем степени диссоциации является коэффициент диссоциации, он зависит от природы, как растворенного вещества, так и растворителя, и поэтому этот показатель можно отнести как к внутренним, так и к внешним факторам миграции. Степенью электроли­тической диссоциации определяется последовательность выпадения вещества в осадок.

Однако невозможно объяснить все разнообразие миграционных процессов свойствами ионов, т.к. многие элементы мигрируют в виде недиссоциированных молекул, особенно это относится к гидрооксидам. Неионная форма преобладает и в органических соединениях (кол­лоидные мицеллы), многие из которых хорошо раство­римы в воде (фульвокислоты, например). В комплексе с органическим веществом мигрируют и многие металлы.

Форма, в которой находится элемент, и соответствен­но его химические свойства, также относится к внутрен­ним факторам миграции.

В.И. Вернадский выделял 4 формы нахождения эле­мента в природе: горные породы и минералы, живое ве­щество, магмы (силикатные расплавы) и рассеяние. Ес­тественно, что интенсивность миграции элементов, нахо­дящихся в различных формах и соединениях, – различ­на. Например, минералы Nа-альбита и Nа-галита харак­теризуются различной растворимостью и абразивной прочностью, скорость миграции натрия из этих двух ми­нералов разнится довольно-таки значительно. Металлы могут накапливаться в земной коре в виде карбонатов, оксидов, сульфатов, сульфидов и т.д. В целом, существует такая закономерность: кислородные соединения метал­лов на земной поверхности более устойчивы, чем, напри­мер, сульфиды.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: