Педосфера - регулятор карбон-оксигенового масообміну в біосфері

 

Ґрунт характеризується високою біогенністю і насиченістю живими організмами, їх метаболітами, а також мертвою органічною речовиною, переважно рослинного походження.

Деструкція рослинних залишків викликається ґрунтовою мезофауною – численними безхребетними, що населяють верхні шари ґрунту, збагачені органічною речовиною. Кількість безхребетних в добре зволожених ландшафтах від 9 до 60-70 т/км² сірої маси (іноді – 200 т/км²). Так дощові хробаки на 1 км² листяного лісу переробляють за сезон до 150 т опалих листків.

Важлива роль у глобальній педосфері належить мікроорганізмам: бактеріям, грибам, водоростям, найпростішим. Ґрунт - найсприятливіше середовище їх існування. Маса мікроорганізмів у поверхневому шарі ґрунту в кілька разів перевищує масу тварин і досягає 2-3т на га.

Одна з головних груп мікроорганізмів бактерії. Так у чорноземах сумарна їх маса - 6 т/га. Середній вміст головних елементів в бактеріях (% сухої органічної речовини):

C - 54.0 H - 7.4 Na - 0.46

О - 23.0 Mg - 0.7 P - 3.00

N - 9.6 Ca - 0.51 S - 0.53

Припускають, що маса ґрунтових бактерій становить 12 ∙10⁹ т сухої органічної речовини, де у зв'язаному стані знаходиться 6∙10⁹ т карбону.

У біохімічних процесах, обумовлених життєдіяльністю ґрунтових бактерій, беруть участь величезні маси хімічних елементів. Так автотрофні нітрифікатори, окиснюючи недоступний для рослин NH₃ у доступні нітрати ґрунту, у рік переробляють сотні кг аміаку. Азотфіксатори поглинають і зв'язують атмосферний N₂, акумулюють в педосфері за різним даними від 44 до 175∙10⁶ т/рік нітрогену. Особливо важливе значення має діяльність гетеротрофних бактерій, що трансформують органічну речовину аж до кінцевого продукту його біохімічного окиснювання - CO₂. Актиноміцети та гриби руйнують найбільш стійкій компонент рослинних залишків - клітковину.

Отже, основна маса CO₂, що утворюються на суші, є наслідком життєдіяльності мікроорганізмів, що насичують педосферу.

Мікроморфологія ґрунтів пов'язана з їх високою пористістю, де сумарний об'єм порожнин пор досягає 50-70% об'єму ґрунту. Таким чином, біля половини об'єму ґрунту займають ґрунтове повітря та ґрунтовий розчин. З цієї причини в газообміні ґрунту із тропосферою в приземному шарі беруть участь значні маси газів. На всій території суші сумарний об'єм пор в ґрунтовому горизонті висотою 0,5 м становить приблизно 33,5∙10⁶ км³ порожнин. Враховуючи, що в теплу пору року повна зміна ґрунтового повітря відбувається неодноразово, то стає очевидним, що протягом року в рух на розділі поверхні ґрунту і атмосфери залучаються багато мільярдів км³ газів.

Ґрунт не тільки природний резервуар газів, але він також ідеально пристосований для трансформації їх складу. Щонайбільша питома поверхня ґрунту, органічні залишки, постійна наявність капілярної H₂O і O₂ – все це сприяє активній мікробіологічній діяльності. Наявність капілярів заповнених водою створюють умови для спільної життєдіяльності анаеробних і аеробних бактерій.

Існує унікальний комплекс аеробних та анаеробних бактерій, що перебувають в тісній трофічній взаємодії.

Анаероби продукують гази з органічних залишків, що розкладають. Специфічні аеробні мікроорганізми, що окиснюють H₂; CH₄; S, не випускають їх із ґрунту в атмосферу. В такий спосіб в ґрунті відбувається майже замкнутий круговорот цих газів, в атмосферу виділяється тільки CO₂.

Завдяки діяльності мікроорганізмів склад ґрунтового і атмосферного повітря суттєво розрізняється. У ґрунті набагато більше CO₂ і менше O₂, ніж в атмосфері. Зміст N₂ приблизно однаковий. Ґрунтове повітря дуже збагачене парою H₂O, вологість наближається до 100%, наявне значне число різноманітних летких і органічних біогенних сполук.

Особливо слід відзначити роль ґрунтової мікрофлори в регулюванні виділення із ґрунту газів, які присутні в атмосфері в малих кількостях, включаючи і гази, що надходять із глибинних шарів землі.

Глибинні газові еманації – це вуглеводні, які перехоплюються і окиснюються аеробними бактеріями. Це забезпечує відсутність в атмосфері біля землі пропану, гептану, які активно дифундують з покладів нафти та газу. Зростання концентрації вуглеводнів приводить до росту числа бактерій (у нормі 10³-10⁵ особин / 1г ґрунту).

Таким чином, в педосфері діє своєрідний біогеохімічний фільтр: бактеріальна система, що захищає атмосферу від надходження розсіяних вуглеводнів.

 

Таблиця 5. Вміст газів у ґрунтовому повітрі, % об.

 

Гази	Вміст у ґрунтовому повітрі	Гази	Вміст у ґрунтовому повітрі
N2 O2 CO2 CO H2 N2O NO NO2 SO2	68-73 5-21 0.1-20 (1-8)∙ 10^-6 (1-8)∙ 10^-6 (2-40)∙ 10^-6 (1-10)∙ 10^-4 (2-4)∙ 10^-6 3∙10^-7	H2S COS CH3SH (CH3 )2S CH3SCH3   Вуглеводні CH4 C2-C20	2∙10^-7 (2-25000)∙ 10^-7 3∙10^-7 1∙10^-6 (1-12)∙ 10^-7     (1-8)∙ 10^-7 (1-35)∙ 10^-7

 

Існує ще один важливий біогеохімічний процес - метилізація металів бактеріями. В той же час - гифобактерії здатні використовувати метильовані сполуки. Припускають, що існує мікробіологічний процес, що замикає метильовані сполуки у внутрішній круговорот і в такий спосіб охороняє атмосферу від надходження летких метильованих сполук. Це можливе пояснення тому факту, що з поверхні педосфери виділяється менше метильованих металів, ніж з поверхні Світового океану.

Газообмін ґрунту і приземного шару тропосфери здійснюється дифузією і конвекцією. Надлишкове зволоження ґрунту пригнічує продукцію CO₂ мікроорганізмами, але підсилюються анаеробні процеси з виділенням CH₄, H₂S, метильованого меркурію.

В автоморфних ґрунтах відбувається інтенсивна аерація, домінує аеробна мікрофлора, униз по ґрунтовому профілю зростає концентрація CO₂ і дещо зменшується концентрація O₂.

В гідроморфних ґрунтах активізуються анаеробні мікробіологічні процеси: значно зменшується концентрація O₂ і зростає концентрація CO₂, спричинені насиченням ґрунту водою. За здатністю до сорбції компоненти ґрунтового повітря утворюють ряд: H₂O > CO₂ > O₂ > N₂.

Отже, в педосфері замикаються обидві галузі грандіозного карбон-оксигенового масообміну якого є головною умовою існування біосфери. З одного боку, ґрунт забезпечує продуктивність фотосинтезуючих рослин суші, що зв'язують CO₂ в органічну речовину і одночасно виділяють в якості метаболіту O₂. З іншого боку, в ґрунті відбувається деструкція відмерлої органічної речовини до CO₂ в процесах біохімічного окиснювання і повернення його в атмосферу. Завдяки зазначеним процесам педосфера відіграє роль центральної ланки в глобальному оксиген-карбоновому циклі і поряд з океаном виконує функції регулятора геохімічного режиму атмосфери.

В той же час глобальний цикл масообміну карбону має деяку незамкнутість. Незамкнута частина карбону, що вибуває з циклу, приводить до дуже важливих наслідків. Наявність рослинних залишків, ґрунтового гумусу обумовлює присутність в атмосфері кисню. Кисень зберігається лише тому, що він не був витрачений мікроорганізмами на біохімічне окиснювання мертвої органічної речовини.