Средняя концентрация рассеянных элементов в торфе лесной зоны европейской территории России, мкг/г сухого вещества

(поданным В.Н.Крештаповой, 1991)

 

Химический элемент	Тип торфа
верховой	переходный	низинный
М, мг/кг	V, %	М	V	М, мг/кг	V, %
Ti	117,9		210,6		283,8
V	з,о		6,8		10,8
Сг	3,7		4,9		7,8
Мпn	22,1		43,3		124,8
Со	0,7		0,9		1,3
Ni	4,0		4,6		7,0
Сu	3,6	8,5	4,7		7,5
Zn	18,4		8,5		11,1
Ga	1,2		2,7		3,1
Ge	0,4		0,2		0,6
Zr	4,2		11,5		17,9
Mo	0,3		1,1		1,6
Рb	3,6		4,5		2,3
Ag	0,1		0,2		0,2
Y	0,7		2,4		2,2
Sc	0,1		0,3		0,3
Sr	19,6		47,5		55,4

 

Примечание. М — среднее содержание, мг/кг; V — коэффициент вариации, %.

 

Средние значения концентраций тяжелых металлов в органическом веществе педосферы, составляют мкг/г сухого вещества:

 

Fe................................................ 200-300

Мп.................................................. 30

Zn................................................... 25

Сг.................................................... 4

Ni.................................................... 4

V..................................................... 3

Сu................................................... 3

РЬ................................................... 2

Со................................................... 1

Мо............................................... 0,5

Cd................................................ 0,3

Hg................................................ 0,1

Роль почвы в регулировании

Углерод-кислородного массообмена

В биосфере

 

Почва характеризуется высокой биогенностью и насыщенностью живыми организмами, их метаболитами, а также мертвым рганическим веществом, преимущественно растительного происхождения.

Деструкция растительных остатков производится почвенной мезофауной — многочисленными беспозвоночными, обильно населяющими верхние горизонты почвы, богатые органическим веществом. Количество беспозвоночных в хорошо увлажняемых ландшафтах меняется от 9 до 60 — 70 т/км² сырой массы, а в некоторых случаях достигает 200 т/км² (Чернов Ю. И., 1975). Наибольшая часть массы почвенных беспозвоночных приходится на дождевых червей (до 40 — 50 т/км²) и членистоногих (до 10 — 30 т/км²). О размахе их деятельности свидетельствуют данные о том, что дождевые черви на 1 км² лиственного леса могут переработать за сезон всю массу опавших листьев и перемешать продукты деструкции с минеральной массой, в 10 раз большей (Глазовская М.А., 1988).

Ответственная роль в глобальной биогеохимии педосферы принадлежит микроорганизмам: бактериям, актиномицетам, грибам, водорослям, простейшим. Огромное количество и видовое разнообразие свидетельствуют, что почва является самой благоприятной средой их обитания. Масса микроорганизмов в поверхностном горизонте почв в несколько раз превышает массу наземных животных и достигает 2 — 3 т/га. Суммарная живая масса микроорганизмов во всей педосфере, возможно, близка к 10n×10⁹т; сухая биомасса почвенных микроорганизмов согласно данным X. Боуэна равна 7×10⁹ т.

Одной из главных групп почвенных микроорганизмов являются бактерии. Их количество колеблется от (0,5 — 0,8)×10⁶ экземпляров в 1 г вещества подзолов до (2 — 2,5)×10⁶ экземпляров в 1 г черноземов, что соответствует примерно 2 и 6 т живой массы на площади в 1 га. По мнению Г. А. Заварзина (1984), в общей массе почвенных бактерий связано 6×10⁹ т углерода, что соответствует примерно 12×10⁹ т сухого органического вещества. Бактерии состоят преимущественно из белков, в подчиненном количестве присутствуют липиды. Среднее содержание главных элементов в бактериях, по данным X. Боуэна (1966), можно представить в следующем виде (в процентах сухого органического вещества):

 

С..........................................................54,0

О..........................................................23,0

N.......................................................... 9,6

Н.......................................................... 7,4

Mg........................................................0,70

Са........................................................0,51

Na........................................................0,46

Р...........................................................3,00

S...........................................................0,53

 

В биогеохимических процессах, обусловленных жизнедеятельностью почвенных бактерий, участвуют огромные массы химических элементов. Автотрофные бактерии-нитрификаторы в рельтате биохимического окисления недоступного для высших ра-тений аммиака на протяжении года образуют сотни килограммов на гектар доступных для растений нитратов. Азотофиксирующие бактерии, обладающие способностью поглощать и связывать молекулярный азот из атмосферы, аккумулируют в педосфере от 44×10⁶ (Дейбьюри К., 1970) до 200×10⁶ т/год азота (Россвэлл Т., 1983).

Особо важное значение имеет деятельность гетеротрофных бактерий, участвующих в трансформации органического вещества вплоть до конечного продукта его биохимического окисления — углекислого газа. Не менее ответственная роль принадлежит актиномицетам и грибам, которые разрушают наиболее устойчивые компоненты растительных остатков — клетчатку и лигнин. Содержание актиномицетов весьма велико и часто измеряется миллиардами экземпляров в 1 г почвы. Таким образом, основная масса углекислого газа, образующаяся на суше, есть результат жизнедеятельности микроорганизмов, насыщающих педосферу.

Выше отмечалось, что благодаря особенностям микроморфологии почва обладает высокой пористостью. Суммарный объем пор и пустот в верхнем горизонте почвы составляет 55 — 70 % и более от общего объема почвы. По этой причине в объеме газов между педосферой и приземным слоем тропосферы принимают участие весьма значительные массы. Оценить их можно лишь очень приблизительно.

Площадь Мировой суши, за исключением внутри-континентальных водоемов (2×10⁶км²) и ледников (13,9×10⁶ км²), составляет 134×10⁶ км². Среднее значение порозности верхнего слоя педосферы мощностью 0,5 м можно принять равной 50 %. Следовательно, суммарный объем пор и пустот равен 33,5×10⁶ км³. Если учесть, что в теплое время года полная смена почвенного воздуха происходит несколько раз в сутки, то, очевидно, что на протяжении года в движение на разделе поверхность почвы — атмосфера вовлекаются многие миллиарды кубических километров газов.

Почва не только служит резервуаром природных газов, но также является, по выражению Г. А. Заварзина, «идеальным приспособлением» для трансформации их состава. Огромная поверхность в единице объема почвы, обилие органических остатков, постоянное присутствие капиллярной влаги и наличие кислорода в газовой фазе — все это способствует активной микробиологической деятельности. При этом очень важное значение имеет агрегирован-ность почвенного вещества. Устойчивое присутствие капиллярной воды внутри агрегатов при наличии свободных от воды межагрегатных пор и трещин создает условия для сосуществования различных групп микроорганизмов. В межагрегатном пространстве благодаря свободному диффузионному газообмену с приземным слоем воздуха активно развивается жизнедеятельность аэробных микроорганизмов. Иная ситуация существует внутри агрегатов, где капиллярные поры заполнены водой и поэтому диффузия происходит в сотни раз медленнее. Такие условия способствуют развитию анаэробных бактерий. Аэробные и анаэробные микроорганизмы находятся в тесном трофическом взаимодействии. Анаэробные микроорганизмы являются продуцентами газов из разлагающихся растительных остатков. Специфически аэробные бактерии, окисляющие водород, метан, разнообразные соединения серы, не выпускают эти газы из почвы в атмосферу. Таким образом, в почве происходит почти замкнутый круговорот перечисленных выше газов, а в атмосферу выходит преимущественно СО₂.

Благодаря активной жизнедеятельности микроорганизмов состав почвенного воздуха и атмосферы сильно различается. В почвенном воздухе в десятки и сотни раз больше углекислого газа, но меньше, чем в атмосфере кислорода. Содержание молекулярного азота примерно одинаковое. Почвенный воздух сильно обогащен парами воды, насыщенность которыми близка к 100%, а также разнообразными летучими органическими и неорганическими биогенными соединениями.

Почвенная микрофлора играет весьма важную роль в регулировании выделения из почвы газов, находящихся в атмосфере в очень небольшом количестве, в том числе газов, поступающих из глубинных слоев земной коры. Среди глубинных газовых эманации постоянно присутствуют углеводороды, образующиеся в процессе метаморфизации осадочных пород, содержащих рассеянное органическое вещество. Постоянный поток рассеянных углеводородов перехватывается аэробными бактериями, которые окисляют эти газы. Бактерии распространены в почвах повсеместно в количестве п× (10³—10⁵) экземпляров в 1 г почвы (Заварзин Г. А., 1984).

Жизнедеятельность аэробных бактерий обеспечивает отсутствие в приземном воздухе таких углеводородов, как пропан и гептан, активно диффундирующих из залежей нефти и газа. Возрастание в почвенном воздухе углеводородов сопровождается увеличением численности бактерий, окисляющих углеводороды. Этот факт используется в качестве признака для поиска газонефтяных месторождений (так называемый микробиологический метод поиска).

Таким образом, в педосфере действует своеобразный биогеохимический фильтр — бактериальная система, защищающая атмосферу от поступления рассеянных углеводородов.

В связи с газорегулирующей ролью педосферы отметим недостаточно изученный, но весьма важный биогеохимический процесс. Многие ученые предполагают, что процесс метилизации металлов (прежде всего ртути) обусловлен деятельностью бактерий. В то же время одна из морфологических групп бактерий — гифобактерии — способна использовать различные метилированные соединения. Г. А. Заварзин (1984) высказал мысль о наличии в почве микробиологического механизма, замыкающего метилированные оединения во внутрипочвенный круговорот и таким образом пре-храняющего атмосферу от поступления метилированных соединений. Можно предположить, что благодаря этому механизму с поверхности педосферы выделяется меньше летучих метилированных металлов, чем с поверхности Мирового океана.

Газообмен почвы и приземного слоя тропосферы осуществляется благодаря диффузии и конвекции. Избыточное увлажнение, тем более насыщение почвы водой, подавляет продуцирование диоксида углерода микроорганизмами. Одновременно усиливаются анаэробные микробиологические процессы, сопровождающиеся образованием метана, сероводорода, метилированной ртути.

В автоморфных почвах, существующих в условиях хорошей аэрации, аэробная микрофлора доминирует над анаэробной, содержание кислорода в почвенном воздухе слабо уменьшается вниз по почвенному профилю и соответственно содержание углекислого газа увеличивается слабо, примерно в 2 раза. По мере затруднения аэрации при заполнении пор водой в гидроморфных почвах активизируются анаэробные микробиологические процессы. При неполном водонасыщении происходит сильное уменьшение содержания кислорода в почвенном воздухе вниз по профилю почвы и увеличение углекислого газа в несколько раз. Принципиальная разница в распределении О₂ и СО₂ в автоморфных и гидроморфных почвах в период наибольшей биологической активности (июнь) показана в табл. 5.5.

Таблица 5.5

Распределение О₂ и СО₂ по профилю автоморфных и гидроморфных

почв разных природных зон, % объема (по Г. А.Заварзину и др., 1985)

 

Автоморфные почвы	Гидроморфные почвы
дерново-подзолистая	чернозем южный	торфяно-болотная	черноземно-луговая пойменная
глубина, см	содержание СO2/O2	глубина, см	содержание СO2/O2	глубина, см	содержание СO2/O2	глубина, см	содержание СO2/O2
	0,9/20,0		0,70/20,55		2,5/18,5		0,98/19,40
	1,2/19,8		0,80/19,60		3,2/17,8		4,96/16,55
	1,6/19,3		0,85/19,80		6,3/13,7		5,45/15,55
	2,3/18,4		1,15/19,80		6,6/13,6		6,92/14,30
	1,8/19,0		1,30/19,50		6,8/13,4	—	—
	1,5/19,4		1,45/18,85	—	—	—	—

 

Твердое вещество почвы более энергично поглощает молекулы водяного пара, чем молекулы газов, а так как в почве содержание водяного пара обычно высокое, то физико-химическое поглощение газов твердой фазой почвы невелико. По способности сорбироваться компоненты почвенного воздуха можно расположить в следующий ряд: Н₂О > СО₂ > О₂ > N₂.

В составе почвенного воздуха могут присутствовать некоторые неорганические газы, диффундирующие через толщи горных пород из мест их скопления. В частности, почвы над скоплениями радиоактивных элементов обогащаются радиогенными эманациявычми (радоном, гелием), над залежами сульфидных руд — ртутью. На использовании этого явления основаны атмогеохимические методы поиска месторождений полезных ископаемых.

В педосфере смыкаются обе ветви грандиозного углерод-кислородного цикла массообмена, функционирование которого является главным условием существования биосферы. С одной стороны, почва обеспечивает продуктивность фотосинтезирующих растений суши, связывающих диоксид углерода в органическое вещество и при этом выделяющих в качестве метаболита свободный кислород. С другой стороны, в почве происходят разрушение отмершего органического вещества, его биохимическое окисление до образования углекислого газа и возвращение последнего в атмосферу. Благодаря этим процессам педосфера играет роль центрального звена в глобальном углерод-кислородном цикле и наряду с океаном выполняет функции регулятора геохимического режима атмосферы.

Оценить массообмен СО₂ в системе педосфера — растительность Мировой суши в первом приближении можно с помощью баланса ежегодной продукции фотосинтезирующих растений. Использование такого приема базируется на следующих положениях.

Масса растительности суши после последнего оледенения и образования современных природных зон на протяжении 10 — 12 тыс. лет (до начала активной хозяйственной деятельности человечества) находилась в состоянии подвижного равновесия. Конечно, в соответствии с вековыми ритмами увлажнения происходили колебания общей биомассы, но ее непрерывного возрастания или деградации не было. Это означает, что количество ежегодно поглощаемого фотосинтезирующими растениями СО₂ было близко к его количеству, которое на протяжении года выделяет почвенный покров Мировой суши.

Количество углерода, связываемого растительностью суши в процессе фотосинтеза, до вмешательства человека было равно 86×10⁹ т/год. Вероятно, близкое (хотя несколько меньшее) количество углерода выделялось педосферой в составе углекислого газа. Как указано выше, в настоящее время растительность под влиянием хозяйственной деятельности сократилась примерно на 25 %.

Следовательно, масса углерода, поступающего из педосферы в форме углекислого газа составляет около 74×10⁹ т.

Трансформация органического вещества отмирающих органов растений осуществляется микроорганизмами. Соотношение масс ежегодного опада растительности и напочвенного органического вещества (лесных подстилок, степного войлока) позволяет предполагать, что разложение ежегодно отмирающих продуктов фотосинтеза до образования СО₂ и почвенного гумуса во внетропи-ческих ландшафтах происходит в разных природно-зональных условиях за срок от одного года до 7 — 8 лет. При этом преобладающая часть отмершего органического вещества полностью минерализуется (т.е. разлагается до СО₂), а на образование гумуса расходуется лишь несколько процентов от всей массы углерода, содержащегося в ежегодном опаде. Минерализация разнородных гумусовых соединений происходит значительно медленнее и с разной скоростью.

Как показывают определения радиоуглеродного возраста, наименее устойчивые компоненты гумуса минерализуются за срок около 500 лет. По этой причине постепенно разрушаемая и пополняемая масса наименее устойчивых гумусовых соединений сосредоточена в верхней части профиля почв. Для минерализации более устойчивых компонентов гумуса, сохраняющихся в нижней части профиля, требуются тысячи лет. Высокоустойчивые соединения гуминовых веществ с высокодисперсными глинистыми частицами могут сохраняться десятки и сотни тысяч лет и при переотложении почвенного материала входят в состав осадочных отложений и пополняют фонд рассеянного органического углерода осадочной оболочки Земли.

Микробиологическое разрушение органического вещества в почве является главным источником выделения углекислого газа из педосферы. Вторым по значению источником служит выделение СО₂ корнями растений (так называемое «корневое дыхание»). Соотношение продуцирования углекислого газа микроорганизмами и корнями высших растений в разных типах почв сильно меняется в зависимости от биоклиматических условий, физических свойств почв и типа водного режима. Предполагается, что в среднем корни высших растений поставляют 1/3 всего количества СО₂, выделяемого почвой, а микроорганизмы — ²/з.

Основная часть годовой продукции СО₂ в умеренном поясе приходится на безморозный период года, допускающий биологическую активность как высших растений, так и микроорганизмов. В Н.Кудеяров с сотрудниками (1995) на основании экспериментальных исследований обнаружили, что модуль эмиссии углекислого газа (среднее значение выделения СО₂ из почвы на протяжении вегетационного сезона, измеряемое в г/м² в сутки) у разных типов почв довольно близок и варьирует в пределах 1,5 — 2,5 г/м² в сутки. В то же время неодинаковая длительность безморозного периода и различная площадь, занимаемая разными типами почв, обуславливают их разную годовую продукцию СО₂. По данным В.Н.Кудеярова, годовая продукция разных типов почв России колеблется от 72 до 541 млн т СО₂, а в целом для России составляет 3,120×10⁹ т СО₂.

Итак, миграционный цикл массообмена углерода в системе атмосфера—растительность суши—педосфера — атмосфера не полностью замкнут благодаря выведению некоторого количества углерода из миграционного цикла и консервации этого элемента в составе мертвого органического вещества. Несмотря на небольшую часть массы углерода, выбывающего из глобального биогеохимического цикла, незамкнутость этого цикла имеет очень важные последствия. Наличие растительных остатков (лесной подстилки, торфа) и почвенного гумуса обусловливает присутствие в атмосфере кислорода. Кислород сохраняется лишь потому, что он не был израсходован микроорганизмами на биохимическое окисление мертвого органического вещества.