Роль и функции почвенного покрова

В БИОСФЕРЕ ЗЕМЛИ

 

Роль почвенного покрова

 

Понятие о педосфере. Почвенный покров и гумусовая оболочка суши, мелководий и шельфа представляют собою общепланетарное образование - педосферу, подобную литосфере, гидросфере и атмосфере, с которыми живое вещество образует биосферу планеты.

Педосфера является общеземной биоэнергетической и биогеохимической системой, обладающей способностью саморазвития, самоуправления и создания режима, обеспечивающего существование растений, животных и микроорганизмов и воспроизводства биомассы живого вещества. Именно эти особенности почвенного покрова создают плодородие биосферы.

Педосфера возникла и развивалась на суше и мелководьях параллельно с возникновением жизни и становлением биосферы, начиная с докембрия и особенно после девона (поздний палеозой), когда растения завоевали сушу. Почвы прошлых эпох многократно погребались или разрушались геологическими процессами (горообразование, сейсмика, вулканизм и излияние магмы, оледенения, трансгрессии, денудация, эрозия, смыв, переотложение и т.д.). Древние почвы, продуктыих разрушения - мелкозем, растворы, органическое вещество — в результате этих процессов участвовали в формировании осадочных отложений, атмосферы и гидросферы. Литосфера планеты в своих толщах несет на себе сильнейшее влияние древних почвообразовательных процессов (глины, сланцы, горючие ископаемые, рассеянное органическое вещество, бокситы, каолиниты, соленосные континентальные осадки и т.д.).

Значение почвенного покрова в биосфере Земли. Образование почвенного покрова в естественных условиях генетически неразрывно связано с растительностью, другими компонентами биосферы и особенно с постоянным притоком космической (солнечной) энергии, которая фотосинтетически связывается в виде фитобиомассы, накапливается и сохраняется в форме почвенного органического вещества (корни, детрит, гумус) и биогенного органо-минерального мелкозема.

Но жизнь и почвообразовательные процессы обладают высокой быстротечностью, большой приспособляемостью и способностью к самосохранению, развитию и расширенному воспроизводству видов и массы биогенного вещества. По этим причинам современный почвенный покров является в целом сравнительно молодым, по абсолютному возрасту, образованием порядка от столетий и нескольких тысячелетий до 1-2 миллионов лет.

Однако, как в геологическом прошлом, так и в современную эпоху (до вмешательства человека) роль и функции почвенного покрова в биосфере, хотя и со значительными перерывами и катастрофами, но в целом возрастали и усложнялись, отражая усложнение и рост разнообразия форм живого вещества и истории развития суши и океана. Интенсивность развития и перерывы жизни и почвообразования носили ритмический, циклический характер: суточные, сезонные, одиннадцатилетние (и кратные им) и семидесяти-столетние, циклы оледенения и горообразования, но в целом значение жизни и почвенного покрова возрастало и усложнялось.

Рассмотрим важнейшие функции почвенного покрова, свидетельствующие о его незаменимости.

 

Функции почвенного покрова

 

Биоэкологические функции почв. Почвенный покров, является экологической нишей, убежищем и областью концентрации живого вещества. Организмы живут на почве и внутри ее. Прижизненное выделение и посмертные органические вещества, метаболиты поступают в почву или остаются в ней. Наземная биомасса (главным образом леса, травы) составляет величину порядка n · 10¹³ т. Но подземная масса корней, животных, микроорганизмов вероятно на полпорядка или на порядок меньше этой величины. Биомасса населения океана, как это общепризнанно, также велика (табл. 3).

Таблица 3

Сырая биомасса планеты, т

 

Название объекта	Величина
Суша и океан	n · 10^14-15
Суша	n · 10^12-13
Леса	n · 10^11-12
Травянистые	n · 10^10-11
Животные	n · 10^9-10
Микроорганизмы	n · 10^8-9

 

При этом следует учесть, что коэффициент размножения организмов, число их жизненных циклов в единицу времени значительно возрастает при уменьшении размеров организма, достигая у микробов сотен и тысяч в год. Если биомассу, создаваемую в мелководьях, считать продуктом подводного и земноводного почвообразования, то станет полностью очевидным общее положение о том, что почвенная оболочка - педосфера является незаменимой экологической средой и основой существования жизни на планете. Почвенный покров, населенный бесчисленным количеством макро-, мезо- и микроорганизмов, является в известном смысле параживым образованием, неотделимым от живого вещества почвы.

Биоэнергетическая функция почвенного покрова. Растения в экологических системах с почвенным покровом ежегодно фиксируют около n · 10¹⁷ ккал химически активной энергии. Сами почвы аккумулируют и удерживают в виде органических веществ (детрит, гумус) до n · 10^19-20 ккал энергии. Почвенно - растительные экосистемы как бы противостоят энтропии, удерживая на сотни, тысячи и миллионы лет накопленную энергию в виде гумуса, торфа, сапропеля, угля. Энергия гумуса и органических остатков служит базой существования и почвообразующей деятельности животных (высших и низших), микроорганизмов, является основой почвенного плодородия. Человек и современная цивилизация должны умело использовать запасы и управлять новообразованием ресурсов этих видов биогенной энергии. Один грамм сухой биомассы при окислении и сгорании производит 2 - 3 ккал тепловой •энергии.

Гумус значительно богаче запасом химически связанной энергии: 1 г - 4,5-5 ккал. Один гектар плодородного чернозема Украины или Северного Кавказа имеет запасы энергии в гумусе и органических остатках до n · 10⁹ ккал. Поэтому-то столь необходимы травосеяние в севооборотах и регулярное внесение органических удобрений и компостов в пахотные почвы.

Высокопродуктивное земледелие и лесоводство являются формами эффективного использования и управления биоэнергетической функцией почвенного покрова естественных и антропогенных экологических систем. Уничтожение почв в природе или хозяйстве необратимо разрушает этот механизм биосферы.

Азотно-белковая функция почвенного покрова. Почвенно-растительные экологические системы в процессе их саморазвития приобрели способность фиксировать атмосферный молекулярный азот и превращать его в аминокислоты и белки. Внесимбиотическая фиксация азота связана с использованием микроорганизмами энергии, органических веществ почв. Каждая тонна гумуса может обеспечить фиксацию 15-40 кг азота. Симбиотическая фиксация азота бобовыми, микоризой обогащает почвы и экосистемы еще большими ресурсами азота и белков. Биологическая фиксация азота в почвах суши достигает порядка 140 млн. т/год. Промышленные удобрения добавляют еще около 55-60 млн.т/год. Другие антропогенные источники (топливо и др.) составляют до 30 млн. т ежегодно. Минуя или пройдя организм травоядныхживотных, соединения азота возвращаются в почвы, аммонифицируются, нитрифицируются, повторно. Используются растениями или в процессе денитрификации возвращаются в атмосферу.

В общем азот в почвах часто находится в минимуме, снижая урожаи биомассы. Избыток же минерального азота (нитритов, нитратов) в пише и водах опасен для человека. Поэтому, поддержание запасов азота в почвах биологическими методами - проблема большого значения. Белковое питание (растительными или животными белками) явилось важнейшим фактором эволюции животных и особенно формирования мозга и психической деятельности человека. Известно, что объем мозга у человека за время четвертичной эпохи (1,5-2,0 млн. лет) утроился, поднявшись с 450-650 до 1200-1600 см³.

Проблема азотного питания растений, минеральных удобрений, биогенной фиксации азота, белкового рациона человека и ныне является одной из самых актуальных. Ее рациональное решение все более оказывается задачей повышения эффективности биогенной фиксации азота микроорганизмами почв и растениями.

Биогеохимические функции почв. Образование биомассы сопровождается не только фиксацией химически полезной энергии, но и формой мобилизации и выноса на поверхность и в корнеобитаемые горизонты огромных масс химических элементов (С, N, Н, 0, Р, Са, S, К, Mn, Al, Si, Zn, Си, Вг, I, Fе и др.) и их соединений.

Углеводы, жиры, белковые соединения, связанная с ними энергия растительной биомассы являются начальным звеном пищевых цепей (растения-животные-микроорганизмы) и биогеохимического потока химических элементов в экосистемах, ландшафтах, на континентах. Подсчеты свидетельствуют, что ежегодно мобилизуется, проходит через растения, освобождается из спада, минерализуется при потреблении животными и микробами до n · 10^9-10 т минеральных соединений различного типа. Эти соединения многократно используются живыми организмами и этим же путем удерживаются в экосистемах суши. Вместе с тем массы измельченного органического вещества и продуктов его полной минерализации перемещаются в виде водных взвесей и растворов, в форме пыли и аэрозолей от гор и возвышенностей к низменностям, морям, океану, погребаясь геологическими отложениями. Из пищевых цепей биогеохимического круговорота вырывается полностью в геологические осадки, вероятно, около 5-10% общей массы мигрирующих веществ.

Если учесть состав сырой биомассы растений и прижизненное водопотребление, то можно убедиться, что по отношению к сумме минеральных веществ, принятых в биомассе за единицу, главными важнейшими биофильными соединениями являются Н, О, С, N:

 

Me P N С H₂O

1 10-100 100-1000 10000 100000

Именно вода, углекислота, соединения азота и фосфора являются созидателями живого вещества (урожая), предоставляемые почвенным покровом растения. Эти же соединения в ходе почвообразовательных процессов обнаруживают явное биогенное циклическое накопление в верхних гумусовых горизонтах плодородных почв.

Биогеохимические функции природных почв и коры выветривания выражаются также в образовании агрессивных кислот (угольная, азотная, серная), гумусовых кислот, а также устойчивых хелатных соединений. Большое значение в этом имеют циклические изменения окислительно-восстановительного потенциала. В почвах в отличие от изверженных магматических и метаморфических пород возникают различные минеральные и органоминеральные растворимые и нерастворимые, но высокодисперсные соединения: карбонаты, сульфаты, хлориды, соединения кремния и полуторных окислов, вторичные глинистые минералы, которые в последующем накапливаются в осадочных отложениях континентального или морского цикла.

Функции оземления изверженных пород. Обобщая рассмотренные биогеохимические функции почв, можно заключить, что почвообразование на монолитных магматических породах является процессомих оземления, то есть превращения в землистый мелкозем с примесями солей. Образующийся in situ на плоских поверхностях магматических пород землистый мелкозем - элювий за тысячи лет непрерывного почвообразования может достигать мощности в несколько десятков сантиметров и даже нескольких метров.

Однако на склонах оземленный мелкозем совместно с обломками породы смывается, образуя делювий или аллювий, транспортируется далеко в поймы и дельты рек, в заливы и моря, участвуя в формировании осадочных пород. Осадочные, нередко более или менее метаморфизированные породы, могут вновь стать материнскими породами новых циклов почвообразования. Но эти вторичные осадочные породы будут сохранять некоторые унаследованные от древнего почвообразования свойства мелкозема (присутствие органических веществ, глинистые или растворимые минералы и др.).

Почвенный мелкозем, особенно переотложенный, весьма разнообразен по составу и свойствам, зависит от направления первичного почвообразования и условий переноса и осадконакопления, Но главные черты почвенного мелкозема общие: присутствие органических и органо-минеральных соединений, наличие вторичных глинистых минералов, окислов, растворимых минералов, обогащенность углеродом, азотом, фосфором, калием, способность поглощать и обменивать катионы и отчасти анионы из растворов, наличие скважности и капиллярной порозности, что сообщает осадочной породе и почвам способность удержания воды (влагоемкость) и ее капиллярного передвижения, а также известную степень аэрации (воздухосодержания).

Все эти признаки - носители плодородия почв, отсутствуют у магматических горных пород. Но в какой-то мере эти признаки наследуются рыхлыми мало консолидированными осадочными породами, образованными перенесенным и переотложенным почвенным землистым мелкоземом.

Гидрологические функции почвенного покрова. Велика и труднопереоценима активная роль почвенного покрова в земных гидрологических циклах и гидросфере. Почвенный покров принимает влагу жидких и твердых атмосферных осадков, конденсирует парообразную влагу, фильтрует воды вглубь своих горизонтов, где образуются грунтовые и подземные воды. Почвенная толща и дисперсные системы сорбируют и удерживают также физиологически доступную растениям воду и растворенные вещества. Водные запасы почв испаряются и транспирируются пропорционально образующейся биомассе и аридности климата. Испарение и транспирация влаги обеспечивает увлажнение приземного воздуха. Стекающая и фильтрующаяся влага является растворителем многих компонентов почвенной толщи. Химический состав речных и грунтовых вод суши - это интегральная смесь водных экстрактов из живой и мертвой биомассы, метаболитов и подвижных продуктов почвообразования и выветривания. Испарительный тип водного баланса суши и ее бессточность (пустыни, сухие степи, низменности) обусловливают образование, минерализованных вод и засоленных бесплодных почв. Проточный и отточный типы водного баланса суши сопровождаются выщелачиванием почв; обедняют их элементами минерального питания растений, вызывают обменную кислотность почв, их низкое плодородие.

Накопительный водный баланс низменностей, озерно - морских побережий создает заболоченность и анаэробность, часто осложненные образованием сульфидов и кислотностью, вызванную присутствием квасцов. Инфильтрация, движение, транспирация и испарение вод на суше и в береговых зонах морей и океана - наиболее мощный механизм, направляющий геохимические процессы. Эти же факторы обеспечивают накопление и удержание влаги в почвах и водное питание растений.

Газово-атмосферные функции почвенного покрова. Столь же многообразна роль почвенного покрова в газовом режиме планеты и в формировании состава атмосферы. Фотосинтез, связывание углекислоты, фиксация азота, эмиссия кислорода, водорода, денитрификация, десульфирование, дыхание, окисление и возврат части углекислоты в атмосферу - все эти процессы, свойственные почвенно-растительным экосистемам, определяют как малые локальные циклы, так и сложившиеся - глобальные химические соотношения в земной атмосфере O₂, N₂, CO₂, СН₄, СО, NxO, H₂S, Н₂O (паров). С колебаниями концентраций этих компонентов в атмосфере, по-видимому, в значительной мере связан так называемый оранжерейный эффект, то есть климат планеты, его потепление, похолодание и даже, возможно, ледниковые эпохи и периоды теплого климата в геологическом прошлом Земли. Образование карбонатов при выветривании и почвообразовании усилило возникновение карбонатных осадочных пород, известняков, доломитов. Биомасса лесов и трав, гумусовые горизонты почв, торфяники, подводные почвы и сапропели, древние органогенные болотные и дельтовые почвы, послужившие основой образования залежей каменного угля, прослоев погребенных масс мелкозема и древних гумусовых горизонтов, вывели из атмосферы прошлого огромные количества углекислоты. Ныне большинство ученых, считают, что повсеместное восстановление лесов, травянистых лугов, обогащение почв гумусом и повышение биопродуктивности почв в земледелии может обеспечить оптимизацию режима и содержания СО₂ в атмосфере и предотвратить губительные изменения климата Земли (особенно Северного полушария).

По этим же причинам необходимо всемерно защищать гумусовые горизонты почв от окисления и эрозии и настойчиво обеспечивать в освоенных почвах полей и лугов положительный баланс гумуса (травосеяние, лесополосы, органические удобрения). Высокогумусовые почвы, благодаря темному цвету, всегда теплее, а их альбедо всегда меньше, чем альбедо смытых малогумусовых светлых почв. Мы вправе сделать важный общий вывод. Почвенный покров своей газовой функцией выполняет в биосфере планеты важнейшую роль поддержания оптимального современного климата (водно-тепловой режим). Разрушение почвенного покрова или его замещение биогенно непродуктивными территориями неизбежно будет сопровождаться изменениями гидрологического, теплоэнергетического, геохимического и атмосферно-климатического режимов в неблагоприятную для жизни сторону.