Почва как фактор биопродуктивности водоёмов (за счёт приносимых почвенных соединений)

Эта функция является логическим следствием воздействия почвенного покрова на химический состав поверхностных и грунтовых вод, питающих реки, а через них и другие акватории, в том числе моря и океаны. В результате привноса почвенных соединений водоёмы получают большие количества биофильных макро- и микроэлементов, а также гумуса. Пример: воды Невы приносят в Балтийское море ежегодно около 2 млн т органического вещества (В.В. Пономарёва, 1964).

Ежегодный ионный речной сток в Мировой океан, формирующийся при существенном участии почвенных соединений. Составляет около 3,1 на 10 в 9-й степени, что примерно равно 63% от годового поступления в океан. По подсчётам Б.Б. Полынова (1956) до 95% кальция, 50% магния, 30% калия, мобилизованных в почвах и корах выветривания при разрушинии первичных пород, извлекаются из растворов при их попадании в моря и океаны, причём это извлечение происходит главным образом при участии организмов. Кроме того, активно извлекается кремний, фосфор и другие элементы.

Громадные массы морских животных строят свои скелеты, раковины и панцири из углекислого кальция. Из их отложений слагаются субаквальные толщи. Не случайно именно в зоне контакта морских и речных вод, наблюдаются зоны наиболее высокой биологической продуктивности акваторий. На суше же, ландшафтами наиболее высокой продуктивности оказываются «земноводные» поймы, где частично перехватываются соединения, поступившие с водораздельных почв на пути их миграции в моря и океаны. В умеренном поясе на заливных лугах объём биологического круговорота элементов может составлять величину, превышающую 1000 кг/га (Добровольский, 1968). Речные долины отличаются не только большим потоком элементов, проходящих через фитоценоз, но и их значительной миграцией в зооценозах пойменных экосистем.

В условиях слабо измененных человеческой деятельностью регионов большая часть веществ, растворённых в водах, поступила в водоёмы из природных геохимических потоков и формы этих соединений сформировались в результате естественных процессов.

Современные же почвы регионов интенсивного антропогенного воздействия стали во многих случаях иначе или даже принципиально по-другому влиять на продукционный процесс в водоёмах. Если в доиндустриальный период почвы выступали как фактор положительного воздействия на продуктивный процесс в аквасистемах, то в техногенный этап развития общества ситуация изменилась. Соединения, поступающие в водоёмы из почв, в первую очередь освоенных, стали весьма часто негативно воздействовать на биологическую продуктивность гидросферы. Главная причина этого – загрязнение водоёмов вследствие техногенного и сельскохозяйственного загрязнения почв.

Среди наиболее негативных последствий данного процесса – упрощение структуры биологической продукции и снижение видового состава обитателей водоёмов при их значительном загрязнении агрохимикатами, вынесенными из почвы.

Сорбционный защищающий от загрязнения 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 чрезвычайна важна, потому что, 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 радиоизотопов у пресноводных растений достигают десятка тысяч, тогда как у наземных растений они обычно меньше единицы.

Это наглядный пример того, что почва представляет собой сильный природный сорбент, благодаря чему оказывается мощным барьером для элементов и соединений на пути их миграции в водоёмы стока. Сорбционная сила почв настолько велика, что химические элементы могут поглощаться из недонасыщенных растворов, из которых самостоятельные минералы многих элементов образоваться не могут. Поэтому для ряда редких элементов (рубидия, цезия и т.д.) сорбция фактически единственный механизм концентрации (Перельман, 1977, Перельман, Касимов, 2000).

Возможности сорбционной функции почв, к сожалению, не беспредельны. В настоящее время, в связи с возросшей антропагенной нагрузкой, почва не справляется со своей функцией и в речные воды и водоёмы поступают избыточные количества многих соединений. По данным Ковды В.А. (1985) во многих странах, водные экосистемы стали страдать от того, что в них попадают органические отходы. В результате возникает явление эвтрофикации водоёмов: острый дефицит растворённого кислорода, избыточное минеральное и азотное питание водорослей и микроорганизмов, денитрофикация, десульфирование с образованием сероводорода, метана, этилена, гибель рыбы и других животных, заболевание людей и животных в случае потребления загрязненной воды.

Особенно губительна эвтрофикация вызванная нерациональным применением фосфорных удобрений. Данный процесс происходит на фоне ограниченных запасов фосфатов, основные залежи которых могут истощиться за 75-100 лет. Как отметил Э. Деви, фосфор слишком драгоценен, чтобы отдавать его на «съедение» синезелёным водорослям.

Выброс во внешнюю среду отходов и нерациональное использование ядохимикатов опасны не только для водоёмов. Почвы, загрязнённые вредными веществами становятся непригодными для сельскохозяйственного использования. Чаще всего в связи с загрязнением рек страдают пойменные почвы. На сорбционных почвенных барьерах в десятки раз увеличивается содержание различных концерогенных соединений и тяжёлых металлов. В верхней части профиля в гидроморфных условиях часто аккумулируется свинец. Часть свинца вступает в биокруговорот и может вредить растениям.

Пребывание в почве сорбированных ею элементов нередко измеряется годами, десятилетиями и более продолжительными отрезками времени. Так под Хиросимой и Ногасаки почвы до сих пор содержат повышенное количество продуктов радиоактивного распада.

Почва выполняет также важную роль сорбционного защитного экрана от загрязнения подземных вод. Известны случаи, когда при фильтрации сточных вод до 95% загрязнителей задерживалось в верхнем 30 см слое почвы, отличающейся значительной величиной удельной поверхности.

Однако не все почвы обладают таким высоким сорбционным эффектом.

Таким образом, можно сделать вывод, что почвенная и прилегающая к ней грунтовая толщи, хотя и имеют исключительное значение для защиты подземных вод, далеко не всегда могут успешно осуществлять эту функцию, в связи, с чем необходимо установление уровня защищённости подземных вод от загрязнения.

АТМОСФЕРНЫЕ ФУНКЦИИ ПОЧВ

Почва как фактор формирования и эволюции газового состава атмосферы

Среди атмосферных функций почвы выделяется её влияние на формирование газового состава атмосферы, как прямое, так и опосредованное. Первое воздействие заключено в самом газообмене между почвой и воздушной оболочкой. Второе, определяется прежде всего зависимостью от почв функционирования наземных биогеоценозов, контролирующих многие параметры атмосферы (содержание кислорода, углекислого газа, микрогазов и др.).

В настоящее время признано, что практически вся геологическая история тесно переплетена с историей жизни на Земле и что даже в самых древних породах присутствуют следы жизнедеятельности живых организмов в их микроскопических формах (Заварзин, 1984). Таким образом, не только в океане, но и на суше абиогенная стадия длилась недолго в геологическом времени. Заселённость суши живыми организмами исчисляется миллиардами лет и такой же древний возраст имеют первые примитивные почвы (Добровольский, Никитин, 2006).

Существует два относительно самостоятельных аспекта влияния почвы на формирование состава атмосферы: воздействие почвы на атмосферу в течение истории её развития и современное влияние почвы на воздушную оболочку.

В настоящее время исследователи полагают, что в истории атмосферы выделяются три этапа (Будыко и др., 1985). Первый приурочен к началу докембрия, когда существовала первичная атмосфера и стала формировать 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 неё 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 (Walker, 1977). Второй этап включал в себя основную часть докембрия – до начала фанерозоя. Во время второго этапа, около 2 млрд. лет назад произошла смена бескислородной атмосферы на кислородную (Будыко и др., 1985). Третий этап относится к фанерозою – от кембрия до наших дней. Это время активного включения почвообразования во взаимодействие с атмосферными процессами. Его датируют примерно началом силура, когда происходит массовое заселение суши сосудистыми растениями. Однако, как уже говорилось, нет основания связывать генезис почв с участием в их формировании высших растений. Есть все причины полагать, что примитивное почвообразование и примитивные почвы (протопочвы) были широко распространены на Земле ранее (Ковда, 1985,; Добровольский, Никитин, 2006). Такое заключение подтверждается фактами обнаружения следов биологической активности в достаточно древних осадочных породах (осадочные породы Исуа, Гренландия, 3,8 млрд. лет; кремни Варавууна, Австралия, 3,5 млрд. лет).

Факты присутствия микроорганизмов в древнейших геологических слоях позволили говорить об их крупнейшем вкладе в биологизацию Земли и качественном изменении атмосферы (Заварзин, 1984; Будыко и др., 1985; и др.). Сегодня, уже очевидно, что эти микроорганизмы были, как правило, компонентом почв или педосистем (Никитин, 1980), следовательно, их воздействие на атмосферу не может быть принято достаточно полно без учёта взаимодействия с газовой оболочкой всей почвенной системы.

Комплекс почвенных микроорганизмов отличается по двум важнейшим показателям: общему количеству микроорганизмов и их видовому разнообразию. По микробному разнообразию почва – самая богатая среда обитания по сравнению с другими естественными средами, такими, как природные воды, геологические отложения, силос, рубец жвачных животных, кишечник, молочные продукты и др. (Звягинцев, 1987).

Помимо этого, почва оказывается влагопроводящим и воздухоносным телом, как правило, с быстрым отведением водо-растворимых метаболитов и высокой скоростью газообмена с нижними слоями тропосферы. Благодаря этому, изменения оказанные на газовую фазу почв микроорганизмами почти сразу отражаются на прилегающих к ней воздушных слоях.

Таким образом, большой вклад микроорганизмов в биологизацию приповерхностных геосфер Земли был обусловлен их тесной взаимосвязью с почвой и педогенными телами (в определённых пространственных интервалах). Есть основание полагать, что эта связь имеет тот же возраст, что и наиболее древние геологические отложения. Поэтому, одним из факторов трансформации атмосферы в древний дофанерозойский этап безусловно является почва.

Влияние живого вещества и почв распространяется не только на кислород - углеродный цикл, но и на состав других компонентов атмосферы. Как отмечал в своё время В.И. Вернадский (1926): «Газы биосферы, те же, которые создаются при газовом обмене живых организмов. В биосфере существуют только они одни: О2, N2, CO2, H2O, H2, CH3, NH3, … Это не может быть случайностью».