1.3. Литосфера

Литосфера - верхняя твердая оболочка Земли, постепенно пе­реходящая в сферы с меньшей прочностью вещества и включающая в себя земную кору и верхнюю мантию Земли. Мощность литосфе­ры составляет от 5 до 200 км, в том числе земной коры до 50-70 км на континентах и 5-10 км на дне океана. Литосфера (или иначе з емля) - важнейшая часть окружающей природной среды, характе­ризующаяся площадью, рельефом, почвенным покровом, раститель­ностью, недрами, а также пространством для размещения всех отраслей хозяйственной деятельности человека.

Литосфера состоит из двух частей: материнской породы (маг­мы), разрушенной химическими процессами до появления жизни на Земле, и более поверхностной ее части - почвенного покрова (по­чвы), сформированного после появления жизни на нашей планете.

Почвенный покров занимает особое место среди природных ресурсов нашей планеты, т.к. обладает уникальным свойством - пло­дородием, т.е. способностью обеспечивать питание растений и их биологическую продуктивность. Это определяет незаменимость по­чвы в сельскохозяйственном производстве.

Почва, являясь составной частью литосферы, играет роль ба­зисного и функционального компонента всех наземных и пресно­водных экосистем как естественных, так и антропогенных. Кроме того, почва представляет собой естественную среду, поглощающую и перерабатывающую основную массу отходов бытовой и производ­ственной деятельности человека. В природе отсутствуют ресурсы, альтернативные почвенному покрову, поэтому литосфера является исходной материальной основой благосостояния человечества, ос­новным средством производства.

Почвенный покров Земли отличается большим разнообрази­ем, так как он меняется во времени под воздействием естественных и антропогенных факторов. Естественные факторы (тепло, влага, ветер, радиация и т.д.) и вызываемые ими геологические явления (вулканические извержения, землетрясения, наводнения и т.д.) су­щественно изменяют характер литосферы в отдельных регионах на шей планеты. Под их влиянием формируются многочисленные виды и разновидности почв. Помимо этого, характер почвенного покрова во многом определяется человеком, деятельность которого, особен­но в городских экосистемах, приводит к уничтожению естествен­ных почв и формированию антропогенных.

Формирование почвенного профиля в естественных условиях зависит от типа почвообразовательного процесса. Он определяется комплексом природных условий почвообразования, характерных для конкретного ландшафта. По типу почвенного профиля, по особен­ностям залегания горизонтов можно восстановить физико-географическую обстановку, в которой происходило формирование почв на протяжении сотен и даже тысяч лет. Для антропогенных почв выполнить реставрацию в таком объеме невозможно, т.к. любое антропогенное воздействие налагается на уже существующий почво­образовательный процесс. Но анализ таких почв помогает выявить ретроспективу и особенности антропогенных воздействий. Например, процесс становления поселений, развитие ремесленных про­мыслов, особенности культуры и быта.

Почвенный покров Земли является сложной трехфазной средой, содержащей твердые (минеральные), жидкие (почвенная влага) и газообразные компоненты. Он сформировался в результате слож­ных и длительных преобразований верхних слоев литосферы под влиянием воды, воздуха, климата, растений, животных, микроорганизмов и производственной деятельности человека. Это определило особенности почвы как биокосного тела, содержащего живые и не­живые компоненты, как основного элемента биосферы. Именно по­чвенная оболочка определяет многие процессы, происходящие в био­сфере. Из нее вредные вещества могут попадать в грунтовую и по­верхностную воду, растения, в атмосферный воздух. Кроме того, здесь происходят процессы самоочищения почвы.

На территории России естественным путем сформировалось более 90 видов почв. Наиболее характерные из них представлены в таблице 5. В результате хозяйственной деятельности человека обра­зовалось три типа почв:

1. - естественная почва вне населенных мест, которая может быть использована для строительства и сельскохозяйственного производства;

• искусственно созданная почва населенных мест в результате смешения с отходами жизнедеятельности, строительства и промышленности. Это культурный слой земли мощностью от 30 см до 10 м.

• искусственные покрытия почвы (асфальт, бетон и др.).

Таблица 5 Основные виды почв России и их характеристика

Типы почв Гумус, % Пористость, % рН Тундровые 0,6 42 6,5 Дерново-подзолистые 1,5 49 5,5 Серые лесные 2,5 50 5,0 Черноземы 10,0 60 7,0 Каштановые 4,0 59 7,3 Сероземы 1,3 53 8,2 Красноземы 6,5 60 5,5

Важнейшее значение почв состоит в аккумулировании орга­нического вещества, различных химических элементов, а также энергии. В почве происходит физико-химическая и биологическая адсорбция, трансформация и нейтрализация различных загрязнений. Нарушение этого элемента биосферы может необратимо нарушить сложившееся функционирование биосферы. Именно поэтому чрез­вычайно важно изучение глобального биохимического значения почвенного покрова, его современного состояния и изменения под влиянием антропогенной деятельности.

Важной особенностью почвы является наличие органических веществ, которые образуются в результате биохимических процес­сов разложения умерших организмов. Биохимические процессы рас­пада органических веществ почвы (сапрофагия) обусловлены микробами, личинками насекомых (мух, клещей) и червями. Боль­шинство почвенных микробов относится к гнилостным микроорга­низмам (сапрофитам), усваивающим белок, разлагающим клетчатку и фиксирующим азот из воздуха. Количество бактерий в 1г может достигать 100 млн. Содержание бактерий в почве изменяется с глу­биной. Верхние слои почвы содержат относительно мало бактерий, так как почва сверху подвергается действию солнечных лучей и вы­сыханию. Наибольшее количество бактерий содержит слой почвы от 1 до 50 см. На глубине 4-5 м почва содержит незначительное ко личество микроорганизмов из-за низкой температуры, недостатка пи­тательных веществ и кислорода.

Биохимические процессы в почве определяют ее способность к самоочищению, т.е. способность превращать сложные органичес­кие вещества в простые - неорганические. Самоочищение почвы эффективнее происходит в аэробных условиях. При этом различают два этапа:

1. Распад органических веществ (минерализация).

2. Синтез гумуса (гумификация).

В процессе минерализации белки распадаются на аминокис­лоты, а затем под действием микроорганизмов - на аммиак, воду и углекислый газ. Кроме того, в процессе самоочищения в почве мо­гут накапливаться сероводород и различные токсические примеси.

В анаэробных условиях как белковые, так и небелковые азот­содержащие вещества разлагаются до карбоната аммония. При от­сутствии кислорода возможен процесс восстановления нитратов до нитритов (денитрификация).

Характер и состав почвенного покрова в значительной степе­ни зависят от климато-географических условий и рельефа местнос­ти. Рельефом принято называть совокупность неровностей поверх­ности. Наиболее крупными типами рельефа поверхности каменной оболочки земного шара являются океанические впадины и матери­ки. На дне морей и океанов и на континентах выделяют равнинный и горный типы рельефа.

В результате перемещения или превращения веществ почва обычно расчленяется на отдельные слои или горизонты. Соотноше­ние и протяженность горизонтов по глубине зависит от типа почв. Самый верхний горизонт, содержащий продукты перегнивания орга­нических веществ, является самым плодородным. Он называется гумусовым или перегнойным. Его мощность — 10-15 см.

Гумус представляет собой неоднородную смесь растительных и животных остатков, разложившихся под действием микроорганиз­мов. В состав гумуса входят 55% лигнина, 7-14% клетчатки и прак­тически все классы органических соединений: гуминовые кислоты, фульвокислоты, белки, жиры, углеводы, продукты распада лигнина. Гумус содержит огромные запасы углерода, значительно превыша­ющие его содержание в биомассе. Над гумусовым горизонтом располагается слой растительно­го опада, который называют подстилкой. Он состоит из еще неразложившихся растительных остатков. В подстилке функционирует грибная микрофлора, в результате жизнедеятельности которой об­разуются сильные органические кислоты - фульвокислоты. Это боль­шая группа кислот (креновая, апокреновая и др.), имеющие желтую окраску, по которой они и получили свое название.

Фульвокислоты хорошо растворимы в воде и обладают спо­собностью разлагать все минералы за исключением кварца и поле­вых шпатов. Проникая в почву из лесной подстилки с нисходящими токами воды, они вымывают минералы, например, оксиды железа, придающие почве красную окраску. Происходит обесцвечивание почвы, а повышенное содержание кварца придает ей белесую ок­раску, напоминающую цвет древесной золы. Такой почвенный гори­зонт получил название подзолистый.

Ниже гумусового горизонта расположен малоплодородный слой толщиной 10-12 см. Питательные вещества вымыты из него водой, поэтому его называют горизонтом вымывания. Далее залега­ет материнская порода.

В процессах почвообразования большое значение имеют физи­ческие и химические характеристики почвы. К числу важнейших физических характеристик почвы следует отнести пористость, возду­хопроницаемость, водопроницаемость, влагоемкость и капиллярность.

Пористость характеризует объем пор в почве. Почвенные поры имеют разные размеры. Самые крупные поры характерны для каме­нистой почвы, очень мелкие - для глинистой, а самые мелкие - для торфяной почвы. Пористость определяет фильтрационную и очища­ющую способность почвы. Оптимум пористости почвы находится в пределах 60-65%.

Воздухопроницаемость почвы зависит от колебаний темпе­ратуры, величины частиц почвы и барометрического давления. Наи­лучшей воздухопроницаемостью обладает крупнозернистая и сухая почва. С повышением температуры и барометрического давления содержание воздуха в почве уменьшается.

Основными почвенными газами являются кислород и углекис­лый газ, содержание которых в слое почвы до 6 м колеблется соот­ветственно на уровне 14,2-20% и 0,6-8,0%. В загрязненных почвах содержание углекислого газа увеличивается, а содержание кислорода уменьшается. При снижении содержания кислорода до 2% и ме­нее процессы самоочищения почвы резко замедляются.

Водопроницаемость или фильтрационная способность почвы связана со способностью впитывать и пропускать воду, поступаю­щую с поверхности. Этот процесс осуществляется в две стадии. В первой стадии происходит впитывание, заполнение свободных пор водой. Во второй стадии вода фильтруется в водоносный слой. Эти процессы имеют большое значение для очистки загрязненных поверхностных вод, а также для дренирования. Чем меньше фильт­рующая способность почвы, тем менее она пригодна для строитель­ства и размещения объектов коммунального назначения.

Влагоемкость почвы определяет способность почвы удержи­вать влагу. Она обусловлена силой поверхностного сцепления или адсорбцией. В почве вода может быть физически связанной, сорби­рованной на поверхности частиц, и свободной. Верхние слои почвы конденсируют водные пары атмосферного воздуха и поглощают их. Чем мельче зернистость почвы, тем больше ее влагоемкость. Напри­мер, гравий может содержать 7% воды, крупный песок - 23%, сред­ний - 47%, а мелкий песок - 65%. Большая влагоемкость почвы ведет к отсыреванию зданий, уменьшению воздухопроницаемости, снижению способности очищения сточных вод.

Под капиллярностью почвы понимают её способность пе­ремещать и поднимать воду по капиллярам. Это свойство почвы за­висит от пористости и зернистости.

Перечисленные физические свойства почвы в значительной степени влияют на экологические, микроклиматические и санитар­ные условия антропоэкосистемы. Они имеют большое значение при планировании жилой застройки и хозяйственных объектов, для орга­низации эффективной системы сбора, хранения, обеззараживания и удаления твердых и жидких отходов.

Важнейшими химическими свойствами почвы являются кон­центрация солей в почвенном растворе, кислотность, оказывающая значительное влияние на активность почвенных микроорганизмов и усвоение растениями азота, а также обменная или поглотительная способность почвы. Чем выше концентрация солей в почвенном ра­створе, тем менее они доступны растениям. Питательные вещества из почвы поступают в растение через корневые окончания в ионной форме: катионы оснований, например, обмениваются на катионыводорода, источником которых могут быть органические кислоты. Корни растений извлекают из почвы водорастворимые неорганичес­кие соединения азота, серы, фосфора, а также соли калия и кальция. Таким образом, растительность создает непрерывный поток мине­ральных веществ из более глубоких слоев почвы к ее поверхности, т.е. обеспечивает их биологическую миграцию. Кроме того, расте­ния являются основным звеном пищевой цепи, по которой вещества, содержащиеся в почве, попадают к животным и человеку.

Основная масса минеральной части почвы состоит из таких элементов, как кремний, алюминий, железо, кальций, магний, фос­фор и сера. Другие элементы (бор, фтор, йод, мышьяк, молибден) содержатся в почве в меньших количествах. В различных регионах их содержание в почве распределено неравномерно. В связи с этим выделяют биогеохимические провинции, характеризующиеся повы­шенным или пониженным содержанием отдельных микроэлементов. На территории этих биогеохимических провинций развиваются био­геохимические эндемии: флюороз (избыток фтора), кариес зубов (не­достаток фтора), эндемический зоб, кретинизм (недостаток йода).

Являясь одним из компонентов биосферы, почва выполняет в ней ряд глобальных экологических функций, которые не могут быть выполнены никакой другой частью биосферы. Экологические функ­ции почв в биосфере базируются на двух основополагающих ее ка­чествах. Во-первых, почва служит средой обитания и физической опорой для огромного числа организмов. Во-вторых, почва является необходимым, незаменимым звеном и регулятором всех биогеохи­мических циклов.

1. Первая и главная экологическая функция почвы заключа­ется в обеспечении жизни на Земле. Эта функция определяется тем, что именно в почве концентрируются необходимые организмам эле­менты в доступных им формах химических соединений. Кроме того, почва обладает способностью аккумулировать необходимый для жизнедеятельности продуцентов наземных экосистем запас воды. Наконец, почва служит оптимальной средой для укоренения назем­ных растений и формирования их биомассы, обитания многочислен­ных беспозвоночных и позвоночных животных, разнообразных микроорганизмов. Именно эта функция почвы характеризуется по­нятием «плодородие».

2. Вторая экологическая функция почвы заключается в регу­лировании всех потоков вещества в биосфере. Все биогеохимичес­кие циклы таких важнейших элементов, как углерод, азот, кислород, сера, фосфор, железо, а также циклы воды осуществляются именно через почву. Почва - это связующее звено и регулирующий меха­низм в системах биологической и геологической циркуляции хими­ческих элементов.

3. Третья экологическая функция почвы - глобальное регули­рование состава атмосферы и гидросферы. Атмосферная функция по­чвы осуществляется за счет ее высокой пористости (40-60% объема) и плотной заселенности организмами, благодаря чему идет постоянный газообмен между почвой и атмосферой. Почва постоянно поставляет в атмосферу различные газы, в том числе и «парниковые» - диоксид углерода, метан. Одновременно почва поглощает кислород из атмос­феры. Таким образом, в системе «почва-атмосфера» почва является ге­нератором одних газов и поглотителем для других.

4. Почва избирательно отдает в поверхностный и подземный во­досток растворимые в воде химические вещества, определяя тем са­мым гидрохимическую обстановку в водах суши и прибрежной части океана.

5. Четвертой экологической функцией почвы является накоп­ление в поверхностной части земной коры специфического органи­ческого вещества - гумуса и связанной с ним химической энергии.

6. Пятая экологическая функция почвы заключается в ее за­щитной роли по отношению к нижележащим слоям литосферы. По­чва защищает их от воздействия экзогенных факторов.

7. Наконец, шестая экологическая функция почвы - это гене­рирование и сохранение биологического разнообразия. Почва, яв­ляясь средой обитания для огромного числа организмов, ограничи­вает жизнедеятельность одних и стимулирует активность других. Чрезвычайно большое разнообразие почвенных свойств и их соче­тание создают огромное разнообразие условий жизнедеятельности организмов.

8. По отношению к человеку почва имеет еще одну специфичес­кую функцию, являясь главным средством сельскохозяйственно­го производства и местом поселения людей.