Тема 7.4. Геохимия биокосных систем породного уровня
Биокосные системы – это системы, в которых живые организмы и неорганическая материя тесно связаны между собой и образуют единое целое.
Живое вещество – представлено сообществом литотрофных и органотрофных организмов. Неорганическая материя (косное вещество) – представлено водными растворами и минеральными агрегатами.
Биокосные системы различаются по уровням организации:
низкий уровень – почвы, осадки, коры выветривания, водоносные горизонты;
средний уровень – ландшафты;
высокий уровень – моря, океаны;
наивысший уровень – биосфера в целом.
Геохимическое своеобразие биокосных систем определяется сочетанием различных видов миграции (биогенной, физико-химической, механической).
Общие черты биокосных систем
Разнообразие форм нахождения атомов (живое вещество, водные растворы, кристаллы минералов).
Разнообразие видов миграции.
Трансформация форм энергии и богатство системы свободной химической энергией.
Наличие биологического круговорота вещества.
Саморегуляция и самоорганизация системы с переходом однородных структур в неоднородные.
Дифференциация свойств среды миграции и вещественного состава на уровне атомов, минералов, живого вещества.
Нелинейное распределение свойств среды миграции в геологических телах.
7.4.1. Геохимия почв Содержание работы с преподавателем. Теоретический блок
Почвы – верхний горизонт литосферы, вовлечённый в биологический круговорот при участии растений, животных и микроорганизмов, область наивысшей геохимической энергии живого вещества. Геохимическая сущность почвообразования заключается в разложении органических веществ микроорганизмами.
Разложение органических веществ – это окислительно-восстановительный процесс, так как углерод, водород и другие элементы, входящие в состав органических соединений, при их разложении окисляются до простых минеральных соединений (СО2, Н2О, NH3 и т.д.), а главный окислитель кислород восстанавливается. Разлагая остатки растений и животных, микроорганизмы поставляют в почвенные растворы вещества богатые свободной химической энергией: СО2, органические кислоты и др. Чем больше разлагается органического вещества, тем богаче почва химически работоспособной энергией, тем дальше она от равновесия.
Почвы – это особо неравновесные, чрезвычайно динамичные биокосные системы. Процесс минерализации по А. И. Перельману является главным или ведущим процессом почвообразования, чем больше вещества минерализуется, тем более «развитая» почва формируется.
Специфической особенностью почв является их многокомпонентный состав. Твердая фаза представлена минеральной и органической частью. Жидкая фаза представлена почвенным раствором, содержащим молекулы и ионы. Газовая фаза – это почвенный воздух.
Всякая почва представляет собой совокупность генетических горизонтов, образующих почвенный профиль. Почвенный профиль формируется из почвообразующей (материнской) породы сразу как единое целое, расчленяясь на генетические горизонты вследствие определенных процессов почвообразования, характерных для каждого из них. Выделяются следующие генетические горизонты.
А0 – опад, подстилок, образуется на поверхности почвы из отмерших надземных частей древесных и травянистых растений (ветви, стебли, листья, хвоя, шишки и т.п.). Мощность от 0 до 3-5 см и более. Подобно парику легко отделяется от нижележащей органоминеральной толщи почв.
А1 – гумусовый горизонт, образуется в результате гумусообразования в верхней части минеральной толщи профиля из продуктов частичного разложения отмерших корней и других органов травянистой и древесной растительности при участии микроорганизмов. Представляет собой горизонт чёрного цвета зернистой или комковатой структуры, Мощность и окраска зависят от условий почвообразования. Процесс аккумуляции заключается в накоплении органических и минеральных соединений в почвах, прежде всего в верхней части профиля.
А2 – подзолистый горизонт, образуется в результате химического разрушения верхней органоминеральной части почв под воздействием агрессивных органических соединений кислотной природы (фульвокислоты) и выноса продуктов разрушения в нижележащие горизонты и за пределы профиля. Характеризуется белёсыми тонами в результате накопления устойчивого к химическому разрушению кварца и аморфного кремнезёма. Залегает под гумусовым горизонтом, а в случае его отсутствия под опалом. Подзолистый горизонт встречается не везде, отсутствует в степях, пустынях.
В – иллювиальный (вмывания) горизонт, формируется в результате концентрации на сорбционном геохимическом барьере катионов, вынесенных из подзолистого горизонта. Имеет бурые тона вследствие частичного осаждения гидроксидов железа, подвижных (фульватных) форм гумуса.
Виды миграции в почве.
Биогенная миграция - направлена вверх почвенного профиля, так как корни растений, как насос, перекачивают элементы из нижних горизонтов в верхние. В результате такой биогенной аккумуляции создается возможность обогащения верхних горизонтов почв этими элементами, улучшение среду существования растений. Основные элементы необходимые для питания растений С, О, Н, N, P,K, Mg, Ca, Fe др. С, Н и О растения получают из воздуха, воды и почвы, остальные элементы из почвы. Поглощая катионы, корни растений выделяют ионы Н+, создавая кислую среду, а поглощая анионы выделяют ОН-.
Физико-химическая миграция – направлена вниз, поскольку атмосферные осадки растворяют и выщелачивают растворимые и органические вещества.
Механическая миграция – направлена также вниз, когда атмосферные осадки вымывают с поверхности почвы слабоскрепленные гумусом зерна или комочки верхней органоминеральной части почв.
В результате противоположно направленных процессов миграции формируется структура почвенного покрова, которая зависит от климатических условий.
Почвенный покров характеризуется разнообразием структур и вещественного состава, которые зависят от широты местности и влажности. В результате формируется горизонтальная геохимическая зональность почв. Вертикальная геохимическая зональность почв обусловлена окислительной обстановкой в верхних горизонтах почв и восстановительной в нижних. Щелочно-кислотные параметры почв имеют нелинейный характер распределения в зависимости от глубины (рис.1).
Рис. 1. Схема взаимопротивоположных процессов – биогенной аккумуляции 1 и выщелачивания 2, которые определяют строение профиля элювиальных почв. Ширина стрелок характеризует относительную интенсивность процессов, длина – сравнительную глубину проникновения процессов (по А.И. Перельману)