Окислительно-восстановительные режимы

Практически в каждой почве происходят реакции окисления-восстановления химических соединений или элементов. Окислительные процессы идут за счет кислорода воздуха, при этом органические вещества почвы окисляются или частично, или полностью до конечных продуктов распада – Н₂О и СО₂. При высоких окислительно-восстановительных потенциалах порядка 0,5–0,7 В практически все элементы с переменной валентностью приобретают высшие степени окисления, многие из них становятся малоподвижными и малодоступными растениям (Fe, Cu, Co, S, N).

В переувлажненных почвах, особенно затопляемых рисовых полях, развиваются восстановительные процессы, потенциалы снижаются до ± 0,2 В, что обусловлено деятельностью микроорганизмов, способных развиваться без доступа свободного О₂ и выделяющих в почву органические восстановительные соединения и свободный водород. В таких почвах элементы с переменной валентностью в состоянии низших степеней окисления, становятся подвижными, выделяется метан и другие углеводороды. Когда длительно развиваются восстановительные процессы, в почвах появляется сизоватая окраска, железо и марганец восстанавливаются до + 2. Такие почвы называют оглеенными или глеевыми.

Плодородие почвы – способность почвы удовлетворять потребности растений в элементах питания, воде, обеспечивать их корневые системы достаточным количеством воздуха и тепла, благоприятной физико-химической средой для нормальной деятельности. Различают естественное плодородие и приобретенное плодородие (под действием обработки, внесенных удобрений, мелиорации и т. д.). Современное почвоведение рассматривает почву не только как особое естественноисторическое тело, обладающее плодородием, но и как полифункциональную природную систему, обеспечивающую циклический характер воспроизводства жизни на суше.

Функции почвы

Экосистемные (биогеоценотические) функции почвы обусловлены плодородием почв и определяются почвенными свойствами, процессами и режимами (физическими свойствами и химическим составом, почвенной биотой и информацией в ДНК и др.).

Биосферные (глобальные) функции почвы:

а) взаимосвязанные с литосферой:

– биохимическое и биофизическое преобразование верхних слоев литосферы,

– источник для формирования предогенных минералов, осадочных пород и полезных ископаемых,

– передача аккумулированной солнечной энергии в глубокие слои литосферы,

– защита верхних слоев литосферы от эрозии и денудации;

б) взаимосвязанные с атмосферой:

– поглощение и отражение солнечной радиации,

– регулирование влагооборота атмосферы,

– регулирование газового состава и режима атмосферы,

– источник твердого вещества и микроорганизмов, поступающих в атмосферу;

в) взаимосвязанные с гидросферой:

– трансформация атмосферных и поверхностных вод в грунтовые и подземные,

– регулирование и формирование состава и режима поверхностных вод и речного стока,

– фактор биологической продуктивности рек и водоемов,

– биохимический барьер на пути миграции веществ с суши в гидро-сферу;

г) общебиосферные:

– основная среда обитания организмов суши Земли, аккумуляция энергии и биофильных веществ,

– связующее звено биологического и геологического круговорота веществ,

– фактор биологического разнообразия и эволюции организмов,

– фактор устойчивости функционирования биосферы.

Экологические функции почвы обусловлены их физико-химическими свойствами:

– сорбция минеральных, органических веществ и микроорганизмов;

– деструкция и минерализация органических остатков растений и животных;

– ресинтез минеральных и органических компонентов почвы;

– аккумуляция биофильных элементов и ферментов.

Почва как среда обитания

С почвой непосредственно связана жизнь наземной растительности, беспозвоночных и микроорганизмов. Особо рассматривается количество и роль микроорганизмов. 1 г почвы содержит до нескольких десятков миллиардов микробных клеток, что соответствует 65 т микробной массы на гектар. Доля углерода в этой биомассе может составлять 50–70 % всего углерода в почве.

Бактерии

Автотропные бактерии нитрификаторы осуществляют биохимическое окисление аммиака в нитраты.

Азофиксирующие бактерии осуществляют связывание молекулярного азота атмосферы в нитраты.

Гетеротрофные бактерии участвуют в трансформации органического вещества вплоть до конечного продукта его биохимического окисления – углекислого газа.

Аэробные бактерии окисляют водород, метан, соединения серы, не выпуская эти газы из почвы в атмосферу.

Актиномицеты и грибы разрушают наиболее устойчивые компоненты растительных остатков – клетчатку и лигнин.

Таким образом, в предосфере действует своеобразный биогеохимический фильтр – бактериальная система, защищающая атмосферу от поступления углеводородов. В предосфере смыкаются ветви грандиозного углерод-кислородного цикла массообмена, функционирование которого является главным условием существования биосферы. С одной стороны, почва обеспечивает продуктивность фотосинтезирующих растений суши, связывающих углекислый газ в органическое вещество и при этом выделяющих кислород. С другой стороны, в почве происходит разрушение отмершего органического вещества, его биохимическое окисление до углекислого газа и возвращение последнего в атмосферу. Благодаря этим процессам предосфера играет роль центрального звена в глобальном углерод-кислородном цикле и наряду с Океаном выполняет функции регулятора геохимического режима атмосферы.