Биогеохимия химических элементов в почвенном покрове (110

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

БИОГЕОХИМИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ПОЧВЕННОМ ПОКРОВЕ

Учебное пособие для вузов

Составитель Н. А. Протасова

Издательско-полиграфический центр Воронежского государственного университета

2012

Утверждено научно-методическим советом биолого-почвенного факультета 10 февраля 2012 г, протокол № 5

Рецензент д-р биол. наук, профессор Т.А. Девятова

Учебное пособие подготовлено на кафедре почвоведения и управления земельными ресурсами биолого-почвенного факультета Воронежского государственного университета.

Рекомендуется для студентов биолого-почвенного факультета Воронежского государственного университета.

Для специальности: 020701 – Почвоведение

2

3

Введение

Взаимодействие биосферы и геосферы планеты проявляется в биогеохимических процессах почвенного покрова в условиях растущего влияния антропогенной деятельности человека на природу. Почвенный покров играет особую общепланетарную роль в формировании биосферы и ее компонентов. Знание особенностей биогеохимии почв и ландшафтов и связей почвенного покрова с атмосферой, земной корой и гидросферой позволяет глубже и правильнее оценивать последствия длительного и значительного вмешательства человека в природные процессы, а также изменений окружающей среды.

Высокопродуктивное научно организованное земледелие, лесное хозяйство, мелиорация являются важнейшим путем эффективного управления биогеохимическими циклами углерода, кислорода, азота, фосфора, воды, т.е. сохранения и оптимизации биосферы как среды обитания человека.

Почвенный покров обеспечивает самое существование автотрофной растительности и вместе с растительным покровом создает условия для возникновения биосферы, богатой и разнообразной жизни гетеротрофных организмов разного уровня развития. Человек и все антропогенные системы являются гетеротрофными образованиями, потребляющими энергию и биомассу, создаваемую почвенно-растительными экосистемами.

Научное понимание и рациональное использование взаимоотношений автотрофных и гетеротрофных компонентов в биосфере лежит в основе успешного управления циклическими биогеохимическими процессами через почвенный покров, земледелие, лесоводство, мелиорации, водное хозяйство.

Деградация и разрушение почв, уничтожение лесов и низкие урожаи в земледелии подрывают нормальные биогеохимические циклы, грозят разрушением автотрофному механизму биосферы и основам существования жизни.

1. Компоненты и функции биосферы

В. И. Вернадский предполагал, что возникновение жизни и биосферы на Земле является неизбежным следствием эволюции космоса и в особенности присутствия простейших органических веществ во Вселенной. Исходя из учения о биосфере В. И. Вернадского, биосфера Земли – это открытая, сложная, многокомпонентная, саморегулирующая, связанная с космосом система живого вещества и минеральных соединений, образующая внешнюю оболочку планеты.

Главными компонентами биосферы как особой оболочки планеты яв-

ляются: потоки космической энергии, электромагнитные и гравитационные поля, космическое вещество, поступающие на Землю; биомасса живой

4

растительности, способной путем фотосинтеза и роста фиксировать и преобразовывать космическую энергию в химическую потенциальную энергию и хранить ее в виде органических соединений; почвенный покров, обеспечивающий существование растительности (механическая опора, корнеобитание, водное, углекислотное, азотное минеральное питание, тепловой режим, накопление запасов энергии в виде детрита и гумуса; биомасса живущих на почве и в почве консументов (животных, простейших, микроорганизмов), потребляющих фитомассу и доводящих ее до полной минерализации; водная оболочка (гидросфера); атмосфера; литосфера (оболочка биогенных осадочных пород).

Живое вещество за время своего существования глубоко изменило первоначальную природу планеты и биологизировало ее. Выветривание, почвообразование, делювиальные и аллювиальные наносы закрыли орга- но-минеральными покровами мелкозема монолитные бесплодные и безводные скалы, создав рыхлые горизонты, благоприятные по физическим и химическим свойствам для существования растений и животных (экологические ниши).

Фотосинтез растений явился механизмом накопления активной биохимической энергии в массах органического вещества, в форме почвенного гумуса, в виде ископаемых горючих. Ограниченность ресурсов азотноуглеродного, водного, воздушного, минерального питания живое вещество преодолело путем создания почвенного покрова, неосинтеза высокодисперсных минералов, обеспечивающих в почвах физико-химическую поглотительную способность (сорбция азота, фосфора, калия, кальция), биогенную аккумуляцию гумусо-органических соединений макроэлементов (C, N, P, S, Ca, K) и микроэлементов (I, Zn, Cu, Co, Se и др.) в прижизненных выделениях, в опаде, подстилках, в корнях, в поверхностных почвенных горизонтах, подпочвенных, грунтовых, речных водах.

Масса прижизненных выделений в почву в десятки и сотни раз превосходит вес биомассы организмов. Симбиоз между растениями, животными, насекомыми, низшими беспозвоночными, микроорганизмами, с образованием так называемых пищевых цепей, играет исключительную экологическую роль. Растительное органическое вещество, биофильные элементы, его слагающие, энергия, связанная в фитомассе прижизненно и посмертно, многократно последовательно потребляются популяциями травоядных, грибов, хищников, паразитов, некрофагов, сапрофагов до полной минерализации исходной органики и до неосинтеза гумусовых веществ и биогенных минералов в почвах (Ковда, 1985).

Пищевые цепи, их звенья и последовательная реализация на суше складываются и осуществляются на поверхности почвы и в основном внутри почвы, которая служит как бы главным хранителем биоэнергетических ценностей, созданных фотосинтезом в биосфере системой растения-почвы.

5

Первичным и наиболее активным структурным компонентом, слагающим биосферу, являются экологические системы (биогеоценозы).

Экосистемы – это совокупность локальных устойчивых популяций растений и животных, обитающих в условиях однородного местного рельефа, почв, микроклимата, связанных между собой общим потоком космической энергии, пищевыми цепями и общей историей происхождения (Ковда, 1985). Благодаря этому в природных ненарушенных экосистемах складывается биогеохимический круговорот и последовательность многократного повторного вовлечения в ткани живого вещества главных биофильных элементов и соединений: энергия, вода, органическое вещество, углекислота, кислород, азот, фосфор, сера, кальций, калий и т.д. Пищевые цепи обеспечивают длительное удержание внутри экосистем энергии, связанной фотосинтезом, и резерва биофильных элементов, необходимых для нового поколения живого вещества. На этой основе слагаются главные звенья биогеохимического круговорота суши.

Биогеоценозы (экосистемы), сложившиеся в процессе длительной эволюции, становятся весьма слаженными (интегрированными), устойчивыми образованиями, способными путем саморегулирования противостоять как изменениям в среде, так и изменениям в численности компонентов экосистемы. Это положение распространяется и на сложные экосистемы, охватывающие ландшафты, природные зоны, а также и на биосферу в целом.

Но есть пределы этой устойчивости и саморегулирования. Если изменения в среде (почва, климат, тектоника, грунтовые воды) выходят за пределы периодических колебаний, к которым приспособлены организмы, то слаженность экосистемы необратимо нарушается. Часть связанной энергии и биофильных элементов, которая при эрозионном или промывном режиме местности была вырвана из экосистемы, поступает в биогеохимический цикл вещества ландшафта, бассейна, континента, мигрируя с водными или воздушными массами. Миграция веществ в горизонтальном направлении (водная или воздушная) является важнейшим звеном самоуправления биосферы условиями жизни и элементами питания организмов.

Жизнь, живое вещество, биосфера, используя непрерывность поступления космической энергии развивались по принципу «самоуправляемого расширенного воспроизводства» биомассы, численности организмов, их разнообразия и растущей сложности. Биосфера и ее структурные компоненты накопили за время существования автотрофных организмов огромные запасы энергии в виде ископаемых горючих сланцев, торфов, гумуса почв и органических остатков, живого вещества (Ковда,1985).

Таким образом, за время биогенной истории планеты сложился современный состав атмосферы и гидросферы; возник защитный озоновый экран, сформировались оболочка осадочных пород, почвенный покров суши и мелководий.

6

2. Живое вещество в биосфере и почвах

Регулярный фотосинтез, образование и отмирание растительной, животной и микробной биомассы выполняют в биосфере колоссальную биогеохимическую и механическую работу, поддерживая локальные и глобальные круговороты веществ, процессы механического и геохимического транспорта, дифференциации, новообразования и аккумуляции биогенных элементов и их соединений.

По данным А. П. Виноградова (1957), наибольшая доля в составе живого вещества приходится на кислород и водород (~ 80 %), содержание C, N2, Ca колеблется от 1 до 10 %; S, P, K – 0,1–1 %; Fe, Na, Mg, Al – 0,1– 0,01 %. Микроэлементы в живом веществе представлены ничтожно малыми величинами: Zn, Mn, Cu – 0,01–0,001 %; As, F, Pb, Cr – 0,001–0,0001 %; Co, Ba – 0,0001-0,00001 %; Hg, U, Ra < 0,00001 %.

Растения аккумулируют в своей биомассе в десятки раз больше, чем в земной коре, C и Н2; в несколько раз больше N2; на десятки процентов О2. Это связано с тем, что фитомасса состоит прежде всего из воды и органических соединений С и N2. В биомассе животных также господствуют C, N2 H2, O2, но заметная доля принадлежит P, S – компонентам белка.

Вся совокупность процессов потребления, деструкции и минерализации растительной биомассы живыми организмами столь же обязательна и необходима в природе, как и создание фитобиомассы. Для самоуправления и самовоспроизводства экосистемам, как и всей биосфере, необходимо почти полное рециклирование всех биофилов и, наоборот, «выбрасывание ненужных» токсических соединений. Только сочетание процессов синтеза, хранения, использования и минерализации биомассы обеспечивает локальные и глобальные биогеохимические циклы вещества и потоки энергии на Земле, сохраняет сложившуюся систему биосферы и связанных с нею организмов.

Таким образом, живое вещество экосистем было и остается главным механизмом функционирования биосферы и поддержания почвенного плодородия. Живое вещество – это высокоорганизованная система соединений углерода, кислорода, водорода и азота – углеводов и белков (Ковда,1985).

3. Углерод в биосфере и почвах

Согласно данным А. А. Нечипоровича (1972) и П. Дювиньо (1974), продуцентом кислорода в биосфере и основным потребителем углекислоты является фотосинтез, а хранителем углерода – живая биомасса, органическое вещество, известковые осадочные породы, горючие ископаемые и каустобиолиты, гумусовая оболочка почв суши и мелководий. Соединения углерода составляют основу жизнедеятельности автотрофных организмов,

7

обладающих способностью накапливать и преобразовывать солнечную энергию в энергию органических веществ, что позволяет фиксировать азот

иобеспечивать рост, питание, воспроизводство биомассы растений, травоядных, хищников и низших в пищевых цепях экосистем.

Коэффициенты концентраций углерода в живом веществе и почвах по сравнению с литосферой выражаются величинами соответственно 180–900

и20–150. Но углерод обладает и наибольшей технофильностью, так как входит в состав угля, нефти, газов, стройматериалов, органического сырья, пищи, фуража, многих препаратов. Общее количество углерода, поступив-

шего из мантии в атмосферу и литосферу за время существования Земли, измеряется порядком величин n · 1016 т.

Поступления СО2, СН4, SO2, H2S, NH3, N2 в атмосферу из верхней мантии продолжаются и поныне в форме фумарол и при излиянии лавы из кратеров вулканов, а также в областях тектонических разрывов земной коры

(Ковда, 1985).

Враспределении соединений углерода наибольшую роль сыграли два основных биогеохимических процесса: углекислотное выветривание магматических пород с образованием карбонатов металлов, развитие жизни, образование и захоронение масс органического вещества на планете.

Процесс углекислотного выветривания изверженных пород на Земле происходил параллельно образованию и миграции водных масс и в соответствии с содержанием углекислоты в воздухе и в воде. Полевые шпаты и другие алюмосиликаты при выветривании давали массы каолинита и гидрослюд и в растворе углекислые соли кальция, натрия, магния. В результате в осадочных толщах земной коры накапливались колоссальные массы доломитов, известняков и других карбонатов.

Образование карбонатов щелочей и щелочных земель происходило и происходит в результате обменных реакций, возникающих в грунтах и почвах между поглощенными катионами и водородом угольной кислоты при восходящих или нисходящих движениях растворов.

Процесс образования карбонатов различных металлов связал огромные количества углекислоты атмосферы и перевел их путем подземного и речного стока в осадки донных отложений, толщи известняков и доломитов. Важнейшим этапом в биогеохимическом круговороте и миграции соединений углерода было возникновение фотосинтеза и развитие флоры и фауны в океане, в прибрежных мелководьях и затем наиболее пышно – на суше.

Образование масс живого и мертвого органического вещества проходило в условиях древнего гидроморфного почвообразовательного процесса

ваккумулятивных ландшафтах. Образование и захоронение в литосфере органического вещества (угли, нефть, асфальты, сланцы, сапропель, газовые месторождения) было вторым процессом выключения углерода из атмосфе-

8

ры, гидросферы и из круговорота веществ в биосфере на периоды десятков и сотен миллионов лет.

Велико количество углерода растворенного органического вещества в пресных водах суши (реки, озера, болота). Растворенная органика природных вод более всего представлена гуминовыми и фульвокислотами, которые образуют геохимически подвижные соединения железа, алюминия, марганца, меди, цинка и других элементов. Благодаря этому изменились поведение многих металлов в почвах и их способность к выносу и накоплению.

Вывод углекислоты из атмосферы, образование, перенос и осаждение углекислых солей был усилен участием организмов. Совместное влияние процессов углекислого выветривания, фотосинтеза и образования захороненных масс карбонатов и органического вещества на планете усиливалось несколько раз в периоды оживления вулканизма, когда содержание двуокиси углерода в воздухе значительно увеличивалось (Ронов, 1978).

Таким образом, фотосинтез и образование органических веществ и карбонатов, захоронение их на многие миллионы лет, защита их от разложения привели к созданию современной атмосферы с низкой концентрацией углекислоты. Ее основные запасы сосредоточены в океане (38400 · 109 т)

ив земной коре (12000 · 109 т).

Всреднем живое вещество суши содержит в расчете на сухую массу 40–50 % углерода, который также изъят из атмосферы. Появление значительного количества биогенного кислорода в атмосфере и стратосфере в дальнейшем способствовало возникновению озонового экрана, защищающего живые организмы от губительного действия космических лучей.

Ежегодная фотосинтетическая продукция кислорода составляет 120-190 · 109 т. Та часть кислорода, которая связывается в карбонатах или в органическом веществе, уходящем в континентальные или в морские осадки, выключается на сотни, тысячи и миллионы лет из атмосферы и биосферы. Необратимо связываются значительные массы кислорода в процессах выветривания минералов, на окисление добываемых металлов и сульфидов, на интенсивное глинообразование и на гидратацию оксидов и глин (Ковда, 1985).

Почвенный покров суши и мелководий, обогащенный энергией, биофильными элементами, влагой и гумусом, как и озоновый экран, играет роль защиты и оптимизирует условия существования живого вещества. Продолжительность существования органических веществ в почвах (их цикл от синтеза до минерализации) в среднем составляет около 300–500 и до 1000 лет. Озоновый щит в стратосфере и почвенный покров на суше – важнейшие общепланетарные условия существования и воспроизводства живого вещества и жизни на Земле.

9

4. Биогеохимия азота в почвах и ландшафтах суши

Азот и его соединения играют в жизни планеты и биосферы столь же важную и незаменимую роль, как и углерод. Биофильность азота сравнима с биофильностью углерода и, возможно, превышает ее. Индекс биогенного обогащения почв по отношению к земной коре, а растений по отношению к почвам составляет соответственно (Ковда, 1985):

СN

Впочвах 100 1000

Врастениях 1000 10000

Из других биофильных элементов только фосфор характеризуется таким же высоким индексом концентрации в биомассе (1000–10000). Несмотря на высокую биофильность азота, его основные запасы (около 74–80 %) сосредоточены в атмосфере планеты, куда направлены биогеохимические потоки газообразных соединений азота, образующихся при денитрификации.

Осадочные породы земной коры, образовавшиеся при значительном участии биологических факторов и примесей погребенной органики, содержат азота лишь на один порядок меньше, чем атмосфера. Еще меньше азота содержит океан. Азот в биомассе суши и в почвах уже измеряется величинами на два-три порядка меньшими. Велика концентрация азота в массе, слагающей ископаемое топливо (угли, нефть, сланцы, газы).

В биосфере соединения азота представлены газами (N2, NH3, NO2), солями азотных кислот (нитраты, нитриты), солями аммония, разнообразными органическими соединениями. Валентность азота меняется при этом от –3

до +5.

Гумусовые кислоты, аминокислоты, белки, амиды, аминосахара, нуклеиновые кислоты, ферменты, витамины являются главными формами органических соединений азота в почвах. Аммиак, аммонийные соли, оксиды азота, нитриты, нитраты представляют основные минеральные соединения азота в почвах, почвенных и грунтовых водах. Существенная часть аммония в почвах находится в обменно-поглощенной и необменно-поглощенной формах, доступных для растений. Частично поглощаются почвой и газообразные оксиды азота.

Процессы денитрификации соединений азота уводят большую часть поступающего в биосферу азота в атмосферу в виде N2, NH3 и оксидов. Однако значительная часть соединений азота находится вместе с углеродом в составе живой биомассы, в мертвом органическом веществе, в составе вод, почв, торфа, в донных отложениях озер и океана, в составе угля, нефти, лигнитов, газа.

Определенная часть минеральных соединений азота остается в водных растворах и мигрирует с ними (почвенные, грунтовые, озерные, речные,

10