Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Экология почв. Учение об экологических функциях почв. Учебник
.pdf
Гл. 10. Влияние почв на атмосферу
211
нии поглощения СО почвами провинций США установлено, что
скорость поглощения ими оксида углерода колебалась в пределах
7,5—10
9
мг/ч на 1 м2 (Смит, 1985).
Была также рассчитана величина суммарного усвоения оксида
углерода почвами мира, которая разными исследователями оценена различно. По оценкам Сейлера (Seiler, 1974), она составляет
4,5•10
8
т в год, по оценкам Ингерсола и коллег (Ingersoll et al.,
1974) — 14,3 млрд т в год. Они обращают внимание на особо важную роль лесных почв в усвоении СО. В связи с тем, что скорость
усвоения оксида углерода возрастает по мере увеличения его концентрации в атмосфере, лесные почвы и экосистемы оказывались
особенно важными поглотителями СО вблизи промышленных
районов и городов. В планетарном масштабе леса мира и их почвы
(особенно умеренных и тропических широт) являются глобальными естественными поглотителями оксида углерода (Смит, 1985).
Эффективность поглощения СО почвами во многом объясняется
способностью микроорганизмов усваивать атмосферный оксид
углерода. Полагают, что фактически все микроорганизмы с гемопротеинами и цитохромоксидазой или другими энзимами, вступающими в реакцию с оксидом углерода, в той или иной степени
фиксируют его.
Почва также активно поглощает диоксид серы и сероводород,
причем быстрее, чем происходит поглощение оксида углерода
(Smith et al., 1973). По оценкам Эриксона, глобальное усвоение
диоксида серы составляет не менее 25•10
9
кг серы. В поглощении
серы, по-видимому, участвуют как микробиологические, так и химические агенты. Имеются данные, что сорбция диоксида серы
почвами приводит к образованию сульфита и сульфата, а сорбция
сероводорода — к образованию сульфидов металлов и элементарной
серы (Breemner, 1978). Из числа других газообразных соединений,
поглощаемых почвой, следует отметить усвоение углеводородов,
происходящее, по-видимому, в основном микробиологическим
путем. Так, активно поглощается почвой этилен, содержащийся,
в частности, в выхлопных газах.
Таким образом, газопоглотительная способность почв, особенно наглядно обнаружившаяся при изучении усвоения педосферой
газообразных антропогенных примесей атмосферы, свидетельствует, что почвенный покров Земли действительно оказывается
одним из важных регуляторов газового состава воздушной оболочки. Показателем этого является не только выделение почвой
многочисленных газов в атмосферу, но и не менее эффективное
их поглощение (Добровольский, Никитин, 2000, 2006).
212
Ч. III. Глобальные функции почв
Необходимо особо отметить поглощение почвой газов, выделяю-
щихся из недр Земли. Данная проблема, научная и практическая
значимость которой несомненна, к сожалению, не осмыслена достаточно полно. Одна из причин этого связана с тем, что анализ
взаимодействия почв и воздушной оболочки проводится лишь до
верхней границы их раздела, проходящей по поверхности почвы и
прилегающему слою тропосферы. В то же время некоторые исследователи высказывали иную точку зрения. В.И. Вернадский не
ограничивал пространственные границы тропосферы зоной стыка
ее с почвенной поверхностью. “Наша обычная воздушная атмосфера, так называемая тропосфера, не заканчивается на земной
поверхности, она проникает внутрь Земли по всем пустотам и трещинам. Эта подземная тропосфера, начинаясь в коре выветривания, идет глубоко внутрь земной коры, на несколько километров,
по крайней мере в стратисферу, проявляясь во всех пустотах, трещинах, пустых промежутках и непрерывно закономерно меняясь
в своем химическом составе. Подземная атмосфера соприкасается
с тропосферой, в которой мы живем, но химический характер ее
резко различен, ибо на всем ее протяжении в нее входят различные
газы, новые соединения, многие из которых благодаря химическим
реакциям не входят в тропосферу и заканчиваются в подземных
атмосферах. Обмен между атмосферой в обычном понимании и
между подземными атмосферами заторможен” (Вернадский, 1960).
Из данного принципиального для рассматриваемого нами вопроса положения В.И. Вернадского вытекает ряд следствий. Вопервых, атмосфера в обычном понимании и подземная атмосфера
стыкуются через коры выветривания, почвы, а точнее через почвенную атмосферу. Во-вторых, несмотря на существенно иной химический состав подземной атмосферы, многие содержащиеся
в ней газы не попадают в воздушную оболочку, так как они поглощаются в процессе взаимодействия с подземными слоями и особенно почвой. В-третьих, взаимодействие почвы с подземной атмосферой представляет важную область исследований.
Значимость вопросов взаимодействия почв и подземной атмосферы становится все более очевидной, что связано с установлением разнообразия проявлений подземной атмосферы и большого
ее удельного веса в суммарной газовой оболочке Земли. В.И. Вернадский выделял несколько форм проявлений подземной атмосферы: газовые скопления, сгущения, струи или вихри, газовые
испарения. Причем, по его мнению, газы, находящиеся в газовых
скоплениях и газовых сгущениях в твердых породах или образующие твердые растворы, несомненно, во много раз превышают по
весу всю атмосферу.
Гл. 10. Влияние почв на атмосферу
213
В.И. Вернадский обратил внимание и на важность конкретных
форм взаимодействия почвы с подземной атмосферой. Так, он отмечал, что открыты организмы Hydrogenomonas и другие, живущие
во влажных почвах, поглощающие свободный водород, употребляющие его на постройку живых тканей и не допускающие, таким
образом, ухода его с земной поверхности. Перехват водорода, выделяющегося из недр Земли, микроорганизмами почвы имеет исключительное планетарное значение. Роль этих низших организмов огромна, так как они фиксируют ту составную часть, которая
может уйти из земного притяжения, привести к диссоциации нашей планеты в продолжение веков течения земных процессов, которым несть числа.
Современные исследования убедительно доказывают продуктивность идей В.И. Вернадского о важности и разнообразии процессов взаимодействия наземной и подземной атмосферы. Получены
новые материалы, свидетельствующие об интенсивном использовании почвенными микроорганизмами водорода — важнейшего
энергетического субстрата и газового метаболита микробных систем. Множество почвенных бактерий способно расти на водороде
как энергетическом субстрате. Так называемые водородные бактерии — организмы, обладающие в дополнение к другим энзиматическим системам гидрогеназой и системой автотрофной ассимиляции углекислоты, оказались весьма разнородной группой,
включающей множество далеких друг от друга генетических форм.
Водород, какого бы происхождения он ни был, в том числе и глубинного, эффективно поглощается почвенным бактериальным
фильтром (Заварзин, 1984).
Работы микробиологов показали также, что в почве распространена микрофлора, окисляющая углеводороды. Причем повышенные концентрации бактерий, окисляющих пропан и гептан,
были обнаружены над залежами нефти и газа. В то же время в приземном воздухе этих районов до вскрытия месторождений углеводороды отсутствовали, что свидетельствует об эффективности работы бактериального фильтра. Подземной сфере образования
углеводородов из метаморфически перерабатываемого органического вещества осадочных пород противостоит бактериальная
сис тема, способная не допустить эти газы на поверхность и защищающая атмосферу от их проникновения (Вернадский, 1987; Мажарова, 2007).
Экологическое значение данной функции почвенных и подпочвенных микроорганизмов трудно переоценить, так как благодаря
их действию атмосферная среда обитания высших организмов
214
Ч. III. Глобальные функции почв
оказывается защищенной от вредного действия горючих газов.
В районе промыслов, где уничтожается почвенный защитный
бактериальный фильтр, содержание углеводородных газов достигает десятых долей процента, а иногда и нескольких процентов.
Изучение состава почвенной микрофлоры, окисляющей углеводороды, показало, что она весьма разнообразна и многочисленна. В ее состав особенно много входит каринеподобных бактерий,
3
численность которых составляет 10
—105 клеток на 1 г почвы. Повышенное количество бактерий, окисляющих углеводороды, в
местах их глубинного поступления используется для газобактериальных съемок.
При поступлении из нижележащих земных слоев газов, которые одновременно генерируются самой почвой, например азота,
метана, водорода, происходит усиление функций соответствующих
обычных групп микроорганизмов, превращающих данные газы
в свои обычные продукты.
Подводя итог рассмотрению материалов по характеристике
почвы как регулятора состава атмосферы, можно констатировать,
что газорегуляторная функция почвы наряду с аналогичной функцией наземных биоценозов оказывается действенным механизмом поддержания состава атмосферы в определенном режиме,
сформировавшемся в ходе ее эволюции. Это достигается многообразием и эффективностью конкретных форм влияния почвы на
атмосферу: выделением многочисленных газообразных почвенных продуктов в атмосферу, биологическим и физико-химическим
поглощением газов тропосферы, фиксацией газов, выделяющихся
из недр, и др. (Заварзин, Колотилова, 2001 и др.).
Газорегуляторная функция почвы в той или иной мере распространяется, по-видимому, на большую часть атмосферных газов.
Особенно действенной она оказывается применительно к газам,
содержащимся в малом количестве (Заварзин, 1984, 2001), экологическая роль которых, однако, весьма значительна. В связи с ярко
выраженной способностью почвы влиять на газовый состав атмосферы возникает необходимость в усилении исследований газорегуляторных функций почвы. Особенно это касается углубленного
изучения механизмов воздействия почвы на состав воздушной
оболочки и изучения пространственно-временной изменчивости
продуцирования и поглощения газов почвами. В связи с установлением принципиально большего генетического и экологического
разнообразия почв возникает задача существенного расширения
набора объектов исследования по “газовой” программе. Ощуща-
Гл. 10. Влияние почв на атмосферу
215
ется также потребность в расширении числа измеряемых газообразных продуктов, вырабатываемых или поглощаемых почвами, особенно испытавшими антропогенные изменения. Решение
этих задач позволит полнее оценить значимость газовых функций
почвы в биосфере и точнее измерить количественную сторону их
выражения, которая пока представляется весьма приближенно
(Добровольский, Никитин, 1990, 2006).
Почва — источник и приемник твердого вещества
и микроорганизмов атмосферы
Пограничное положение почвы среди приповерхностных геосфер Земли определяет многообразие ее взаимодействия с каждой
из них. Существенным во взаимосвязи почвы с атмосферой оказывается их обмен не только газами, но и тонкодисперсным твердым
веществом и микроорганизмами, способными при определенных
условиях попадать в воздушную оболочку с почвенной поверхности, а затем, спустя определенное время, вновь возвращаться на
нее, переместившись, как правило, на изрядное расстояние.
Главная причина двустороннего движения твердого вещества и
микроорганизмов в системе почва—атмосфера заключается в наличии потоков воздушных масс значительной силы, способных
отрывать от горизонтов почв мелкозем (в случае их обнажения)
и перемещать его аэральным путем на то или иное расстояние
в зависимости от размерности составляющих частиц (табл. 57).
В.А. Ковда (1973) отмечает, что наиболее мелкие частицы способны облетать вокруг Земли.
Таблица 57
Выпадение эоловой пыли в океанических областях
и некоторых районах суши (Ильичев, Таргульян, 1985)
Объект исследования
Поверхность Мирового
океана
Равнина Шарон, Ближний Восток
Южная тайга Русской
равнины
Выпадение эоловой пыли
мм/год г/м
0,002—0,004 2,8—4,4 Windom, 1969;
0,010 12 Karmeli et al., 1968
0,025 36 Таргульян и др.,
2
в год
Источник
Лисицин, 1974
1974
216
Ч. III. Глобальные функции почв
Окончание табл. 57
Объект исследования
Современные выпадения пыли (в основном
антропогенной) в промышленно развитых
районах ЕТС
Курская лесостепь 0,130—0,220 до 250 Герасимов, 1968
Каштановая почва сухого Причерноморья
Саксаульники Репетека 1—3 до 3600 Кесь, Федорович,
Выпадение эоловой пыли
2
мм/год г/м
0,030—0,240 30—200 Пьявченко, 1967,
2 240 Бараков, 1913
в год
Источник
1970
1975
Значение воздушного поступления в атмосферу твердого вещества почв и кор выветривания хотя и очевидно для природоведов, тем не менее еще не оценено с должной полнотой. Вместе
с тем в данном случае мы сталкиваемся со многими процессами,
весьма значимыми для биосферы. Так, налицо существование механизма обмена минеральным, органическим и живым веществом
ландшафтов, отстоящих друг от друга на многие сотни и даже тысячи километров. В этом отношении показателен факт переноса
тонких фракций минералов с поверхности африканских почв,
в частности, в районы Англии. Здесь были отмечены выпадения
“красного дождя” из тонкой пыли, состоящей из частиц кварца,
покрытых пленкой гидроксидов железа и примеси галита, полевых
шпатов и других минералов, принесенных, как полагают, северозападными ветрами из Сахары. Подобное явление наблюдается и
в восточных районах Азии, где пылеватый материал южных пустынь попадает воздушным путем в лесные районы Сибири, откладываясь на поверхность местных почв, что существенно осложняет
их генетический анализ.
Попадающие в атмосферу частицы почвенного мелкозема оказывают разнообразное воздействие на происходящие в ней процессы. Общая их оценка затруднительна, поскольку она слагается
из эффектов, имеющих зачастую неоднозначное значение для климата и биосферы. Существует мнение, что наличие некоторого
количества пылеватого материала способствует выпадению дождей, поскольку частички пыли оказываются центрами конденсации паров влаги. Это может иметь положительное значение, если
Гл. 10. Влияние почв на атмосферу
217
образование осадков затруднено (например, в тундровой зоне), а
общее их количество сравнительно невелико. Другой эффект от
запыленности воздуха — сильное снижение притока солнечной
радиации к земной поверхности, что также может оказывать положительное воздействие, например, в районах, страдающих от сильного перегрева нижних слоев атмосферы и почвенного покрова.
В то же время попадание в воздушную оболочку большого количества мелкозема часто оказывается причиной многих стихийных
бедствий: засыпание песком, переносимым бурями, поселений,
водоемов, почв и растительности; развеивание плодородного слоя
земель; ухудшение качества воздуха. В целом запыление атмосферы — процесс нежелательный, особенно когда он достигает больших размеров.
Прежде всего к пагубным результатам приводит ветровая эрозия почв, которая усугубляет общую эродированность земель.
Обычно считают, что к наиболее ветроэродируемым землям относятся почвы легкого механического состава. Эти разности в случае
их распашки действительно активно развеиваются. При несоблюдении противодефляционных мер разрушение легких почв ветровой эрозией за несколько лет использования возрастает в 5—10, а
в некоторых случаях — в 10—15 раз. В то же время некоторые исследователи обращают внимание на то, что слабой устойчивостью
к ветровой эрозии отличаются многие почвы. Так, американский
ученый Чепил полагает, что активно эродируются не только легкие, но и тяжелые почвы, в которых обилие илистой фракции
способствует образованию многочисленных микроагрегатов, легко
передвигающихся ветром. Более устойчивыми оказываются почвы среднего механического состава. Однако единого ряда ветроэродируемости почв вывести нельзя, поскольку в зависимости от
конкретных природных условий и свойств почв он будет варьировать. Из-за сильного обнажения земной поверхности в результате
хозяйственной деятельности процессы поступления в атмосферу
вещества почвы резко активизировались (Кузнецов, 1994). К сожалению, многие стороны данных процессов изучены недостаточно.
В связи с этим заслуживают поддержки высказывания ученых
о необходимости углубленного развития дефляциоведения (Заславский, 1987), которое можно рассматривать как отдельную научную дисциплину. Особый интерес представляет проблема поступления в атмосферу микроорганизмов почвы.
Идея о населенности воздуха мельчайшими организмами была
высказана еще Лукрецием более 2000 лет назад. Надежное же экспериментальное обоснование ее появилось в XIX в. Большая за-
218
Ч. III. Глобальные функции почв
слуга в этом принадлежит Пьеру Микелю, который на протяжении
многих лет проводил ежедневные микробиологические анализы
воздуха различных районов Парижа. Исследования Микеля пока-
3
зали, что в 1 м
воздуха содержится до нескольких тысяч бактерий
и микроскопических плесневых грибов, количество которых сильно изменчиво и зависит от особенностей местности, сезона года
и других факторов.
Ф. Грегори (1964) в книге “Микробиология атмосферы” разделяет вывод Микеля о том, что источником большей части бактерий, присутствующих в атмосфере, служит почва, мелкие сухие
частицы которой подхватываются ветром и поднимаются в воздух.
Это положение сохраняет свою силу до настоящего времени. Однако оно дополняется данными о том, что источником других
микроорганизмов, например грибных спор, является не только
почва. Так, микроорганизмы могут попадать в воздух с брызгами
из вод океанов, с дикорастущих растений и другим путем.
Следует отметить, что микробы, попавшие в атмосферу с восходящими токами воздуха, часто поднимаются на значительную
высоту. Например, при изучении Е.Н. Мишустиным микрофлоры
воздуха над Москвой было отмечено, что летом и осенью количест-
3
во бактерий на высоте 500 м составляло 2000—3000 на 1 м
, причем
при сильном ветре оно возрастало до 7000—8000. С высотой содержание бактерий заметно снижалось, однако на высоте 2000 м
над центром Москвы оно было еще значительным и в среднем со-
3
ставляло 650 на 1 м
. В окружающей загородной зоне на этой же
высоте количество бактерий снижалось в 4—5 раз.
Уэстон отметил, что в воздухе над районом Кембриджа (Англия) на высоте 3000 м бактерии и грибы встречаются в изобилии,
однако выше они попадаются уже редко. Существенно, что внутри
облаков содержание микроорганизмов выше, чем над облаками
или под ними.
Характерной особенностью воздушного распространения микроорганизмов является не только подъем на значительную высоту,
нo и возможность переноса на большие расстояния, несмотря на
то что большинство их осаждается вблизи источника. К сожалению, вопрос о многокилометровых переносах микробов изучен
недостаточно и некоторые его аспекты находятся в стадии рабочих гипотез. Однако обнаружение микроорганизмов в различных
типах воздушных масс, в том числе арктических и полярных, свидетельствует о реальности дальних перемещений в атмосфере
многих микроорганизмов, которые могут распространяться на расстояние oт нескольких метров до десятков, сотен и даже тысяч километров.
Гл. 10. Влияние почв на атмосферу
219
Говоря об общем значении воздушного распространения микроорганизмов, в том числе почвенного происхождения, необходимо отметить, что, по данным Ф. Грегори, существует несколько
вариантов этого явления.
Прежде всего в ряде случаев реально распространение воздушным путем возбудителей некоторых заболеваний растений, животных и человека. Еще “отец медицины” Гиппократ полагал, что
эпидемические заболевания у людей могут возникать при вдыхании воздуха.
Благодаря воздушному переносу зачатков организмов возможно
освоение ими новых территорий. Существует даже гипотеза Аррениуса о проникновении спор некоторых организмов сквозь космическое пространство. О возможности межпланетного обмена
бактериями говорил и В.И. Вернадский (1926, 1987).
Следует также отметить, что с постоянным обменом различных
экосистем микробами в определенной мере связано отсутствие
ярко выраженной зональной смены микрофлоры почв различных
природных зон (Красильников, 1958), поскольку благодаря повсеместному распространению воздушным путем микроорганизмов фактор географической изоляции, столь важный для животных
и растений, для бактерий и грибов практически не имеет значения.
Необходимо также обратить внимание на то, что воздушные
массы становятся на тот или иной срок средой для многих переносимых ими микроскопических форм. В приземных слоях воздуха отмечено около 12 тыс. видов бактерий и актиномицетов, в
воздух попадают споры 40 тыс. видов грибов, мхов, печеночников, папоротников и близких к ним форм и пыльца 100 тыс. видов
цветковых растений. Все это свидетельствует о важности аэробиологии — науки, изучающей вопросы воздушной миграции и выживаемости организмов в газообразной оболочке Земли.
В проблеме взаимодействия воздушных масс с почвенным, а
также растительным покровом существует еще один важный
аспект, которому уделяется мало внимания. Это ветровой перенос
почвенного мелкозема, микроорганизмов, спор и пыльцы растений с последующим отложением их на поверхности различных
водоемов. Масштабы данного явления еще не оценены с необходимой точностью и полнотой, однако имеются отдельные сведения, говорящие о его значительном размахе.
Экологическое значение аэрального поступления в водоемы
вещества почв и биоценозов может быть ощутимым и многоплановым. В случае воздушного поступления материала засоленных
почв (Орлова, 1983) возможно возрастание засоленности поверх-
220
Ч. III. Глобальные функции почв
ностных вод и ухудшение их качества. Попадающая пыльца цветковых растений может включаться в процессы трансформации и
биологический круговорот водных экосистем.
Органическое и минеральное вещество почв, отложенное воздушными массами в океанических широтах, вступает в различные
трансформационные биохимические циклы океана (Биогеохимия
океана, 1983; Никитин, Залогин и др., 1995; и др.)
Влияние почвы на энергетический режим
и влагооборот атмосферы
Среди существенных почвенных экологических функций выделяется также влияние почвы на энергетический режим и влагооборот атмосферы. Воздействие почвенного покрова на тепловой
режим атмосферы определяется прежде всего поглощением и отражением почвой солнечной радиации, отчего в значительной
мере зависит динамика тепла и влаги в нижних слоях атмосферы.
В количественном отношении процессы поглощения—отражения
солнечной радиации почвами и материнскими породами могут
заметно различаться. Обращает на себя внимание то, что почвообразование изменяет отражательную способность породы. Например, имеются данные, что исходные бурые суглинки отражают
около 18—19% солнечной радиации, распаханные черноземы на
тех же породах — 5—7, подзолы — до 30, солончаки — до 35%.
Таким образом, по сравнению с четвертичными материнскими
почвообразующими породами отражательная способность почвенного покрова более дифференцированна, поскольку она определяется не только свойствами пород, но и свойствами самих почв,
зависящими от их генетических особенностей. Пестрота отражательной способности почвенного покрова особенно ощутимо
сказывается на динамике энергетических показателей атмосферы
в связи с широкой pacпашкой земель, обнажающей поверхность
самих почв.
Значение трансформации почвой солнечной энергии, приходящейся на ее поверхность, оказывается первостепенным в связи
с высокой долей солнечной радиации, непосредственно достигающей почвенно-растительного покрова. Согласно расчетам Вудвелла, можно принять, что из 100% солнечной энергии, попадающей
в систему земля—атмосфера, приходится на облака — 52%, рассеивается в атмосфере — 15, поглощается аэрозолями, СО
сразу достигает земной поверхности — 24% (Круговорот вещества
и др. — 9,
2
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]