Педосфера и её физико-химические свойства.

В к 19 века Докучаев открыл новый класс биосистем, в котором живые организмы и неживая среда тесно контактируют друг с другом, взаимодействуя как единое целое. Эту систему он назвал почва или педосфера. Основное свойство – единство живой и неживой материи. Компонентный состав очень сложен: живые организмы, орган и неорган вещ-ва , Твердые ( полидисперсная система – крупные обломки пород до 0,1 мм, высокодисперсные – мене 1 микрона), жидкие( почвенные растворы) газообразные фазы СО2, О2 и углеводородов. В почве происходят различные реакции в результате которых происходит образование орг веществ и их разложение до неорг .

Роль почвы – предпосылка для фотосинтеза растений и накопление значительных количеств энергии в виде орган остатков, т.е. происходит аккумуляция солнечной энергии.

Обр-е почвы в ее тесном контакте с литосферой , ее состав и св-ва определяют характер почвы , влияют на плодородие почвы, т.к. яв-ся основным источником неорган соединений . многие элементы определяют плодородие, поступ-е из подстилки пов-ти : Р.

Материнская порода определяет состав и св-ва самой почвы.

Почва образуется и функционирует как система, в которой постоянно взаимодействуют органические и минеральные вещ-ва. Органические вещ-ва за счет фотосинтеза растений, меньшая часть за счет метаболитов живых организмов , живущих в почве. Мезофауна производит органическое вещество.

Минеральные вещ-ва в виде газов, жидкости и твердые. Основа – дисперсные минеральные частицы 0.01мм-1 микрон. Чем больше высокодисперсных частиц, тем плотность почвы больше, тем хуже условия для жизни. Большая поверхность твердых частиц почвы позволяет абсорбировать вещества за счет электростатических сил. Крупнооломочные почвы более богаты , т.к. адсорбция больше.

Микроморфология почв (или агрегированность почв) она способствует поступлению влаги, атмосферного воздуха, это способствует обмену вещ-вами между сферами.

Докучаев: почва- историческая система, тело планеты формир-ся в процессе геологического развития. Почва такой же компонент как Мировой Океан, горные породы, почва – результат взаимодействия.

Изменение климата приводит к тому, что почвы не везде одинаковы, могут меняться под влиянием региональных пород, обесп. влагой. Почвы отличаются по регионам.

Тундровые почвы 4 % Подзолистые и болотные 9 % Серые и бурые лесные 7% Чернозем 6% Горные 16%

Каштановые, бурые солонцы 7% Пустынные : серозем, солончаки 17% Красноземы, латериты 19% Почвы поймен террас 4% аллювиальные (льды, ледники 11%:

Каждому ландшафту соответствует определенный вид почв.

Почва сформир. С увеличением поверхности суши. В океане исторически почва своим образованием обязана живым организмам. Живое стремится к захвату новых территорий. Начало появления по краю океана, на побережье в виде тонкой полоски.

Закон Вернадского: основ.св-во живого вещества – стремление к прогрессирующему увеличению постоянно возобновляемой живой массы и к максимальному заполнению доступного пространства. Рост массы живого вещ-ва в океане ограничен, в океане свет на определенной глубине, ниже жизни нет.

Основная масса живых веществ на литорали, в воде ограниченное число хим элементов, это компенсировано скоростью жизненных циклов, болшая часть жизн элементов в верхнем слое.

Почвы возникают как природный механизм, нейтрализующий неблагоприятные условия среды. Почва защищает от сильного воздействия атмосферы, дает питательные вещества. С течением времени почвы стали углубляться на континент и покрыли почти всю поверхность суши. Образование новой оболочки способствует формированию педосферы.

Занимая значительную часть , почва стала регулятором глобальных циклов. Ее функция : основной обмен хим элементов между жив.массой, атмосферой, гидросферой, литосферой и гидросферой.

В почве начинаются и заканчиваются многие круговороты: усвоение растениями СО2, воды приводит к образованию орган соединений. После отмирания в почву, разлагаются до простых соединений и обратно в почву. Роль почвы на планете – это место , где осуществляется планетарный механизм глобального масс.обмена хим элементов. Пока осуществляется механизм, может существовать вся биосфера. Если механизма нарушается – неблагоприятные последствия для животного и растительного мира. Уничтожение почв может нарушить обмен.

Педосфера основное место кислородно-углеродного обмена. Это объясняется большим наличием орган вещ-ва, живых организмов. Образование органического вещ-ва под действием фотосинтеза, мезофауны.

Органическое вещество может подвергаться деструкции(нарушение, разрушение нормальной структуры чего-либо) микроорганизмов мезофауной. Скорость образования и распада вещества зависит от количества мезофауны: беспозвоночные организмы. Их количество на увлажненном ландшафте – 9-70 т/км 2 сырой массы. Максимальное – 200 т, они перерабатывают значительное кол-во орган вещ-ва. Основная часть мезофауны членистоногие и дожд червь.

Основная биомасса дождевого червя 40-50 т/км2 . членистоногих – 10-30 т/км2. В сезон дождей дождевые черви могут переработать до 150 т листьев и перемешать их с минеральной частью почвы. Велика роль м/о , особенно бактерий, актиномицетов, грибов, простейших. Масса микроорг в поверх слое почвы 2-3- т/га. Преобладают бактерии. Больше всего в подзолитсых и черноземных (6 т/га) почвах. Бактерии состоят преимущественно из белков, в подчиненном количестве присутствуют липиды. В биогеохимических процессах, обусловленных жизнедеятельностью почвенных бактерий, участвуют огромные массы химических элементов. Автотрофные бактерии-нитрификаторы в результате биохимического окисления недоступного для высших растений аммиака на протяжении года образуют сотни килограммов на гектар доступных для растений нитратов. Азотофиксирующие бактерии, обладающие способностью поглощать и связывать молекулярный азот из атмосферы, аккумулируют в педосфере от 4410⁶ (Дейбьюри К., 1970) до 20010⁶ т/год азота (Россвэлл Т., 1983).

Особо важное значение имеет деятельность гетеротрофных бактерий, участвующих в трансформации органического вещества вплоть до конечного продукта его биохимического окисления – углекислого газа. Не менее ответственная роль принадлежит актиномицетам и грибам, которые разрушают наиболее устойчивые компоненты растительных остатков – клетчатку и лигнин. Содержание актиномицетов весьма велико и часто измеряется миллиардами экземпляров в 1 г почвы. Таким образом, основная масса углекислого газа, образующаяся на суше, есть результат жизнедеятельности микроорганизмов, насыщающих педосферу.

В биогеохимических процессах, связанных с деятельностью почвенных организмов, участвует огромное количество вещества. Нитрификаторы могут произв окисление недоступных для растений соединений N воздуха, газообр NH3.

Автотрофы участвуют в в трансф органич вещества до H2O u CO2. Грибы актиномицеты разрушают клетчатку., целлюлозу до простых.

благодаря особенностям микроморфологии почва обладает высокой пористостью. Суммарный объем пор и пустот в верхнем горизонте почвы составляет 55–70% и более от общего объема почвы. Среднее значение порозности верхнего слоя педосферы мощностью 0,5 м можно принять равной 50%. очень важное значение имеет агрегированность почвенного вещества. Устойчивое присутствие капиллярной воды внутри агрегатов при наличии свободных от воды межагрегатных пор и трещин создает условия для сосуществования различных групп микроорганизмов. В межагрегатном пространстве благодаря свободному диффузионному газообмену с приземным слоем воздуха активно развивается жизнедеятельность аэробных микроорганизмов. Иная ситуация существует внутри агрегатов, где капиллярные поры заполнены водой и поэтому диффузия происходит в сотни раз медленнее. Такие условия способствуют развитию анаэробных бактерий. Аэробные и анаэробные микроорганизмы находятся в тесном трофическом взаимодействии. Анаэробные микроорганизмы являются продуцентами газов из разлагающихся растительных остатков. Специфически аэробные бактерии, окисляющие водород, метан, разнообразные соединения серы, не выпускают эти газы из почвы в атмосферу. Таким образом, в почве происходит почти замкнутый круговорот перечисленных выше газов, а в атмосферу выходит преимущественно СО₂.

В почвенном воздухе в десятки и сотни раз больше углекислого газа, но меньше, чем в атмосфере кислорода. Содержание молекулярного азота примерно одинаковое. Почвенный воздух сильно обогащен парами воды, насыщенность которыми близка к 100%, а также разнообразными летучими органическими и неорганическими биогенными соединениями.

Почвенная микрофлора играет весьма важную роль в регулировании выделения из почвы газов, находящихся в атмосфере в очень небольшом количестве, в том числе газов, поступающих из глубинных слоев земной коры. Среди глубинных газовых эманации постоянно присутствуют углеводороды, образующиеся в процессе метаморфизации осадочных пород, содержащих рассеянное органическое вещество. Постоянный поток рассеянных углеводородов перехватывается аэробными бактериями, которые окисляют эти газы. Жизнедеятельность аэробных бактерий обеспечивает отсутствие в приземном воздухе таких углеводородов, как пропан и гептан, активно диффундирующих из залежей нефти и газа. Возрастание в почвенном воздухе углеводородов сопровождается увеличением численности бактерий, окисляющих углеводороды. Этот факт используется в качестве признака для поиска газонефтяных месторождений (так называемый микробиологический метод поиска).

Таким образом, в педосфере действует своеобразный биогеохимический фильтр – бактериальная система, защищающая атмосферу от поступления рассеянных углеводородов.

В зависимости от св-в почвы выделяют разное количество СО2

Торфяно-глеевые 0,3 т/год

Подзолы хв лесов 3,5 – 110 т/год

Бурые листв лесов 2-60 т/год

Черноземы степей 40-70 т/год

Масса растительности суши до последнего оледенения находилась в подвижном равновесии, т.е. количество продуцируемой и деградируемой биомассы примерно одинаково.

В результате деятельности человека количество растений уменьшилось на 25%, уменьшилось кол-во СО2, поступающего из педосферы.

Обмен углерода и кислорода незамкнут. Часть фиксируется мировым океаном, 1% фиксируется орган вещ-вом. Количество орган вещ-ва зависит от условий : 1 км2 почвы планеты – до 1 - 25 т орган вещ –ва.

Часть отмершей биомассы не успевает разложиться за год, и происходит аккумуляция орган вещ-ва, на это влияет температура, влажность почвы, видовое многообразие микрофлоры.

В почве образуется гумус – сложный комплекс органических соединений. Чем больше гумуса, тем больше питательных веществ

3 группы: В органическом веществе почвы различают три главные группы.

1. почти не разложившиеся или слаборазложившиеся остатки преимущественно растительного происхождения. Они образуют лесные подстилки, степной войлок. Это так называемый грубый гумус.

2. Ко второй группе относятся остатки, образующие рыхлое черное вещество. Только под микроскопом видно, что это вещество состоит из измельченных и сильно измененных растительных остатков: мелких обрывков растительных тканей. Такая форма почвенного органического вещества называется модер.

3. Третья группа состоит из специфических почвенных органических образований, не обнаруживающих следов строения растительных тканей и составляющих собственно гумус

Гумус может распространяться равномерно или образовывать скопления. Может образовывать агломераты, с минеральными частицами – мулль ( разновидность собственного гумуса)

Перечисленные формы почвенного органического вещества образуются в условиях хорошей аэрации. При длительном водонасыщении почвы деятельность мезофауны и аэробных микроорганизмов подавляется и преобразование растительных остатков замедляется. В таких условиях из осадков гидрофильных растений, главным образом мхов, образуется торф.

Органическое вещество почвы состоит из слабоизмененных остатков растений, продуктов их измельчения и первоначального преобразования мезофауной и микроорганизмами, а также из специфических почвенных органических веществ. Две последние категории составляют собственно почвенный гумус. Трансформация органического вещества в почве происходит под воздействием жизнедеятельности микроорганизмов. Разные микроорганизмы и свойственные им ферменты взаимодействуют с определенными компонентами растительных остатков. Неспороносные бактерии используют наиболее доступные компоненты: простые углеводы, аминокислоты, простые белки. Целлюлозные миксобактерии перерабатывают устойчивые углеводы. Актиномицеты завершают процесс, разлагая наиболее устойчивые компоненты растительных остатков и гумусовые вещества.

Образование гумусовых веществ протекает при участии процессов двух типов.

Процессы первого типа обеспечивают частичное разложение поступивших органических соединений до более простых. Например, белки расщепляются на аминокислоты, углеводы – на простые сахара и т.д.

Процессы второго типа значительно сложнее. Это связано с тем, что гидролиз органических полимеров прерывается, если фермент встречается с неоднородностью в строении полимера. В результате процессов второго типа происходит конденсация ароматических соединений фенолъного типа (продуктов распада лигнина и целлюлозы) с аминокислотами (продуктами распада микроорганизмов). В процессе окисления и конденсации образуются карбоксильные группы, которые вместе с фенолгидроксильными группами способствуют кислотному характеру гумусовых веществ.

Основными компонентами гумуса являются гуминовые и фульвокислоты, их соли, а также гумин – своеобразный комплекс сильно полимеризованных высокомолекулярных гумусовых кислот, связанных с высокодисперсными минеральными частицами. Между этими компонентами существуют переходы.

Гумусовые кислоты – высокомолекулярные соединения со сложной структурой. структурная ячейка гуминовых кислот из дерново-подзолистой почвы имеет вид C₁₇₃H₁₈₃O₈₆N₁₁, из чернозема – C₇₃H₆₁O₃₂N₄; структурная ячейка фульвокислот из дерново-подзолистой почвы – C₂₇₀H₃₁₈O₂₀₆N₁₆, из чернозема – C₂₆₀H₂₈₀O₁₇₇N₁₅. В составе гуминовых кислот содержание углерода колеблется от 40 до 60%, азота – от 3,5 до 6%.

Фульвокислоты содержат меньше углерода и азота: соответственно от 35 до 50% и от 3 до 4,5%.

Основными структурными единицами сложных молекул гуминовых кислот являются сконденсированная центральная часть (ядро) и боковые цепи, состоящие из функциональных групп.

Реакционная способность гуминовых кислот связана с карбоксильными и фенолгидроксильными группами, водород которых может замещаться другими катионами. Часть водорода функциональных групп замещается комплексными катионами типа Fe(OH)₂ и т.п. В результате образуются сложные внутрикомплексные соединения – хелаты железа, алюминия и других металлов. Гуминовые кислоты не растворяются в воде, но хорошо растворимы в щелочных растворах.

Фульвокислоты имеют похожее строение, но в них боковые цепи преобладают над ядром. Содержание карбоксильных и фенолгидроксильных групп больше, чем у гуминовых кислот. Фульвокислоты растворяются в воде, растворы имеют сильнокислую реакцию (рН 2,6–2,8). Растворяющая способность фульвокислот усиливается их склонностью к хелатированию. Комплексные соединения фульватов могут активно мигрировать в природных водах в таких физико-химических условиях, где свободные катионы металлов выпадают в осадок.

Изучение распределения металлов в гумусовых кислотах, выделенных из подзолистых почв северо-запада европейской части России, показало, что концентрация меди, цинка, свинца и никеля значительно выше в фульвокислотах.

Обнаружено, что концентрация металлов в гуминовых кислотах значительно выше не только их концентрации в изученных почвах, но и средней концентрации в растительности Мировой суши. Так, в гуминовых кислотах из чернозема, являющихся наиболее важной частью гумуса этих почв, концентрация цинка более чем в 2 раза выше средней концентрации этого элемента в растительности суши, ванадия – в 17 раз, хрома и кобальта – еще больше.

Таким образом, гумус почв играет двоякую роль. С одной стороны, он выступает как источник азота и других элементов, приоритетно необходимых для высших растений и освобождающихся из органического вещества в результате микробиологической деятельности. Поэтому гумус почв – важный фактор продуктивности фитоценозов и плодородия почв. С другой стороны, гумусовые кислоты и их производные благодаря особенностям молекулярного строения активно влияют на миграцию и аккумуляцию химических элементов в педосфере. По этой причине гумусовые вещества являются важной частью механизма регулирования миграционных потоков в педосфере.

Отмирающие части растений поступают в почву в виде ежегодного опада. Его количество не пропорционально биомассе растительности. Так, лесные сообщества южной тайги, обладающие огромной биомассой (более 3000 ц/га сухого вещества), вносят в почву ежегодно около 50 ц/га сухого вещества, в то время как у растительности луговых степей, имеющей значительно меньшую биомассу (250 ц/га), опад почти в 3 раза больше.

Значительная часть растительных остатков располагается на поверхности почвы в виде лесной подстилки в лесах, травяного войлока в травянистых сообществах, скоплений торфа в заболоченных ландшафтах. Присутствие растительных остатков указывает, что их разложение идет медленнее, чем поступление новых продуктов отмирания.

Об интенсивности переработки растительных остатков мезофауной и микроорганизмами в почвенный гумус можно судить по соотношению количества мертвого органического вещества на поверхности почвы и его ежегодного поступления на поверхность. это соотношение имеет наиболее высокое числовое значение (90) в тундровых ландшафтах. Это означает, что в суровых условиях тундры жизнедеятельность почвенной мезофауны и микроорганизмов настолько сильно подавлена, что полная переработка годового опада растительности растягивается на 90 лет, а биологический круговорот химических элементов сильно заторможен. В ландшафтах степей это соотношение равно 1,0–1,5, т.е. преобразование опада совершается в течение одного–двух лет. В пустыне это происходит еще быстрее, так как растительные остатки на почве практически отсутствуют.

Биогеохимическая трансформация органического вещества в почве не ограничивается переработкой растительных остатков в гумус. Под воздействием микробиологической деятельности процесс продолжается до полного разрушения органического вещества с образованием СО₂. Оценить время возобновления почвенного гумуса можно с помощью определения абсолютного возраста гуминовых кислот и гуматов по изотопу ¹⁴С с периодом полураспада 5678 лет. Полученные результаты показали, что обновление гумуса в верхнем горизонте современных почв происходит за 300–500 лет. В более глубоких горизонтах процесс обновления происходит значительно медленнее и гумусовые вещества имеют возраст в несколько тысяч лет.

Гумусовые вещества в зависимости от строения ведут себя неодинаково. Слабо сконденсированные соединения группы фульвокислот, во-первых, растворяются, частично выносятся из почвы и далее мигрируют с водным стоком. Во-вторых, эти соединения, оставаясь в почве, постепенно гидролизуются. Соединения, в которых сконденсированное «ядро» сильно преобладает над боковыми цепями, обладают большой устойчивостью. По этой причине доля высокополимеризованных соединений в составе гумуса возрастает в нижней части профиля почв, общее содержание гумуса при этом заметно сокращается.

Наиболее полные сведения о содержании тяжелых металлов и других рассеянных элементов относятся к органическому веществу торфа.

По сравнению с органическим веществом растительности суши в торфе больше устойчивых компонентов (лигнина, битумов).

Существует два типа биогеохимических обстановок торфона-копления.

1. характеризуется избыточным увлажнением почв за счет атмосферных осадков, их слабого испарения и затрудненного дренажа на плоских водоразделах. В такой обстановке образуются так называемые верховые болота, в которых основными растениями-торфообразователями являются сфагновые мхи. Воды верховых болот, образованные из атмосферных осадков, имеют низкую минерализацию (30–70 мг/л). Содержание минеральных веществ в сфагновых мхах небольшое, зольность торфа около 3%. Они обогащены кислыми метаболитами сфагновых мхов и водорастворимыми гумусовыми кислотами, их рН 3,5–4,5. В таких условиях скорость накопления торфа близка к 1 мм/год.

2. отвечает условиям низинных болот, приуроченных к отрицательным элементам рельефа. Здесь водонасыщение почвы происходит высокорасположенными грунтовыми водами с нейтральной и даже слабощелочной реакцией (рН 6–8), значительно более минерализованными, чем воды верховых болот. Минерализация вод низинных болот составляет 200 мг/л и более. Это обусловлено выносом химических элементов из почв с водосборной площади. В осадках низинных болот часто образуются скопления карбонатов Са²⁺, Fe²⁺, Mn²⁺, фосфатов Fe²⁺ и Fe³⁺, гидроксидов Fe³⁺ и Мп⁴⁺. Растения-торфообразователи представлены гипновыми мхами, осоками, тростником, папоротником, некоторыми кустарниками. Эти растения содержат значительное количество минеральных веществ, поэтому зольность низинного торфа повышается до 10 и иногда до 20%.

Современные почвы сформировались преимущественно на рыхлых континентальных отложениях плейстоценового и плиоцен-плейстоценового возраста. Различные генетические типы этих отложений в совокупности образуют рыхлую неконсолидированную толщу, покрывающую Мировую сушу и являющуюся результатом гипергенного преобразования (выветривания) горных пород на протяжении последнего этапа геологической истории. Рыхлые покровные отложения состоят из многократно перемешанных и переотложенных продуктов выветривания.

Разнородные компоненты минеральной части почв можно объединить в следующие группы:

1) механические обломки минералов и горных пород; Состав обломочных минералов сильно влияет на валовой химический состав почвы. Чем больше обломочного кварца в минеральном веществе почвы, тем выше относительное содержание кремнезема и меньше других элементов. Чем больше обломочных силикатов, тем больше алюминия. Многие рассеянные элементы сосредоточены в акцессорных минералах (ильмените, магнетите, Цирконе, рутиле и др.), устойчивых к процессам выветривания и поэтому присутствующих в покровных отложениях

2) высокодисперсные минералы глин; состоит из гипергенных силикатов: каолинита, метагал-луазита, гидрослюд, монтмориллонита и др. В меньшем количестве присутствуют минералы группы оксидов и гидроксидов железа, алюминия, а также рентгеноаморфные вещества.Диспергирование минерального вещества – одно из главных проявлений его гипергенного изменения на поверхности суши. Под влиянием суточных и сезонных колебаний температуры образуются трещины, приуроченные в минералах к дефектам кристаллов, а в горных породах – к контакту зерен.

3) минеральные новообразования, возникшие в процессе формирования профиля почвы. скопления минералов, возникших при почвообразовании и четко отделяющиеся от вещества почвы. Их морфология разнообразна: округлые сплошные и полые конкреции; трубчатые конкреции; рыхлые скопления, налеты и пленки; плотные корочки, натеки и бороздки на каменистых обломках; зернистые агрегаты и друзы; линзовидные тела и пластообразные панцири. Столь же разнообразен их минералогический состав, в котором имеются представители почти всех классов минералов, но наиболее распространены карбонаты кальция и гидроксиды железа.

Существует метод – металлометрия для выявления геохимических аномалий. Получил распространение во время 2 мировой войны. Открыты месторождения олова , вольфрама и др металлов.