Особенности почвы как природного образования. Понятие о гумосфере как аккумуляторе энергии

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Биолого-почвенный факультет

Кафедра почвоведения и экологии почв

Реферат

Особенности почвы как природного образования. Понятие о гумосфере как аккумуляторе энергии.

Томск – 2006

Докучаевское почвоведение построено на парадигме о том, что почва есть функция пяти факторов – климата, горных пород, живых организмов, рельефа и времени (П = f(к, ж.о., г.п., р)∙t). Почва возникает тогда, когда эти факторы сходятся воедино. Для почв характерен некий паттерн организации, благодаря которому мы всегда с уверенностью скажем, что это почва. Наряду с организацией у почв есть следующие биосферные функции:

- преобразование состава верхних слоев литосферы с образованием новых минералов, изменением дисперсности материала, остаточной или аккумулятивной концентрацией элементов (в т. ч. с образованием залежей полезных ископаемых);

- формирование состава грунтовых и поверхностных вод и регулирование общего гидрологического режима территории;

- регулирование газового состава приземного слоя воздуха и, в конечном счете, состава атмосферы;

- поглощение, аккумулирование и передача в нижние слои литосферы солнечной энергии, трансформация её в другие виды энергии;

- защита литосферы от эрозии и геохимического загрязнения, защита гидросферы от загрязнения;

- начальное и конечное звено трофических цепей, источник жизни и депо её метаболитов, среда обитания организмов и их убежище;

- хранилище диаспор;

- связующее звено биологического и геологического круговорота веществ;

- фактор и следствие эволюции биосферы; зеркало её современного состояния и память об её истории.

Кроме собственно почв те же биосферные функции выполняют и другие биокосные и органогенные тела. Поэтому И. А, Соколов предлагает называть природные тела выполняющие биосферные функции почв экопочвами объединяющими собственно почвы (самостоятельные естественно-исторические биокосные субаэральные, формирующиеся на месте тела, являющиеся функциями факторов почвообразования) и парапочвы – тела, образующие экзосферу Земли (геодерму) и выполняющие экологические функции почв, но почвами не являющиеся (#: аллювиальные почвы, вулканические пеплы и лёссы обладающие плодородием, торфяные почвы, илы, грунтовые воды и др.). Стоит отметить, что в природу все эти тела сопряжены и образуют ландшафтное единство. Например, поток, начинающийся в элювиальным горизонте дерново-подзолистой почвы, частью уходит в грунтовые воды, а частью в реку, переносит аллювий и материал, формирующий илы и сапропели. Таким образом, почва как бы передаёт в пространство-времени свои функции другим телам (на дерново-подзолистой почве может сформироваться экопочва – торфяное болото).

Чтобы лучше понять особенности почвы как природного тела, а также роль гумусовых веществ почвы в накоплении энергии, стоит осуществить ретроспективу в историю педосферы.

Хочется вновь затронуть вопрос образования жизни. Концепция первичного бульона, когда из более простых соединений образовывались более сложные выглядит незавершенной в том плане, что не ясно как образовались носители информации ДНК и РНК, весьма устойчивые и способные реплицироваться…, но способные делать это лишь в конечном, устойчивом положении. Теория первичного бульона не объясняет этого.

Среди гипотез образования жизни и универсальных носителей биологической информации, есть интересная для нас, почвоведов. Это «Минеральная» гипотеза химика из Глазго - Грэхема Кэрнз-Смита (G. Cairns-Smith) - высказанная 30 лет назад и за это время усложненная и развитая в трех книгах.

Для понимания своей модели, автор приводит пример с аркой. Арка устойчива лишь в своём конечном положении, когда последний кирпичик на вершине свода уложен. Во всех других положениях она неизбежно разрушится. Как же строят арки? Весьма просто, для этого делается сводчатый каркас, например из брусьев, поверх которого и укладываются кирпичики. Когда последний кирпичик уложен, временный каркас удаляется и мы имеем устойчивое сооружние – арку. То же самое, полагает автор, происходило и во времена формирование молекул ДНК и РНК. Подобным каркасом могли служить глинистые частицы. Известно, что в различных условиях из простых соединений могут формироваться те или иные типы глины. Также одна частицы глины, т. е. конкретный минерал, может служить репликационной матрицей, сообразно которой кристаллизуется другая частица. Минералы могут «мутировать», когда при синтезе возникает какой-либо дефект, передающийся последующим «поколениям» глины.

Условия на земле были благоприятны для возникновения простых органических молекул, которые с водными потоками переносились в водоёмы, также водные потоки активно переносили и взвеси минеральные, так как растительного покрова защищавшего бы горные породы от эрозии, не было. В этих потоках с определенными минералами формировались индивидуальные типы органоминеральных связей. С другими типами глин другие типы. С течением времени эти «наросты» на минеральных частицах усложнялись и изменялись и когда то появилась молекула, которая могла бы реплицироваться уже без помощи минеральной частицы. Так и возникла жизнь.

Согласно гипотезе автора, следует признать, что жизнь зарождалась не столько в океане, сколько на суше, в континентальных реках и водоёмах, а также у дельт рек в океанах и морях, т. е. там, где имелись токи жидкости, в раствор поступала свежая органика, а минеральные частицы постоянно перемещались.

После спонтанного зарождения органической жизни, историю биосферы можно разделить на три этапа (по В. К. Бахнову):

- гидроземный (подводные);

- атмоземный (болотный);

- литоземный (сухопутный).

Каждому из этих этапов соответствовала своя форма почвообразования, явившееся ведущим механизмом формирования биосферы, в частности её кислородсодержащей атмосферы.

Согласно данным К. И. Кобак, основная масса органического углерода (99,90%) сосредоточена в осадочных породах. Учитывая данное обстоятельство и признавая подводные почвы самой древней формой почвообразования на Земле, можно говорить о том, что огромная масса органического углерода, заключенная в осадочных породах, прошла стадию подводного почвообразования, когда органическое вещество создавалось только в водной среде микробиологическими сообществами, в которых преобладали цианобактерии.

Утилизация недоокисленного органического вещества вновь получила наивысшее выражение в последующий атмоземный период развития биосферы, о чем свидетельствуют залежи каменного угля, исходным материалом образования которого служили древние болотные экопочвы.

Выведение углерода из активного состояния в виде газа и консервация на длительное время (с понижением энтропии) – одна из основных исторических функций, выполненных болотным почвообразованием. Обогащение атмосферы кислородом коренным образом изменило геохимию Мирового океана и геохимию суши.

Решающую роль при заселении суши организмами сыграло болотное почвообразование. Растения, прежде чем поселится на суше, вынуждены сначала адаптироваться к жизни в условиях воздушного окружения. Соприкосновение их с воздушной средой было едва ли не самым трудным шагом в процессе формирования наземных растений. В то же время, выход из водной среды открывал им возможность наиболее полного использования лучистой энергии Солнца и газового состава атмосферы (количество СО₂ уменьшалось!!!!).

На данном этапе становления биосферы растения во многих отношениях были сходны с водными предками, и длительное время сохраняли потребность в постоянном обильном увлажнении среды своего обитания. Роль фактора, стабилизировавшего водообеспечение, выполняло органическое вещество, которое по своей природе обладает большой способностью поглощать и удерживать воду. Эта особенность органического вещества послужила предпосылкой использования создаваемых самими же растениями запасов мертвых остатков в качестве субстрата – почвы.

Атмоземный этап развития биосферы продолжался около 200 млн. лет. За это время организмы адаптировались к жизни в условиях воздушного окружения и были подготовлены к переселению на литосферную оболочку суши. Однако растительность атмоземного периода имела слаборазвитую корневую систему, приспособленную к функционированию в условиях влажных органогенных почв. Дальнейшее совершенствование растений, прежде всего корневых систем, происходило в течении литоземного этапа. Появилась новая форма почвообразования - автоморфное. Путь к нему шел постепенно, через ряд гидроморфных и полугидроморфных почв, с постепенным уменьшением содержания перегноя, увеличением количества гуминовых кислот. По всей видимости, наиболее поздно сформировавшимися были пустынные биомы, для которых характерен наименее развитый почвенный покров.

 Из выше сказанного следует вывод о том, что на протяжении всей истории биосферы между живой и неживой природой, живыми организмами и продуктами метаболизма экосистем существовала тесная связь, взаимозависимость. Для процесса почвообразования, также как и для жизни в целом, характерно рассеяние энтропии, то есть её уменьшение. В то же время происходит повышение упорядоченности, количество информации в почвенных системах в ходе развития растёт.

Наибольшую роль в уменьшение энтропии почвенных систем вносят гумусовые вещества – аккумулятор энергии Солнца, а также микроорганизмы, которые даже аналитически невозможно отделить в процессе анализа органического вещества.

Наиболее энергоемки и термодинамически устойчивы молекулы гуминовых кислот. Они состоят из ароматических конденсированных ядер и многофункциональных периферических алифатических цепей с общей системой сопряженных связей. Подобная система является довольно устойчивой, ядро состоит из 5-6-ти бензольных колец (по И. Д. Комисарову). Алифатическая периферия – переменный компонент, которые может быть, а может и не быть в составе молекулы. В процессе почвообразования к ранее сформированным ароматическим матрицам могут присоединяться цепи различной длины. В то же время при недостатке органического материала, микроорганизмы способны использовать эти цепи на нужды метаболизма.

Гуминовые кислоты, накапливая солнечную энергию, сами уподобляются в своей геометрии Солнцу. Ароматическое ядро – звезда, алифатические цепи – расходящиеся лучи.

Одним из наиболее специфических почвенных свойств стоит признать наличие специфических органических веществ, они содержаться в любой почве и большинстве парапочв. Эти вещества настолько важны в биосфере, что В. А. Ковда, продолжая учение В. И. Вернадского о биосфере, предложил считать гумусовый слой планеты особой энергетической оболочкой – гумосферой. Растительные остатки, поступая в почву, несут около 17-21 кДж энергии на 1 г сухого вещества. По данным С. А. Алиева, 1 г гуминовой кислоты содержит от 18 до 22 кДж, 1 г фульвокислоты около 19 кДж, 1 г липидов – 35,5 кДж. Почвы, содержащие среднее количество органического вещества 4-6% и имеющие средние запасы гумуса (200-400 т/га), накапливают на 1 га столько энергии, сколько дают 20-30 т антрацита.

Энергия гумуса, это энергия порядка. Она снижает энтропию системы. Расходуется на оструктуривание почв, тем самым, создавая благоприятные условия для произрастающих растений и деятельности звена деструкторов экосистем. Почвенный агрегат является почвенной клеткой, в которой протекают многие элементарные процессы, а в гумусовых горизонтах создаются оптимальные для данных условий условиях водно-воздушного и пищевого режимов. Также оструктуривание почв гумусовыми веществами, имеющими в своих молекулах гидрофобные цепи, способствует противоэрозионной стойкости, в тоже время гидрофильные части молекул вносят вклад в капиллярность, отчего влага быстро впитывается.

Часть энергии гумуса расходуется на преобразования минеральной массы, обеспечение питания растений, беспозвоночных животных и микроорганизмов.

Общие запасы углерода биосферы оцениваются величиной 2-3∙10¹² т. Большая часть органического углерода приходится на сушу и в первую очередь на почвенный гумус. В результате фотосинтеза ежегодно связывается около 50∙10⁹ т углерода из атмосферы, а при отмирании на поверхность почвы в виде опада поступает около 40∙10⁹. Часть опада минерализуется, но значительная часть по разным источникам от 0,6 до 25∙10⁹ т углерода в год превращается в гуминовые вещества.

Если определять теплотворность растения, то наименьшее количество энергии аккумулируется в корнях, наибольшее в листьях. Овингтон и Эйтками, анализируя результаты всех опытов, пришли к выводу, что только 1-2,7 % приходящей солнечной энергии используется экосистемой. В дальнейшем на каждый последующий трофический уровень также передаётся лишь 1% энергии, остальная энергия закрепляется, либо рассеивается.

Происходит ли в почве ежегодное увеличение содержания гумуса, т. е. запасенной энергии? С. Я. Трофимов (2002) выделяет три типа биологического круговорота:

1)   аккумулятивный;

2)   регрессивный;

3)   квазистационарный.

В первом случае экосистема накапливает органическое вещество и энергию вместе в ним, во втором случае органическое вещество срабатывается, а в третьем количество разлагающейся органики = количеству поступающей в почву. Эти типы задаются отношениями гетеротрофного блока экосистемы с автотрофным. Для экосистем предпочтителен третий тип, так как первые два типа не могут существовать продолжительное время.

Если принять во внимание, что глобальные цифры свидетельствуют о выводе углерода из атмосферы, то верно есть на планете несбалансированные экосистемы. Существование же их говорит о том, что планетарные условия меняются, вызывая адекватные реакции биосферы.

Интересные данные о запасах энергии в экосистемах приводятся В. Р. Волобуевым (1974).

Таблица 1 – Энергия, связанная с основными компонентами характерных почвенно-растительных систем (в верхнем 3-х метровом слое почвогрунтов сечением 1 см²) и растительном веществе

Из табл. 1 хорошо видны принципиальные различия энергетических показателей исследуемых почв. Так, чернозем характеризуется преобладающей аккумуляцией энергии в гумусе (88 % от суммы энергии в гумусе и растительном веществе), тогда как во влажнотропическом сообществе доля энергии гумуса составляет лишь 11%, а главным аккумулятором энергии оказывается растительность.

Эти данные хорошо согласуются выдающимся и устойчивым плодородием черноземов, так же как и краткостью периода высокой производительности почв из-под только что сведенных влажнотропических лесов, т. е. пока в почве сохраняются некоторые органические остатки и элементы биогенной аккумуляции (Волобуев В. Р., 1974).

 Энергия гумуса способствует снижению затрат при с/х производстве. Почвы с высоким содержанием гумуса быстрее просыхают весной и раньше пригодны к обработке, требуют меньше затрат на механическую обработку. Эксплуатационные расходы на высокогумусных почвах сокращаются при возрастании производительности почвообрабатывающих агрегатов. Увеличение содержания органического вещества ведёт к снижению равновесной плотности почв, что создаёт условия для минимализации обработок при повышении их интенсивности.

В заключении отметим, что почвенный покров «ответствен» за постоянное функционирование биоценозов, он является необходимым условием существования жизни. Именно почвенные условия определяют самое первое звено глобальных трофических цепей – продуцирование растительной биомассы за счет её синтеза из элементов, находящихся в почве и атмосфере, и использованием солнечной энергии. Все дальнейшие звенья – вторичны по отношению к этой первооснове жизни на планете. Одновременно почвенный покров «ответственен» за последнее звено трофических цепей. В почвах аккумулируются продукты конечного метаболизма живых организмов, основной формой этой аккумуляции является почвенный гумус (Соколов И. А., 2004).

Литература

Бахнов В. К. Роль древнейших болот планеты в становлении современной биосферы // Болота и биосфера: Материалы Первой Научной Школы (23-27 сентября 2002 г.). Томск: Издательство Томского государственного педагогического университета, 2003. – С. 72-81

Волобуев В. Р. Введение в энергетику почвообразования. – М.: Наука, 1974. – 128 с.

Почвоведение, ч. 1 (под ред. В. А. Ковды, Б. Г. Розанова). М.: Высшая школа, 1988. – с. 124-126

Соколов И. А. Теоретические проблемы генетического почвоведения. – Новосибирск: «Гуманитарные технологии», 2004. – 288с.