Александр Перельман - Биокосные системы Земли

• Название: Биокосные системы Земли
• Автор: Александр Перельман
• Издательство: Наука
• Жанр: Экология
• Год: 1977

Живые организмы и неорганическая (косная) материя на Земле тесно связаны между собой и образуют в совокупности различные сложные природные системы, которые В. И. Вернадский назвал биокосными. В книге биокосные системы рассмотрены с позиций геохимии.

Характеризуя почвы, подземные воды, биосферу и другие биокосные системы, автор рассказывает не только о том, как перемещаются атомы в этих системах, но и как происходит при этом превращение энергии, изменение информации. В последнее десятилетие изучение биокосных систем приобрело особенно большое значение в связи с проблемой охраны природы и загрязнения окружающей среды. Этим вопросам также уделено внимание.

---

Замечательным результатом применения повой теории явилось объяснение важной закономерности размещения солонцов — их приуроченности ко вторым и третьим террасам рек, на поймах которых развиты солончаки. При врезании рек и превращении пойм в террасы почвы отрываются от грунтовых вод и засоление сменяется рассолением (в результате промывания почв атмосферными осадками). Поэтому одновременно с превращением поймы в террасу солончак превращается в солонец (рис. 2).

Дальнейшие исследования показали, что солонцы могут образоваться не только в результате рассоления солончаков, но и другим путем. Однако основные положения теории Гедройца выдержали проверку временем и вошли в фундаментальные основы почвоведения.

Учение Гедройца о поглощающем комплексе имело большое значение и для развития других наук о Земле, так как коллоидная фракция и обменные катионы характерны для всех глин и илов. Например, дорожные и строительные свойства грунтов тесно связаны с их обменными катионами, в связи с чем в трудах по грунтоведению учению Гедройца уделяется видное место. Было установлено, например, что грунты, ПК которых насыщен натрием, обладают ничтожной фильтрацией. Чтобы уменьшить фильтрацию, борьба с которой составляет одну из важных задач мелиораторов, украинский почвовед А. Н. Соколовский предложил искусственно насыщать катионом натрия ПК ложа каналов и водохранилищ.

В 1925 г. Гедройц разработал классификацию почв, среди которых по составу обменных катионов выделил четыре основных типа почвообразования:

1) латеритный (в ПК преобладает обменный водород, обменных Са и Mg мало);

2) подзолистый (в ПК наряду с обменным водородом имеются Са и Mg);

3) черноземный (ПК насыщен Са и Mg);

4) солонцовый тип (ПК содержит обменный натрий, но есть Са и Mg).

Эта работа произвела сильное впечатление на современников тем, что в основу классификации автор положил внутренние свойства почв, а не факторы почвообразования, как это нередко имело место в прежних работах. В той или иной степени идеи Гедройца нашли отражение во всех последующих классификациях почв как в нашей стране, так и за рубежом. Особенно большое значение им придавал известный венгерский почвовед А. Зигмонд (1873—1939).

Гедройц официально не причислял себя к геохимикам. Однако ученый сделал объектом своего исследования химический элемент; он изучал его историю в почвах, его миграцию и вслед за своим учителем Коссовичем применил в исследовании геохимическую методологию. Поэтому Гедройца можно считать не только основателем химии, но и основателем геохимии почв, изучающей историю химических элементов в почве. Это направление получило широкое распространение уже после смерти Гедройца в трудах Б. Б. Полынова, В. А. Ковды, М. А. Глазовской, Г. В. Добровольского, К. И. Лукашева и других почвоведов.

Б. Б. Полынов определил интенсивность миграции химических элементов в почвах, изучал поведение элементов в процессах засоления, создал теорию биогенного генезиса глинистых минералов в почвах. Эти его труды послужили основой для разработки геохимии коры выветривания и ландшафтов, о чем мы еще будем говорить в других разделах книги.

Развивая идеи Гедройца и Полынова, В. А. Ковда охарактеризовал геохимию процессов засоления и рассоления, использовал геохимические принципы при классификации почв мира. Ученый разработал эволюционногенетическую систему классификации почв мира, самой крупной таксономической единицей которой являются почвенно-геохимические формации (формации кислых аллитных почв, нейтральных и слабощелочных монтмориллонитовых почв, кислых каолинитовых почв и т. д.). Геохимическим параметрам в этих построениях отводится почетное место.

Наиболее глубокое обоснование геохимические принципы классификации почв получили в трудах М. А. Глазовской. По сочетанию двух признаков — щелочно-кислотных и окислительно-восстановительных условий — она выделила 11 геохимических ассоциаций почв, которые, в свою очередь, разделяются на генерации и семейства. Большое значение классификации Глазовской состоит в использовании геохимических параметров, играющих действительно ведущую роль в жизни почв. Обменные катионы в классификации Глазовской также учитываются, но таксономический ранг этого признака более скромный, соответствующий его роли в почвообразовании.

Другое направление геохимии почв — изучение поведения отдельных элементов в почвах, в первую очередь микроэлементов. Начало этому направлению было положено в 1913 г. статьей В. И. Вернадского о химическом составе почв, в которой ученый ставил вопрос о необходимости определения в почвах рубидия и газов. В дальнейшем Вернадский не раз обращался к вопросу об анализе почв с геохимической точки зрения. В 1950 г. ученик Вернадского акад. А. П. Виноградов (1895—1975) опубликовал монографию, в которой охарактеризовал содержание в почвах бора, фтора, брома, йода, мышьяка, селена, лития, рубидия, хрома, цезия и других микроэлементов. В последнее десятилетие число исследований по микроэлементам в почвах растет очень быстро.

Химические элементы находятся в почвах в различных формах: в виде свободных ионов в растворе, в поглощенном и рассеянном состоянии, входят в органическое вещество и неорганические соединения — минералы. Содержание последних особенно велико и часто составляет 95—99% веса почвы. Поэтому так важно минералогогеохимическое изучение почв.

Почва как биокосная система

Биологические явления в почвах всегда привлекали внимание исследователей: развивалась почвенная микробиология, изучались почвенная флора и фауна (например, черви, грызуны). Однако первые десятилетия развития докучаевского почвоведения были отмечены, как мы убедились, преимущественно вниманием к проблемам географии и химии почв. Несколько особняком в эти годы стоял Б. Р. Вильямс (1863—1939), который главное внимание уделял именно биологическим аспектам почвообразования; применял он и системный подход. Для творчества Вильямса были характерны крупные обобщения; ученый полагал, что сущность почвообразования заключается в создании и разрушении органического вещества.

В построениях Вильямса имелись и ошибочные положения. Сейчас эти вопросы уже решены временем, в связи с чем возникла возможность в исторической перспективе объективно оценить вклад В. Р. Вильямса в науку и практику. Отвергая слабые стороны в творчестве ученого, его неправильные рекомендации, следует отдать должное его научным достижениям. Вдумчивый исследователь в трудах Вильямса еще долго будет находить пищу для размышлений и движения вперед.

В дальнейшем с внедрением в почвоведение геохимических идей Вернадского изучение почв как биокосных систем приобрело значительное распространение. Важную роль здесь играли труды Б. Б. Полынова и его школы, И. В. Тюрина, Н. П. Ремезова. М. М. Кононовой и многих других почвоведов. Попробуем рассмотреть эту проблему с современных геохимических позиций.

Несомненно, важнейшая особенность почв связана с работой живого вещества, преимущественно микроорганизмов, разлагающих органические остатки. Миллионы и миллиарды микроорганизмов обнаружены в каждом грамме почвы; они пронизывают все вещество почвы, находятся в почвенных растворах самых тонких капилляров.

В ходе разложения органических веществ освобождается энергия, аккумулированная при фотосинтезе, причем не только в тепловой, но и в химической работоспособной форме. Именно в этих процессах автор усматривает сущность почвообразования, полагая, что вторая составляющая, намеченная Вильямсом, — образование органического вещества — имеет хотя и важное, но все же подчиненное значение.

Разлагая остатки растений и животных, микроорганизмы изменяют состав почвенного раствора и воздуха, обогащая последний CO2, СН4, NH3 и другими газами. Почвенные растворы, насыщаясь CO2, органическими кислотами и другими соединениями, становятся химически высокоактивными, они разлагают минералы, выполняют большую работу по их выветриванию.

Поэтому, чем быстрее в почве разлагается органическое вещество, тем богаче она химически работоспособной энергией тем дальше она от равновесия. Почвы — неравновесные, чрезвычайно динамичные биокосные системы, богатые свободной энергией. С этим связаны дифференциация вещества в почвенном профиле, его неоднородность, и в частности расчленение по вертикали на горизонты и подгоризонты — А0, A1, А2, В1, В2, В3 и т. д. (рис. 3). В некоторых почвах на расстоянии 0,5 м по вертикали резко меняются физико-химические условия и, например, кислая среда в поверхностном горизонте может смениться щелочной на глубине 20 см.

Таким образом, однородная, однообразная материнская горная порода в результате почвообразования превращается в чрезвычайно неоднородное тело. Но разнообразие — это информационная характеристика, так как с самых общих позиций понятие «информация» близко к понятию разнообразия. Поэтому почвообразование характеризуется не только накоплением энергии, но и накоплением информации, это процесс эндоэнергетический и антиэнтропийный (негэнтропийный). Почва — система, богатая информацией!