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.

---

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!

Рис. 3. Профиль солонца (по М. А. Глазовской, 1972). Для этих почв особенно характерны резкая дифференциация вещества, образование профиля, включающего в себя много генетических горизонтов.

Генетические горизонты: 1 — надсолонцовый гумусово-элювиальный; 2 — иллювиальный солонцовый; 3 — иллювиальный карбонатный; 4 — иллювиальный гипсовый, 5 — иллювиальный солевой; 6 — почвообразующая порода (карбонатная, гипсоносная, засоленная). На небольшом расстоянии по вертикали (не более 0,5 м) меняются щелочно-кислотные условия

Но каков «механизм» этого разнообразия, почему образуются горизонты, перераспределяются химические элементы по профилю? Здесь большое значение приобретает второй процесс, отмеченный Вильямсом, — образование органического вещества. Хорошо известно, что растения избирательно поглощают многие элементы, концентрируют их не в тех соотношениях, в которых они находятся в горных породах и почвах. Если в последних преобладают кремний, алюминий и железо (в среднем в земной коре их около 40%), то в растениях значительно больше калия, кальция, фосфора и серы. Поэтому корни растений, как своеобразный насос, перекачивают наиболее необходимые им химические элементы из нижних горизонтов почвы в верхние, куда они поступают после смерти организмов и разложения их остатков. Особенно это относится к таким важным для жизни элементам, как фосфор, сера, кальций, калий, а также ко многим микроэлементам. В результате создается возможность обогащения ими верхних горизонтов почв (биогенная аккумуляция), улучшения среды существования растений.

Наряду с такой биогенной миграцией химических элементов снизу вверх в почвах наблюдается и физико-химическая миграция элементов в водных растворах. Атмосферные осадки, просачиваясь в почвы водоразделов, выщелачивают из них подвижные элементы, и поэтому реальное распределение химических элементов по почвенному профилю определяется взаимно противоположными процессами — биогенной аккумуляцией, направленной снизу вверх, и выщелачиванием, направленным сверху вниз. Еще сложнее распределение элементов в почвах склонов, низин, где наблюдаются боковой сток вод, капиллярное поднятие растворов из грунтовых вод (рис. 4).

Окислительно-восстановительные процессы и ряды почв. В химическом отношении разложение органических веществ — это процесс окислительно-восстановительный, так как углерод, водород и другие элементы, входящие в состав органических соединений, при этом окисляются до простых минеральных соединений — CO2, H2O, солей фосфорной, серной и других кислот. Главный окислитель — свободный кислород — при этом восстанавливается[6]. Окислителями и восстановителями могут быть и другие элементы, например железо, но основной вывод от этого не изменится: сущность почвообразования с химических позиций заключается в окислительно-восстановительных реакциях. Отсюда нетрудно предположить, что и главные различия между почвами связаны именно с их окислительно-восстановительными условиями.

Рис. 4. Схема взаимно противоположных процессов — биогенной аккумуляции (1) и выщелачивания (2) в почвах разных ландшафтов.

Соотношение биогенной аккумуляции и выщелачивания определяет строение профиля важнейших типов почв. Ширина стрелок характеризует относительную интенсивность процессов, длина — сравнительную глубину проникновения процесса

Для большинства почв характерно присутствие в почвенном воздухе и почвенном растворе свободного кислорода — очень энергичного окислителя, который поступает в почву из атмосферы. Поэтому в таких почвах многие химические элементы находятся в окисленном состоянии, т. е. характеризуются более высокой валентностью. Например, железо в почве может быть трехвалентным (окисленным) и двухвалентным (восстановленным). Минералы трехвалентного железа — гематит, гетит и другие — имеют желтую, красную, коричневую, бурую окраску и легко узнаются при наблюдении почв в природе. Правда, окраска нередко маскируется черным цветом почвенного гумуса, но ниже гумусового горизонта она обычно выражена отчетливо. Если в почвенном воздухе и почвенном растворе много свободного кислорода, то железо преимущественно находится в трехвалентной форме, почвы окрашены в теплые тона.

Такую обстановку, когда в системе есть свободный кислород и яркие минералы трехвалентного железа, в геохимии принято называть окислительной. Конечно, это несколько условный термин, так как одновременно с окислением в почвах происходит, как мы убедились, и восстановление кислорода, однако при наименовании обстановки учитывались именно процессы окисления многих элементов свободным кислородом.

Где же образуются почвы с преобладанием окислительной среды? Очевидно, там, где атмосферный воздух легко проникает в почву, где глубоко залегают грунтовые воды. Это, например, почвы на склонах гор, многие почвы плоских водоразделов и склонов на равнинах. К ним относятся такие распространенные а хорошо изученные почвы, как черноземы, красноземы, каштановые почвы, буроземы, большинство почв пустынь и т. д.

Для обозначения подобных почв были предложены термины: «сухопутно-растительные», «автоморфные», «элювиальные» почвы и т. д. Все это крупные единицы почвенных классификаций. Конечно, у равных авторов имелись и расхождения в классификации почв, но все же большинство почвоведов рассматривает почвы водоразделов и склонов с глубоким залеганием грунтовых вод как некую общность.

В чем же состоит эта общность? Что объединяет, например, столь различные почвы, как красноземы влажных субтропиков и бурые почвы пустынь? Эту общность автор видит в преобладании в таких почвах окислительных условий и предлагает выделять их в первый ряд почв с преобладанием окислительной среды.

Однако местами окислительная среда в почвах отсутствует. Это происходит, например, в понижениях рельефа, где близко к поверхности подходят грунтовые или накапливаются поверхностные воды. Почва здесь состоит из двух фаз — твердой и жидкой, все поры в ней заполнены водой, воздух отсутствует, и, следовательно, свободный кислород может быть только в почвенном растворе. Этого количества обычно не хватает для окисления растительных остатков, и скоро свободный кислород исчезает из почвы. Микробиологическое разложение органических веществ при этом не прекращается, оно только замедляется. Длительная эволюция выработала такие формы микроорганизмов, которые способны окислять органические вещества при отсутствии свободного кислорода. Это анаэробные бактерии, которые отнимают кислород у минеральных соединений и с его помощью окисляют органические вещества. Так, если в почвах имеются соединения трехвалентного железа, то оно служит окислителем и восстанавливается до двухвалентного состояния, а углерод органических веществ при этом окисляется.

Соединения двухвалентного железа имеют зеленую, сизую, синеватую, серую окраску, и поэтому почвы (горизонты), где протекают подобные процессы, приобретают зеленоватый или сизый цвет. Украинские крестьяне давно уже заметили, что почвы болот, глина со дна озер имеют такую окраску. Подобный грунт на Украине именуют глеем. Известный почвовед и лесовод, ученик Докучаева, впоследствии академик украинской Академии наук, Г. Н. Высоцкий использовал в 1905 г. термин «глей» для обозначения восстановительной обстановки в почвах, характеризующейся отсутствием свободного кислорода и миграцией двухвалентного железа. После работ Высоцкого почвоведы стали говорить о глеевой обстановке, глеевых горизонтах, глеевых почвах.

Автору много раз приходилось иметь дело с глеем и глеевой обстановкой. Как это часто бывает, особенно запоминаются первые наблюдения. И хотя прошло уже 40 лет, отлично запомнился тот ясный, жаркий летний день. В широкой болотистой долине реки Ромен Черниговской области я вырыл глубокий шурф в средней, «наиболее типичной» (как нас учили) части мохового болота. Под слоем рыхлого торфа залегала синеватая глина, настоящий глей — и по учебнику Глинки, и по мнению местного колхозника. Скоро отвалы сизого глея уже возвышались по краям шурфа, и я приступил к описанию разреза, брал образцы и пробы вод. Когда я обратил внимание на отвалы, то обнаружил, что они стали пестрыми, так как покрылись ржавыми пятнами. Это, несомненно, были свежеосажденные (еще час тому назад они отсутствовали!) гидроокислы трех валентного железа. Очевидно, в сизой глине под торфяным горизонтом развивалась восстановительная среда и железо находилось в растворимой двухвалентной форме (Fe2+). Когда глей извлекли на поверхность, он подвергся воздействию кислорода воздуха. В результате начались быстрые окислительные реакции, двухвалентное железо окислилось, и сизая глина стала пестрой. Так, буквально на глазах, совершилась природная химическая реакция, следы которой потом приходилось наблюдать и в пустынях Средней Азии, и в далекой Монголии, и в Подмосковье и на Кавказе. Итак, если в горных породах или почвах встречается пестрая окраска (охристые пятна чередуются с сизыми, зелеными, синеватыми), значит, здесь раньше господствовала глеевая обстановка: не было свободного кислорода, железо находилось в подвижной двухвалентной форме.