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.

---

Может показаться, что различия почв второго (глеевого) и третьего (сульфидного, сероводородного) рядов не столь уж велики — ведь в обоих случаях в почвах преобладает восстановительная среда. Однако это не так. По ряду главнейших показателей глеевая и сероводородная обстановки резко отличаются друг от друга. И прежде всего это касается подвижности металлов. В то время как в глеевой обстановке многие металлы подвижны, образуя легкорастворимые соединения (особенно с органическими кислотами), в сероводородной обстановке большинство металлов малоподвижно и образует нерастворимые сульфиды.

Итак, геохимический анализ сущности почвообразования показал, что по окислительно-восстановительным Условиям почвы разделяются на три основных ряда:

1) почвы с преобладанием окислительной обстановки;

2) почвы с восстановительной глеевой обстановкой;

3) почвы с восстановительной сероводородной обстановкой.

В названии первого ряда подчеркивается преобладание окислительной среды, а не ее абсолютное господство. Бывают периоды, когда в этих почвах развивается восстановительная обстановка (например, весной, когда идут дожди). В почвах нередко встречаются следы оглеения в виде ржавых пятен и полос. Почвоведы называют подобные почвы глееватыми, однако более существенно то, что для этих почв характерен длительный период в течение года, когда в них присутствует свободный кислород и развиваются окислительные процессы.

Типы почв. В пределах рядов наибольшие различия почв часто связаны с гидротермическими условиями — режимом тепла и влаги, т. е. с климатом. В. В. Докучаев, открывший закон почвенной зональности, выделил в 1886 г. несколько единиц почв, размещение которых подчиняется этому закону. Это были светло-серые (северные), серые переходные (лесные), черноземные, каштановые, бурые солонцовые и другие почвы. Дальнейшие исследования позволили выделить много почвенных единиц, связанных с определенными гидротермическими условиями и в своем размещении подчиняющихся зональности (бурые лесные, коричневые, сероземные, красноземные и пр.). Подобные единицы часто именуются типами почв. Обоснованию этого понятия много внимания уделял известный советский ученый, выдающийся географ и картограф почв Л. И. Прасолов (1875—1957). Полный перечень всех типов почв, выделенных советской и зарубежными школами почвоведов, содержится в книге проф. Б. Г. Розанова.

Еще в большей степени, чем на почвы, климат влияет на растительный покров, который также подчиняется закону зональности. Поэтому при выделении типов почв наряду с климатическими показателями часто используются и геоботанические. Еще в 1909 г. основатель почвенной школы Московского университета проф. А. И. Сабанин (1847—1920) предлагал классифицировать почвы по характеру растительного покрова, выделяя почвы вечнозеленолиственного, хвойно-лиственного, широколиственного, лугово-степного типов и т. д.

При этом следует иметь в виду, что и климат, и зависящая от него растительность являются лишь факторами почвообразования, они определяют те биогеохимические процессы (в первую очередь окислительно-восстановительные), которые составляют сущность почвы. Типы почв — это прежде всего типы разложения органических веществ, типы биогенной аккумуляции химических элементов. Необходимо также отметить, что, хотя размещение большинства типов почв подчиняется закону зональности, имеют значение и другие факторы, особенно состав горных пород. Поэтому конкретные границы типов почв на картах часто обусловлены не климатом, а геологическим строением, рельефом и т. д.

Геохимические классы почв. Геохимические критерии позволяют выделить таксономические единицы, более мелкие, чем ряды и типы; автор предложил именовать их классами. Условно принимается, что типы делятся на классы, хотя не исключено и существование промежуточных таксонов (тип—семейство—класс и т. д.).

В основу выделения классов положены два понятия — о типоморфных химических элементах и классах водной миграции. Типоморфными называются такие химические элементы, которые определяют характерные и существенные особенности данной почвы. Это, как правило, элементы, распространенные в земной коре, так как редкие элементы в силу своей ничтожной концентрации не могут играть важной роли при классификации почв. С этой точки зрения кальций может быть типоморфным, а радий нет (сверхредок), натрий типоморфен (его много в горных породах), а цезий нет (очень редок, обычно n · 10-4%). Но одной распространенности еще недостаточно для типоморфности: необходимо, чтобы элемент принимал важное участие в почвенных процессах, т. е. чтобы он поглощался растительностью, давал растворимые соединения и т. д.

Геохимическое своеобразие почв определяется несколькими типоморфными элементами или ионами. Один и тот же элемент типоморфен в одной почве и не типоморфен в другой. Например, железо типоморфно в почвах тундр и таежных болот и не типоморфно в почвах степей.

Из всех подвижных элементов типоморфными являются элементы, обладающие наибольшей миграционной способностью и накапливающиеся в данной почве. Остальные подвижные элементы приобретают как бы подчиненное значение. Так, в солончаках помимо солей натрия содержатся и соли кальция (кальцит и гипс), однако они не играют такой существенной роли, как более растворимые соли натрия. Поэтому в солончаках типоморфны натрий, сера, хлор, но не кальции. В черноземах, где солей натрия обычно мало, соли кальция начинают оказывать существенное влияние на почву, т. е. кальций становится типоморфным элементом. Менее подвижные кремний и алюминий имеют в данной почве второстепенное значение. Во влажных тропиках, где кальций почти нацело удален из почвы, типоморфны водородный ион и алюминий.

Это позволило сформулировать принцип подвижных компонентов, который применительно к почвам состоит в следующем: роль элемента в почве определяется его содержанием в ней и интенсивностью миграции.

При выделении классов почв большое значение приобретают кислотность и щелочность среды, так как условия миграции большинства химических элементов зависят от актуальной реакции природных вод, которая измеряется pH. Многие химические элементы, образующие катионы (катионогенные), легко мигрируют в кислых водах и хуже — в щелочных. К этой группе относятся преимущественно металлы — железо, медь, никель, кобальт и т. д. Химические элементы, образующие анионы (анионогенные), напротив, лучше мигрируют в щелочных водах, чем в кислых. Это неметаллы и часть металлов. Некоторые элементы в зависимости от степени окисления и pH могут быть и в катионной, и в анионной форме (например, цинк, алюминий, уран, молибден). Миграция части элементов практически не зависит от pH, так как они образуют очень легкорастворимые соединения, подвижные в водах любого состава (Na, Cl и др.). По кислотно-щелочным условиям почвенные воды разделяются на четыре основные группы.

К сильнокислым относятся воды с pH < 3. Такая кислотность обычно обязана окислению пирита и других сульфидов, приводящему к образованию свободной серной кислоты. В сернокислых водах легко мигрирует большинство металлов, в том числе железо, алюминий, медь, цинк и т. д. Типоморфным в таких водах является водородный ион (Н+), иногда железо, медь, цинк и другие металлы. Сильнокислые почвы известны на участках окисляющихся сульфидных руд, в дельтах некоторых рек.

Кислыми и слабокислыми являются воды, pH которых колеблется от 3 до 6,5. Их кислотность обусловлена процессами разложения органических веществ и поступлением в воды угольной кислоты, фульвокислот и других органических кислот. Если в почвах мало катионов, то кислотность не может быть полностью нейтрализована и в почве господствует кислая среда. В таких почвах легко мигрируют металлы в форме бикарбонатов и комплексных соединений с органическими кислотами. Кислые и слабокислые почвы исключительно широко распространены в лесных ландшафтах влажного климата и в тундре. Типоморфным здесь является водородный ион, местами также Fe2+.

Нейтральные и слабощелочные воды имеют pH 6,5—8,5, их реакция определяется отношением бикарбоната кальция к его карбонату или же бикарбоната к CO2. Эта обстановка менее благоприятна для миграции большинства металлов, которые здесь осаждаются в форме нерастворимых гидроокислов, карбонатов и других солей. Анионогенные элементы, напротив, мигрируют сравнительно легко (молибден, селен, уран и т. д.). Такие почвы характерны для аридных ландшафтов и районов распространения известняков во влажном климате.

При разложении органических веществ здесь тоже образуются угольная и органическая кислоты, но они полностью нейтрализуются CaCO3 и другими минералами кальция, а также магния, натрия, калия, которыми богаты почвы и породы. Типоморфными являются (в разных почвах) кальций, натрий, хлор, сера.