Биогеохимический цикл фосфора
Круговорот фосфора в природе отличается от циклов других элементов, так как газовая форма соединений фосфора (например, РН3) не участвует в биогеохимическом цикле фосфора. Фосфор в виде фосфатных ионов (РО43-) и (НРО42-) является важным питательным элементом для растений и животных. Он входит в молекулы ДНК, несущих генетическую информацию, молекул АТФ и АДФ, запасающих необходимую для клеточного дыхания химическую энергию. Фосфор также входит в молекулы жиров, образующих клеточные мембраны, и в состав костей и зубов животных.
Рис. 7.6. Схема круговорота фосфора
Главная роль в цикле фосфора принадлежит живому веществу и таким процессам, как питание, размножение, передвижение. Для растений наиболее доступным является фосфор неспецифических органических соединений и гумуса, именно он играет главную роль в малом биологическом цикле (рис. 7.6).
В почвах и породах широко распространено явление фиксации фосфора. Фиксаторами фосфора являются гидрооксиды железа, марганца, алюминия. Миграция фосфора возможна за счет водной и ветровой эрозии. Цикл фосфора менее замкнут и менее обратим, чем циклы углерода и азота, а загрязнение окружающей среды фосфором особенно чувствительны.
Фосфор высвобождается при медленном разрушении фосфатных руд, растворяется почвенной влагой и поглощается корнями растений. Часть фосфора возвращается на сушу в виде гуано – обогащенной фосфором органической массы экскрементов питающихся рыбой птиц. Фосфатные соединения плохо растворяются в воде. Во многих почвах и водных экосистемах содержание фосфора является лимитирующим фактором роста растений.
Фосфатные удобрения являются важным звеном в получении урожаев сельскохозяйственных культур. Известные ныне запасы месторождений фосфатов, апатитов ограничены и истощатся примерно через 70 лет.Избыток фосфат-ионов способствует взрывному росту синезеленых водорослей, что нарушает жизненное равновесие в водных экосистемах. Увеличивается содержание фосфора в окружающей среде больших городов.
Биогеохимический цикл серы
Сера является одним из элементов, играющих важную роль в круговороте веществ биосферы. Сера определяет важные биохимические процессы живой клетки, является компонентов питания растений и микрофлоры. Соединения серы участвуют в формировании химического состава почвы, в значительных количествах находится в подземных водах. Сера циркулирует в экосфере в виде различных соединений.
Рис. 7.7. Схема круговорота серы
Из природных источников сера попадает в атмосферу в виде сероводорода – ядовитого газа – при извержении вулканов, при разложении органики в болотах, а также в виде диоксида серы (удушливый газ) при извержении вулканов. Подавляющая часть соединений серы попадает в атмосферу в результате технологических процессов (переработка нефти, выплавка металлов).
Промышленные процессы и перевозка уносят в атмосферу большое количество серы. Присутствие в воздухе диоксида серы поражает как высшие растения, так и лишайники. Биогеохимический цикл серы состоит из четырех стадий (рис. 7.7).
1.Усвоение минеральных соединений серы живыми организмами и включение серы в состав белков и аминокислот.
2.Превращение органической серы живыми организмами – животными и бактериями в конечный продукт Н2S.
3.Окисление минеральной серы серобактериями и тионовыми бактериями. На этой стадии происходит окисление сероводорода, элементарной серы и её соединений.
4. Восстановление минеральной серы бактериями до Н2S.
Под тонким деликатным слоем почвынаходится
такая же безжизненная планета, как и Луна.
Дж. Джексон
ГЛАВА 8. Биокосные системы
Почва и её структура
В 1944 г. В.И. Вернадский впервые вводит в учение о биосфере определение биокосной системы. Биокосные системы состоят из живого и косного вещества, но их отличительные особенности определяются, в первую очередь, именно жизнью.
В конце ХIХ столетия Вас. Вас. Докучаев в труде «Русский чернозем» определил почвы как новый класс природных систем, в которых живые организмы и неорганическая материя тесно между собой связаны и образуют единое целое – почвы. Он впервые сформулировал представление о почвенном покрове Земли как особой ее поверхностной оболочке, состоящей из разных почвенных зон. Он сформулировал Закон мировой зональности почв: распространение почв на земле подчиняется в общих чертах закону широтной зональности и каждой природной зоне соответствует свой тип почвы.
Почва – это органоминеральное образование верхнего горизонта литосферы, являющееся результатом воздействия живых организмов на минеральный субстрат и разложения мертвых организмов при одновременном влиянии климата и рельефа.Открытие В. Докучаева привело к развитию новой науки – почвоведения. В дальнейшем Докучаев открыл еще один класс подобных систем – ландшафт.
Почвоведение – это наука о почве, её строении, составе, свойствах и географическом распространении, закономерностях происхождения, развития, функционировании и роли в природе, путях и методах мелиорации, охраны и рационального использования.
Развивая идеи Докучаева, В.И. Вернадский (1863–1945) сформулировал понятие о биокосных системах. «Биокосные естественные тела характерны для биосферы. Это закономерные структуры, состоящие из косных и живых тел одновременно (например, почвы)».
По степени сложности, размерам и уровням организации биокосные системы образуют определенную иерархию. К более низкому уровню относятся почвы, илы, кора выветривания и водоносные горизонты, к более высокому – ландшафты, к еще более высокому – биосфера в целом. Все биокосные системы богаты свободной энергией, неравновесны и в них осуществляются круговороты химических элементов.В.И. Вернадский также ввел в обиход термин педосферакак понятие о тонком слое почв среди других геосфер.
В отличие от других геосфер, обладающих большой мощностью, измеряемой десятками и сотнями километров, педосфера представляет собой тончайшую оболочку, буквально пленку на поверхности земной суши толщиной всего один–два метра.Несмотря на ничтожную толщину, эта сфера играет незаменимую экологическую роль в функционировании биосферы, а следовательно, и в жизни человека.С древнейших времен земля является основой существования человеческого общества. Верхняя часть земной коры сложена в основном осадочными породами, корой выветривания, почвой и илом.
Почва представляет собой сложную смесь из неорганических (минеральных) и органических материалов. В сельскохозяйственных почвах органическая часть веществ составляет от 1 до 5%, в лесных – более 10%. Минеральные частицы почвы состоят из песка, алеврита и глин.В конечном счете, все, что содержится в любой пище, получается из растений. Для роста растений кроме солнечного света нужна почва. Почва обеспечивает создание биомассы растений.
Рис. 8.1. Структура почвы
Типичная почва включает несколько слоев или горизонтов (рис. 8.1). Самый верхний слой состоит из свежего опада. Средний слой из полуразложившихся листьев. Он пронизан нитями (гифами) грибов, которые разлагают отмершую растительность, переводят питательные вещества в форму, доступную растениям. В этом слое наблюдается максимальное скопление организмов. В процессе накопления масса листьев, погибших растений и животных подвергается действию бактерий и частично разлагается. Верхний гумусовый горизонт А образован разложившимися остатками растений и тканей животных, содержит много микроорганизмов и других живых существ, включая насекомых, червей, землероек, способствующих аэрации почвы. Этот слой имеет темный цвет и содержит до 15% по массе разложившегося органического вещества – гумуса. Ниже залегает более плотный слой, образованный минеральными частицами и содержащий органические вещества, переработанные редуцентами, а также вещества, вымытые из слоя А.
На поверхность почвы опадают отмершие части растений, а в почве остаются погибшие их корни.Считается, что масса корней травянистых растений равна зеленой массе. Общая длина корней ржи вместе с корневыми волосками составляет 11 тыс. км, а их поверхность 630 кв. м.
В лиственном лесу ежегодный опад (листья, ветки, кора, хвоя) составляет до 9 т/га. Если бы отмершая растительность не перерабатывалась, то через 100 лет поверхность Земли покрылась продуктами опада, а жизнь прекратилась из-за истощения минеральных ресурсов.Отмершие части растений содержат питательные вещества, усвоенные ими при жизни. Этими веществами могут воспользоваться другие растения, но только в том случае, если остатки сгниют, а микроорганизмы их сделают снова доступными для нового поколения растений. Таким образом, благодаря участию всех почвенных организмов запасенные в растениях минеральные вещества включаются в биотический круговорот. Академик В.Р.Вильямс сказал: «Единственный способ придать ограниченному количеству вещества свойство бесконечности – это заставить его вращаться по замкнутой кривой».
Почвообразование подразделяется на ряд стадий. Вначале на горной породе поселяется примитивная растительность – лишайники и мхи. По мере накопления мелкозема и перегноя появляется все более развитая растительность, которая способствует дальнейшему разрушению горной породы. На следующей стадии формируется полный профиль почвы с характерным набором слоев (горизонтов).
Обитатели почвы. Среди живых организмов в количественном отношении преобладают формы, стоящие на относительно низком уровне эволюционного развития. Микроорганизмы практически управляют всей биосферой, используя поток солнечной и химической энергии. Все многоклеточные организмы – это лишь небольшая надстройка над миром микроорганизмов. Человек – это один из огромного множества организмов в этой надстройке.
Почва – это большой густонаселенный мир. В ней живут разнообразные организмы – бактерии, грибы, актиномицеты, водоросли, простейшие, черви и насекомые. Количество их огромно. На 1 кв. м верхнего слоя почвы обитает до 1,5 биллионов простейших и до 20 млн нематод. В 1 г почвы содержится десятки миллиардов бактерий (рис. 8.2).Сотнями тысяч исчисляются коловратки, клещи, тысячами насекомые и дождевые черви.Ч.Дарвин сравнивал червей с плугом. Черви буквально перепахивают почву. Под 1 кв. м почвы длина ходов червей превышает 1 км. За 10 лет весь гумусовый слой луга проходит через кишечник червей.
Рис. 8.2. Распределение по профилю подзолистой почвы (а) и чернозема (б) микроорганизмов (1) и органики (2)
Почва пронизана гифами грибов. В 1 г лесной почвы длина гифов достигает 2 км. Грибы снабжают корни растений водой, витаминами, минеральными солями, гормональными веществами. Грибы выделяют антибиотики и защищают растения от поражения корневыми болезнями. Некоторые растения не могут жить без грибов: дуб и сосна. Грибы и актиномицеты эффективно разлагают древесину. Грибной запах почвы придают именно актиномицеты, а не грибы. На долю бактерий, грибов и актиномицетов приходится до 90% всех разрушительных и минерализующих процессов в почве.
Гумус и гуминовые вещества
Гумус не следует принимать за перегной, который представляет собой полуразложившиеся остатки организмов и растений. В состав перегноя входят также микроорганизмы, грибы, низшие животные и растения. Для образования гумуса необходимо, чтобы органические остатки в результате биохимических реакций превратились в темноокрашенные высокомолекулярные гуминовые соединения. В процессе образования гумус смешивается с частицами почвы, которая приобретает легкую пористую структуру, хорошо удерживающую воду.
Для образования гумусового слоя требуется несколько тысячелетий. Гумус играет роль резервуара для воды и питательных веществ, которые постепенно высвобождаются в форме, доступной для поглощения растениями.
Термин «гуминовые вещества» объединяет сложную группу устойчивых к разложению органических материалов. Гуминовые вещества классифицируют по их растворимости: образец почвы экстрагируют водным раствором сильного основания и отделяют почву от раствора фильтрованием. Гуминовые кислоты – это органическая фракция, которая осаждается при подкислении полученного раствора. Фульвокислоты – это органическая фракция, которая остается в растворе после его подкисления. Гуминовые вещества известны свыше 100 лет, но их структура и свойства исследуются до настоящего времени. Они содержат в среднем 50% углерода, 35% кислорода, 5% водорода и 3% азота (рис. 8.3).
Рис. 8.3. Структурная формулагуминовых кислот
Анализ гуминовых веществ из разных географических мест по всему миру свидетельствует, что во всех образцах присутствуют одни и те же функциональные группы.Анализ методом инфракрасной спектроскопии показывает, что в гуминовых веществах присутствуют карбоксильные, фенольные гидроксильные, алифатические гидроксильные и карбонильные функциональные группы.
Гуминовые вещества – это первая ступень в длительном процессе образования нефти и углей из органического вещества. Органический углерод рассеян и присутствует во всех осадочных породах. Его средняя концентрация составляет 0,6%. Об их «родстве» говорит общность химического состава.
Свойства почвы зависят от состава и соотношения твердой, жидкой, газообразной и живой её частей. Важнейшим свойством почвы является наличие плодородия – способности обеспечивать рост и развитие растений, обеспечивать их необходимыми питательными веществами. Почва сохраняет плодородие до тех пор, пока населена многочисленными живыми организмами, участвующими в процессе гумификации. Высоким плодородием обладают черноземы.В.В. Докучаев, анализируя причины потери почвенного плодородия, писал: «Чернозем, взятый не из-под плуга, а в девственной степи, отличается зернистой структурой и представляет собой губку, пронизанную мельчайшими порами и пропускающую через себя воздух и воду. В такой структуре чернозема его главное достоинство».
С гумусом могут взаимодействовать такие антропогенные вещества, как пестициды и продукты их разложения. Такой водорастворимый гумус, как фульвокислоты, может образовывать комплексы с органическими пестицидами на поверхности почвы. Последующая фильтрация воды переносит комплексы внутрь почвы. По этой причине пестициды легко мигрируют.
Одним из наиболее важных процессов, происходящих с участием гуминовых кислот, является связывание ионов металлов. Вследствие того, что гумус содержит карбоксильные и фенольные группы, легко ионизирующиеся с выделением катиона Н+, почвенный гумус заряжен отрицательно и действует как катионообменник. Катионообменная емкость (КОЕ) является мерой ионообменной способности почвы. Для сельскохозяйственных почв КОЕ изменяется в пределах от 10 до 30 смоль/кг.Когда корни растений высвобождают в почву диоксид углерода, находящиеся в почве ионы кальция, магния и калия выделяются, а их место в почве занимает ион водорода. Выделившиеся катионы кальция, магния и калия становятся доступными для корней растений.
Экологические функции почвы
Плодородие – это интегральная экологическая функция почвы, обеспечивающая формирование биомассы растений.Уникальность почвы как среды обитания жизни проявляется в том, что в почве и на почве живет 92% от числа всех известных на Земле видов растений и животных. В одном грамме почвы может находиться до нескольких миллиардов бактерий, сотни метров грибных гифов, сотни тысяч одноклеточных простейших животных, и многие тысячи метров тонких корней и корневых волосков растений.
Почвы, как связующее звено большого геологического и малогобиологического круговоротов веществ на Земле. Именно в почвах совершается двусторонний процесс деструкции органических и минеральных веществ, синтезированных растениями и животными, в тоже время – возвращение содержавшихся в них химических элементов вновь в состав живого вещества, в новые циклы жизни.
Почвенное плодородие или, в более широком смысле, биологическая продуктивность почв. Несмотря на ничтожно малую толщину почвенного покрова Земли, представляющего собой тончайшую пленку на ее поверхности, именно эта пленка является биологически самой продуктивной частью биосферы. Биомасса суши, неразрывно связанная с ее почвенным покровом, составляет более 99% всей биомассы Земли.
Информационные функции почв представлены не только гидротермическим регуляторным воздействием на весь ритм жизни растений, почвенных животных и микроорганизмов, а также особой способностью почв «записывать и запоминать» историю своего генезиса, историю изменений природных и антропогенных условий.
Почва выполняет множество функций, которые можно сгруппировать следующим образом.
Гидросферные функции:
1. Трансформация поверхностных вод в грунтовые.
2. Формирование речного стока и влияние на биопродуктивность водоемов.
3. Сорбционный барьер, защищающий акватории от загрязнений.
Атмосферные функции:
1. Поглощение и отражение солнечной радиации.
2. Регулирование влагооборота атмосферы.
3. Регулирование газового режима атмосферы.
Литосферные функции:
1. Биохимическое преобразование верхних слоев литосферы.
2. Защита литосферы от чрезмерной эрозии.
3. Источник вещества для образования минералов и полезных ископаемых.
Общебиосферные функции:
1. Среда обитания и фактор биологической эволюции.
2. Аккумулятор вещества и энергии для организмов.
3. Связующее звено биологического и геологического круговоротов.
Этносферные и социосферные функции:
1. Фактор этнической мозаичности антропосферы (Л.Н. Гумилев).
2. Фактор существования и динамики этносферы и социосферы.
3. Формирование полезных ископаемых и энергетических ресурсов, используемых этносами.
4.Место для поселений, промышленных и дорожных объектов.
Понимание экологических функций почвы, как незаменимого компонента биосферы, должно формировать правильное взаимодействие общества и природы, а также новые подходы к охране почвенных ресурсов.