Александр Перельман - Биокосные системы Земли

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 CO 2, СН 4, NH 3и другими газами. Почвенные растворы, насыщаясь CO 2, 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 — А 0, A 1, А 2, В 1, В 2, В 3и 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!

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 — CO 2, H 2O, солей фосфорной, серной и других кислот. Главный окислитель — свободный кислород — при этом восстанавливается [6] Напомним, что в химии окислением называется процесс отдачи электронов, а восстановлением — их приобретение. Свободный кислород, окислив углерод, водород, серу и другие элементы, приобрел электроны, следовательно, восстановился. . 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.