Роль почвы в ландшафте

1.5.2. Санитарная функция почв.

    В проявлении этой функции намечаются три основных аспекта: первый связан с участием почвенных организмов в деструкции поступающих на поверхность органических остатков. Другой важный аспект санитарной функции – её антисептические свойства, лимитирующие развитие в ней болезнетворных микроорганизмов. И последняя форма проявления этой функции – разрушение почвенными микробами продуктов обмена живых организмов.

1.5.3. Функция защитного и буферного биогеоценотического экрана.

 Сформировавшиеся  в ходе длительной эволюции зональные  типы биогеоценозов отличаются значительной устойчивостью. Это оказывается  возможным благодаря наличию  в них буферных и регуляторных механизмов обратной связи. Данная способность к гомеостатическому регулированию (Шмальгаузен, 1968; Одум, 1975; Фёдоров, Гильманов, 1980; Остроумов, 1986) важна, поскольку обеспечивает поддержание сложившегося функционирования биогеоценозов Земли, что является залогом благополучия биосферы. 
    В настоящий момент, мы можем выделить только формы проявления буферной функции почв, будучи не в состоянии дать её общую объективную характеристику. Тем не менее, не подлежит сомнению, что её роль в жизни биогеоценоза велика. И требует дальнейшего изучения. 
    Одной из форм её проявления является способность почв нивелировать резкие колебания входных потоков вещества и энергии, что весьма существенно, поскольку состав, структура и функционирование биогеоценоза сохраняются при условии, если варьирование этих потоков не выходит за пределы, называемые «пределами толерантности». Примером такого нивелирования может служить сглаживание почвой больших перепадов влажности и температуры в наземном ярусе биогеоценоза. 
    Другим примером проявления буферных способностей почв является защита почвой биогеоценозов от механического разрушения под действием различных факторов (воды, ветра, силы тяжести), что достигается за счёт таких свойств почвы, как способность противостоять водной эрозии, удерживать растения в вертикальном положении, противодействовать распылению мелкозёма. Данные свойства, как правило, хорошо выражены у целинных земель, но часто ухудшаются в результате их обработки. Однако, комплекс мелиоративных мероприятий может не только сохранить эти свойства, но и улучшить их, особенно в случае малопродуктивных почв.

2. Глобальные функции почв.

2.1. Литосферные функции.

Почва – защитный слой и фактор развития литосферы 
Верхняя часть литосферы, граничащая с гидросферой и атмосферой, находится в особых термодинамических и геохимических условиях. На континентах она испытывает разрушающую силу воды и ветра, наиболее интенсивно воздействующие на незащищённые почвенным и растительным покровом дневные горизонты геологических пород. Без почвенно-растительного чехла поверхность литосферы была бы подвержена мощному фронтальному эрозионному воздействию текучих вод. В настоящий период в результате сведения естественной растительности и распашке земель ежегодно с поверхности континентов сносится в конечные водоёмы стока – более 10 млрд. т вещества. Не менее тяжкие потери возникают в результате дефляции, приобретающей бурный, затяжной характер при уничтожении почвенного защитного чехла. 
    Кроме защиты дневных горизонтов каменной оболочки от разрушающего действия ветровой и водной эрозии, почва выполняет не менее существенную функцию, являясь важным условием прогрессивного развития литосферы. Установлено что литосфера Земли значительно отличается от литосфер других планет земной группы. Вследствие полного отсутствия воды на безатмосферных планетах – Луне и Меркурии или наличия её в малых количествах и не в жидкой фазе на Марсе и Венере на этих планетах отсутствует активный круговорот воды в природе. 
    Отсюда крайняя пассивность проявления экзогенных геологических процессов и консервативность орографических элементов (крупные формы рельефа существуют миллиарды лет). Экзогенные процессы не могут подавить эффект метеоритной бомбардировки, поэтому кратерный тип рельефа безраздельно господствует на этих планетах. Ярким примером консервативных эндогенных форм рельефа на Марсе является сохранение вулканов высотой до 20 км. На Земле качественно иное структурно-динамическое состояние литосферы, которая оказалась гораздо более продвинутой в эволюционном плане. Одна из важнейших причин этого – наличие на нашей планете почвенного покрова. 
    Экзогенез на Земле, неразрывно переплетённый с воздействием на литосферу живого вещества и почвообразовательного процесса, выступает и как созидатель, формирующий новые формы рельефа и способствующий образованию целого класса экзогенных соединений, минералов, пород и полезных ископаемых (Таргульян, 1991; Соколов, 1993). 
    Преобразование литосферы Земли благодаря отмеченным особенностям её трансформации отличается глубоким проникновением в её недра! Так если на Марсе осадочный слой прерывист и его мощность измеряется метрами или десятками метров, то на Земле осадочный чехол практически сплошь покрывает кристаллический фундамент земной коры, в ряде мест достигая глубины 20 км. Глубокое преобразование литосферы сложной совокупностью процессов, которое можно назвать биосферизацией каменной оболочки, впервые по-настоящему было оценено В.И. Вернадским, который считал, что земная кора захватывает в пределах нескольких десятков километров ряд геологических оболочек, которые когда то были биосферами. Стратосфера, метаморфическая оболочка (верхняя и нижняя), гранитная оболочка. Это былые биосферы. Значительный вклад вносит почва и в эффект сбалансированности развития литосферы, под которым мы понимаем определённую уравновешенность эндогенных и экзогенных факторов её эволюции. 
    Активность литосферы и наличие атмосферы у Земли нередко объясняется только её геофизическими особенностями, прежде всего достаточной массой Земли, обеспечивающей необходимый запас её внутренней энергии и блокирующей багодаря значительной силе тяжести отлёт в космическое пространство выделяющихся из земной коры газов. Хотя эти причины являются решающими, нельзя упускать из виду  другие существенные факторы, среди которых экзогенный источник энергии подзарядки тектонических процессов литосферы, действующий во многом благодаря почвообразовательному процессу. 

Глобальные функции почв (педосферы).

2.1.1. Биохимическое преобразование верхнего слоя литосферы.

В биохимическом преобразовании верхнего слоя литосферы почва принимает  косвенное и непосредственное участие. Косвенная роль заключается в  том, что без почвы, являющейся основной средой обитания организмов суши, активное биохимическое изменение литосферы было бы, по существу, невозможно, живые организмы и их метаболиты без почвы не представляли бы серьёзного фактора глобального преобразования лика Земли.  
    Непосредственное участие почвы в рассматриваемом процессе – многопланово. Прежде всего, почва – поставщик органических кислот специфической и неспецифической природы, возникающих в процессе гумусообразования. Растворяющей способностью обладает не только ФК, но и гуминовые кислоты (Пономарёва, Плотникова, 1980). 
    Реальность активного изменения пород почвенными кислотами была доказана ещё в XIX веке. В эксперименте Пономарёвой В.В. (1964) была выявлена значительная растворяющая способность ФК при взаимодействии с минералами в течении 100 дней. Отмечалась потеря в весе: для нефелина – 15,3 %, роговой обманки – 5,7 %, апатита – 3,2 %, микроклина – 2,3 %. Другие минералы также растворялись, что проявлялось в увеличении рН растворов. 
    Было выявлено, что растворимость глинистых минералов, особенно монтмореллонита, в ФК выше в три-четыре раза чем в НСl. Растворяющее действие ГК также доказано экспериментально (впервые ещё К.Д. Глинкой, 1927).Раствор гуминовых кислот растворяет фосфат кальция, а в опытах Эйхгорна было установлено, что ГК растворяют фосфорит и соли других минеральных кислот.  В результате проведённых эксперементов Глинка пришёл к выводу, что щелочные растворы гуминовой группы представляют собой энергичный реактив. При действии их на природные алюмосиликаты происходит не только их частичное растворение, но и сложный обмен между не разложенной частью алюмосиликата и минеральным комплексом раствора, причём в обменную реакцию вступают не только силикаты, но и полуторные окислы. 
    Проведённые эксперименты поставили вопрос, почему несмотря на растворяющее действие ГК и ФК (например, в чернозёмах) на алюмосиликатные минералы, последние в природных условиях остаются устойчивыми? В.В. Пономарёва объясняет это тем, что в естественных степных экосистемах ГК образуются из растительных остатков, богатых кальцием, который блокирует функциональные группы ГК с самого начала их образования. 
    Кроме кислот, возникающих при гумусообразовании, важными агентами разрушения и изменения минералов литосферы является попадающие в почву продукты жизнедеятельности обитающих там микроорганизмов. В результате их совместного действия эти агенты оказываются важнейшими факторами мобилизации химических элементов, законсервированных в кристаллических решётках, которые идут на питание различных живых существ биосферы. 
 
К числу важнейших изменений, происходящих в литосфере под воздействием или при участии мобильных продуктов почвообразования, относятся синтез в зоне гипергенеза различных минералов и соединений и концентрация ряда элементов.

2.1.2. Почва – источник вещества для формирования пород и полезных ископаемых.

    Почвенная оболочка, облекая литосферу Земли, оказывается важнейшим источником для формирования в ней минералов, пород и полезных ископаемых. Вся осадочная и метаморфическая оболочки образовались при участии в той или иной степени вещества, испытавшего при участии в той или иной степени вещества, испытавшего отчётливое воздействие почвообразовательного процесса. 
    Мобилизация вещества, основу которой составляет переход соединений, законсервированных в кристаллических решётках, в подвижное состояние, наиболее эффективно осуществляется на территории с развитым почвенным покровом, который при наличии достаточного атмосферного увлажнения оказывается мощной фабрикой по производству исходного материала для пород и полезных ископаемых, как органогенных, так и минеральных. 
    Большинство гипотез и теорий образования органогенных полезных ископаемых прямо указывают на важность процессов исходного накопления органогенного материала на поверхности Земли с последующей его трансформацией в более глубоких слоях. 
Наиболее очевидно участие почвообразования при формировании торфов. Исследования последних лет показали, что вклад почвообразовательных процессов в торфонакопление в действительности оказывается ещё большим, чем это можно было считать до недавнего времени. Влияние почвообразовательных процессов на торфонакопление может обнаруживаться в нескольких формах. Важнейшая из них – стимуляция процесса заболачивания самой почвой вследствие изменения её свойств, при котором создаются предпосылки для накопления избыточных запасов влаги, достаточных для начала болотообразовательных процессов.

Кроме материалов, позволяющих с  определённостью говорить, что почва  является одним из факторов, «запускающих» процесс торфонакопления, существуют факторы и суждения, дающие основание считать, что почвенный профиль, даже будучи покрытым торфяным материалом той или иной мощности, продолжает влиять на скорость роста и состав торфяных горизонтов.  
Прямое и опосредованное участие почвообразования отмечается также и при формировании всей осадочной оболочки. Почвенные процессы задействованы в том или ином виде в формировании всех групп осадочных пород: обломочных, глинистых, аллитных, железистых, марганцевых, фосфатных, карбонатных, кремнистых, солей, клаустобиолитов. Роль живого вещества в создании стратисферы признаётся всё более значимой. Часть горных пород сложена остатками когда то живших на Земле организмов, другая часть является продуктами их метаболизма, наконец третья часть образовалась при активной деструктивной функции живого вещества на стадии гипергенеза (аллиты, соли, обломочные и глинистые породы). 
Кроме источника элементов для построения тел и продуктов метаболизма живых организмов, почва будучи биокостной системой, выполняет и другую важную функцию: переходная фаза для превращения живого вещества в костное. В первую очередь это захоронение живого вещества  в аккумулятивных ландшафтах (Лапо, 1987).  
Оценивая общий вклад почвы в континентальный литогенез, необходимо отметить очевидное влияние тесно взаимосвязанных процессов почво- и коро- образования не только на формирование толщ осадочных пород, но и не менее сильное воздействие данных процессов на плотные породы. Эти породы претерпевают интенсивное воздействие почвообразовательных процессов, с последующим выносом их диспергированного вещества в океан.  В океане, данное вещество включается в морской и океанический седиментогенез через стадию обработки его биофильтраторами.

2.1.3. Передача аккумулированной солнечной энергии и вещества атмосферы в недра Земли.

Хотя участие почв в этом процессе не вызывает сомнения, в настоящий  момент оно изучено недостаточно. Особого внимания заслуживает обмен  энергией и веществами между разными  слоями литосферы.  
    В 1957 г Беловым и Лебедевым было установлено, что атомные структуры основных минералов зоны гипергенеза по сравнению с главными минералами изверженных пород характеризуются повышенными запасами энергии, поскольку они образуются в процессе выветривания (и почвообразования) при эндотермических реакциях с поглощением солнечной энергии. Это важно, поскольку данные минералы составляют основную массу осадочных пород, которые в областях опускания земной коры попадают в глубокие горизонты планеты. Там под воздействием высокого давления и температур их вещество перестраивается в атомные системы с меньшей энергоёмкостью. Выделяемое при этом тепло стимулирует внутренние процессы Земли. 
    Хотя доминирующим источником энергии среди прочих считается радиоактивных распад, однако, как отмечает Криволуцкий А.Е. доля каждого вида энергии пока не может быть определена достаточно точно. Поэтому, следует учитывать все составляющие энергетического баланса Земли, в том числе и вышеуказанный. 
    Рассмотренный Беловым и Лебедевым механизм энергетических процессов может объяснить многие явления в земной коре, например локальность возникновения магматических расплавов, ибо только породы, состаявшие вначале из минералов гипергенного происхождения несут необходимый запас энергии. 
    Кроме того, почва участвует в передаче вещества атмосферы в недра Земли. В процессе почвообразования происходит поглощение газов, которые в составе почвенных соединений поступают потом в осадочные породы. Аккумуляция углерода в стратисфере достигает колоссальных величин. Только органического углерода в фанерозойских отложениях накоплено более 9*10 в 21 степени грамм. Карбонатного углерода содержится в несколько раз больше! Аккумуляция диоксида углерода атмосферы при формировании органического осадочного слоя пород имеет принципиальное значение для поддержания геологической активности планеты и постоянного выделения из недр СО2 и других газов в воздушную оболочку. 
    Это связано с механизмом стимуляции внутриземных эндогенных процессов за счёт передачи в глубинные слои гипергенного вещества, богатого энергией и различными элементами, в частности углеродом. 
    Отмечена положительная связь между активизацией вулканической деятельности и образованием наземных аккумуляцией органики и накопления карбонатных осадочных пород. Это связь двусторонняя: благодаря связыванию и возврату СО2 в недра Земли подновляется глубинный источник диоксида углерода, идущего на пополнение его содержания в атмосфере. Такое пополнение позволяет поддерживать жизнь на Земле и формировать резерв двуокиси углерода. Рассчёты показывают, что при ограничении подвижного резерва двуокиси углерода в система атмосфера – океан – биосфера – карбонатонакопление и жизнь должны были геологически мгновенно исчерпать свои ресурсы (Ронов, 1980).  
    Проанализировав затронутый вопрос, А.Б. Ронов сформулировал геохимический принцип сохранения жизни, отражающей зависимость проявлений живого от динамики литосферы и геологической активности планеты в целом. Жизнь на Земле и других планетах, при прочих равных условиях, возможна лишь до тех пор, пока эти планеты активны и происходит обмен энергией и веществом между их недрами и поверхностью. С энергетической смертью планет неизбежно должна прекратиться и жизнь.

2.2.Гидросферные функции

Гидросфера - жидкая земная оболочка по Э. Зюссу. Скопление поверхностных вод по В.И. Вернадскому. Запасы подземных вод в земной коре – 1,3 на 10 в девятой, что примерно равно воде Мирового океана. Анализируя различные трактовки гидросферы (Алпатьев, Федосеев, Посохов и др.) понимаешь необходимость выделения надземной и подземной гидросферы. Всю водную массу Земли, по-видимому, целесообразно именовать мегагидросферой, или планетарной водной оболочкой (Добровольский, Никитин).   

«Природная вода как бы предназначена  для жизни, и жизнью связана она одна из всех химических соединений. Эта тесная связь воды с жизнью и её исключительное распространение в земной коре, резко отличающие её от всех минералов, не может быть игрою случая: она указывает на закономерность явления, на определённую организованность земной коры. Вода и живое вещество – генетически связанные части этой организованности» (В.И. Вернадский).

2.2.1. Трансформация атмосферных осадков в почвенно-грунтовые и грунтовые воды.

    К грунтовым водам относят подземные воды, расположенные ниже почвенной толщи и дренируемые реками или вскрываемые эрозионной сетью. Если зеркало вод постоянно или временно располагается в пределах почвенного профиля, то их можно выделить в отдельную категорию почвенно-грунтовых вод. 
    Рассматривая влияние почв на формирование грунтовых вод, необходимо обратить внимание на изменение химического состава атмосферных осадков при прохождении их через почвенных профиль. Почвенный покров, тесно соприкасающийся с водой, играет значительную роль в трансформации состава выпадающих атмосферных осадков (О.А. Алекин, 1970). Почвы двояко воздействуют на хим-состав природных вод: 1) формируют первичный состав фильтрующихся через них атмосферных осадков, 2) метаморфизирующий – качественно меняют ионный и газовый состав воды, взаимодействующей с почвой. При этом в обоих случаях состав воды полностью зависит от характера почвы.  
    Изменение газового состава атмосферных осадков при прохождении их через почву связано, прежде всего, с тем, что в ней идут процессы окисления органического вещества… Характер изменения атмосферных осадков при прохождении через почвенный профиль определяется не только генетическими свойствами почв, возникающими в результате почвообразования, но и свойствами, унаследованными от материнских пород, разнообразие которых значительно, а влияние на состав воды различно.  
    Большая часть пород, образованных силикатами и алюмосиликатами, почти не растворима в воде, и только при длительном воздействии воды часть соединений из них переходит в раствор: CaCO3, MgCO3, NaHCO3, KHCO3. Значительно интенсивнее обогащают воду осадочные породы, такие как известняки, доломиты, мергели, гипс, каменная соль (причём обогащают воду ионами). 
При разработке проблемы закономерностей формирования состава грунтовых вод важно установить особенности удаления из почвы ионов при инфильтрации через неё атмосферных осадков. Существующий ряд закономерностей удаления ионов и растворения кристаллических солей, был предложен Алехиным О.А. и Бражниковым Л.В. (1964): 1) легче всего вымываются соли из песчаных почв. Кристаллические соли в грубодисперсных почвах выщелачиваются легче, чем ионы раствора; 2) легче всего вымываются ионы хлора, затем SO4 и HCO3; 3) количества промывной воды и выщелоченных солей не пропорциональны; 4) при промывании плотной засолённой почвы в первой стадии выщелачиваются хлориды, затем воды с преобладанием сульфатов и натрия, далее сульфаты и кальций, и наконец, при падении минерализации снова хлор, сульфат и натрий.  
Необходимо отметить, что грунтовые воды, тесно связанные с почвой по ряду химических показателей, занимают особое место среди других типов природных вод. Для них характерно следующее соотношение главных ионов: HCO3 > SO2 > Cl. В водах с затруднённым водообменом казанное соотношение нарушается, в частности сульфатные анионы играют второстепенные роли или вообще никакой.   
При рассмотрении вопроса трансформации атмосферных осадков в грунтовых водах нельзя обойти вниманием влияние процессов взаимодействия атмосферной влаги с почвогрунтами на изотопный состав подземных вод. Значимость данных процессов была показана в работах Ферронского и Полякова, 1983 и др., которые позволили сделать вывод о случаях изменения изотопного состава метеорной влаги при взаимодействии её с почвой. В частности в некоторых экспериментах  отмечены эффекты обогащения дейтерием инфильтрующихся вод на участках, не покрытых растительностью, по сравнению с участками с равяным покровом. Данное явление в значительной мере связано с испарительной концентрацией изотопов, идущей более активно в случае почв с открытой поверхностью. Факты влияния почвы на изотопный состав грунтовых вод, несомненно, должны послужить стимулом более всестороннего изучения данной проблемы; без чего не могут объективно решаться вопросы генезиса подземной гидросферы. Следует особо подчеркнуть, что формирование изотопного состава подземных вод, идущее в естественных условиях, значительно отличается от аналогичных процессов, протекающих на территориях с антропогенным загрязнением почвенного покрова. Поэтому расшифровка генезиса подземных вод таковых районов по их изотопному составу оказывается особенно сложной. 
    Установлено, что в воздушный океан планеты попадает огромное количество газообразных отходов промышленности, в том числе хлор, соляная и серная кислоты, способные сильно подкислять атмосферные осадки. В результате рН атмосферных осадков во многих районах уменьшился с 5,5-6 до 3-4. В связи с этим усилилось вымывание Са и Mg, К и других хим-элементов из почвы. Кроме того, произошла активация и мобилизация аллюминия, железа и марганца и связывание фосфора (Ковда, 1985, 1990). 
    Такие изменения снижают почвенное плодородие и заставляют дополнительно увеличивать дозировку удобрений и усиливать известкование почв.