Роль почвы в ландшафте

2.2.2. Участие почвы в формировании речного стока и водного баланса.

    Данная гидрологическая функция почвы имеет многоплановое проявление и определяется рядом факторов, среди которых первостепенное значение имеют водно-физические свойства почвы.

Теоретическое обобщение зависимости  элементов водного баланса от водно-физических свойств почв было осуществлено М.И. Львовичем (1974, 1986). Им были выявлены случаи, когда инфильтрационная и водоудерживающая способность почв изменялись параллельно (одновременно возрастают или уменьшаются). При малых значениях фильтрационных и водоудерживающих показателей основная масса осадков расходуется на поверхностный сток; питание подземных вод очень слабое, а испарение с поверхности почв отсутствует или незначительно.  Полный речной сток почти равен величине атмосферных осадков, в период между паводками реки сильно пересыхают, поскольку питание за счёт подземных вод оказывается незначительным. При больших значениях фильтрационных и водоудерживающих показателей почв величины и соотношения элементов водного баланса сильно изменяются. Поверхностный сток уменьшается, испарение увеличивается за счёт образовавшихся ресурсов почвенной влаги, питание рек подземными водами возрастает.

Более широко в природе распространено иное соотношение основных водно-физических свойств почв: при увеличении инфильтрационных показателей почв происходит уменьшение их водоудерживающей способности. В этом случае поверхностный сток резко уменьшается, а подземный, напротив, сильно возрастает. Испарение достигает максимума при средних значениях водно-физических свойств почв и мало при их крайних значениях. Полный речной сток измеряется наоборот: он снижается до минимума при средних значениях водно-физических свойств почв и возрастает при крайних значениях. Указанные изменения водного баланса рассмотрены для вариантов с одинаковыми атмосферными осадками.

Первый тип зависимости наблюдается  в основном при улучшении структуры  почвы и одновременном увеличении её водопрочности, что характерно для  суглинистых и глинистых почв; второй тип зависимости может  быть при увеличении размерности  частиц, когда инфильтрационная способность почвы растёт, а водоудерживающая падает. Такое явление отмечается у лёгких по гран-составу почв (по Назарову, 1981, 1990). Выявлены существенные различия в поверхностном стоке в случае почв разных генетических типов.  
    Следует, однако, помнить, что не всегда можно экстраполировать выводы, полученные в условиях опыта, на реальные почвы. Так, вывод о хорошей водопроницаемости типичных чернозёмов приложим лишь к их слабоизменённым разновидностям. В зависимости от конкретных свойств почв структура стока может существенно изменяться. Так, в лесной зоне на суглинистых почвах поверхностный сток больше, чем на песчаных: на лугу в 2,5 раза, в лесу почти в 20 раз.  
    Почва принимает непосредственное участие в формировании водного баланса Земли. По М.И. Львовичу, основные элементы водного баланса таковы (%) – осадки над Мировым океаном – 79,2, осадки над сушей – 20,8, испарение с поверхности Мирового океана – 86,2, испарение с поверхности суши – 13,8, речной сток – 7,0. Общее количество осадков за длительный период равно суммарному испарению и составляет в среднем 525 тыс. км в год, причём почвенное звено в значительной степени определят процессы испарения с поверхности суши. Возобновление запасов в почвенном звене происходит достаточно быстро – в течение года. В критические периоды в жизни растений эти запасы – единственный доступный источник влаги (Будыко, 1977).  
    Почва в значительной мере определяет и баланс подземных вод: инфильтрационные, седиментационные (зоны морских осадков), возрождённые (термодинамические зоны) и магматические (Киссин И.Г.).  
    Следует отметить, что оптимизация водного баланса оказывается одной из сложнейших проблем, поскольку положительные эффекты от каких-либо мероприятий нередко сопряжены с побочными нежелательными последствиями. Особое место среди приёмов оптимизации водного баланса занимает сохранение естественной растительности, прежде всего лесов. Ещё несколько сотен лет назад общая площадь лесов достигала 7200 млн га, а в середине нашего века она не более 4100 млн га. При увеличении лесопокрытия водосборов рек на 10% средний годовой слой стока с них возрастает на 10-15 см.

2.2.3. Почва как фактор биопродуктивности водоёмов

(за счёт приносимых почвенных  соединений).

    Эта функция является логическим следствием воздействия почвенного покрова на химический состав поверхностных и грунтовых вод, питающих реки, а через них и другие акватории, в том числе моря и океаны.    В результате привноса почвенных соединений водоёмы получают большие количества биофильных макро- и микроэлементов, а также гумуса. Пример: воды Невы приносят в Балтийское море ежегодно около 2 млн т органического вещества (В.В. Пономарёва, 1964). 
    Ежегодный ионный речной сток в Мировой океан, формирующийся при существенном участии почвенных соединений. Составляет около 3,1 на 10 в 9-й степени, что примерно равно 63% от годового поступления в океан. По подсчётам Б.Б. Полынова (1956) до 95% кальция, 50% магния, 30% калия, мобилизованных в почвах и корах выветривания при разрушинии первичных пород, извлекаются из растворов при их попадании в моря и океаны, причём это извлечение происходит главным образом при участии организмов. Кроме того, активно извлекается кремний, фосфор и другие элементы. 
    Громадные массы морских животных строят свои скелеты, раковины и панцири из углекислого кальция. Из их отложений слагаются субаквальные толщи. Не случайно именно в зоне контакта морских и речных вод, наблюдаются зоны наиболее высокой биологической продуктивности акваторий. На суше же, ландшафтами наиболее высокой продуктивности оказываются «земноводные» поймы, где частично перехватываются соединения, поступившие с водораздельных почв на пути их миграции в моря и океаны. В умеренном поясе на заливных лугах объём биологического круговорота элементов может составлять величину, превышающую 1000 кг/га (Добровольский, 1968). Речные долины отличаются не только большим потоком элементов, проходящих через фитоценоз, но и их значительной миграцией в зооценозах пойменных экосистем. 
    В условиях слабо измененных человеческой деятельностью регионов большая часть веществ, растворённых в водах, поступила в водоёмы из природных геохимических потоков и формы этих соединений сформировались в результате естественных процессов.  
    Современные же почвы регионов интенсивного антропогенного воздействия стали во многих случаях иначе или даже принципиально по-другому влиять на продукционный процесс в водоёмах. Если в доиндустриальный период почвы выступали как фактор положительного воздействия на продуктивный процесс в аквасистемах, то в техногенный этап развития общества ситуация изменилась. Соединения, поступающие в водоёмы из почв, в первую очередь освоенных, стали весьма часто негативно воздействовать на биологическую продуктивность гидросферы. Главная причина этого – загрязнение водоёмов вследствие техногенного и сельскохозяйственного загрязнения почв. 
    Среди наиболее негативных последствий данного процесса – упрощение структуры биологической продукции и снижение видового состава обитателей водоёмов при их значительном загрязнении агрохимикатами, вынесенными из почвы. 

2.2.4. Сорбционный защищающий от загрязнения барьер акваторий.

    Основное проявление защитной функции почв заключается в том, что почва благодаря своей огромной активной поверхности в состоянии поглощать многие вредные соединения на пути их миграции в водные экосистемы, а также снижать избыточное поступление биофильных элементов. Эта роль почв чрезвычайна важна, потому что, например радиоактивные изотопы из водной среды поглощаются организмами гораздо активнее, чем из почвы, что может привести к быстрому нарушению в них обмена веществ. Коэффициенты накопления большинства радиоизотопов у пресноводных растений достигают десятка тысяч, тогда как у наземных растений они обычно меньше единицы. 
    Это наглядный пример того, что почва представляет собой сильный природный сорбент, благодаря чему оказывается мощным барьером для элементов и соединений на пути их миграции в водоёмы стока. Сорбционная сила почв настолько велика, что химические элементы могут поглощаться из недонасыщенных растворов, из которых самостоятельные минералы многих элементов образоваться не могут. Поэтому для ряда редких элементов (рубидия, цезия и т.д.) сорбция фактически единственный механизм концентрации (Перельман, 1977, Перельман, Касимов, 2000). 
    Возможности сорбционной функции почв, к сожалению, не беспредельны. В настоящее время, в связи с возросшей антропагенной нагрузкой, почва не справляется со своей функцией и в речные воды и водоёмы поступают избыточные количества многих соединений. По данным Ковды В.А. (1985) во многих странах,  водные экосистемы стали страдать от того, что в них попадают органические отходы. В результате возникает явление эвтрофикации водоёмов: острый дефицит растворённого кислорода, избыточное минеральное и азотное питание водорослей и микроорганизмов, денитрофикация, десульфирование с образованием сероводорода, метана, этилена, гибель рыбы и других животных, заболевание людей и животных в случае потребления загрязненной воды. 
    Особенно губительна эвтрофикация вызванная нерациональным применением фосфорных удобрений. Данный процесс происходит на фоне ограниченных запасов фосфатов, основные залежи которых могут истощиться за 75-100 лет. Как отметил Э. Деви, фосфор слишком драгоценен, чтобы отдавать его на «съедение» синезелёным водорослям. 
    Выброс во внешнюю среду отходов и нерациональное использование ядохимикатов опасны не только для водоёмов. Почвы, загрязнённые вредными веществами становятся непригодными для сельскохозяйственного использования. Чаще всего в связи с загрязнением рек страдают пойменные почвы. На сорбционных почвенных барьерах в десятки раз увеличивается содержание различных концерогенных соединений и тяжёлых металлов. В верхней части профиля в гидроморфных условиях часто аккумулируется свинец. Часть свинца вступает в биокруговорот и может вредить растениям. 
    Пребывание в почве сорбированных ею элементов нередко измеряется годами, десятилетиями и более продолжительными отрезками времени. Так под Хиросимой и Ногасаки почвы до сих пор содержат повышенное количество продуктов радиоактивного распада. 
    Почва выполняет также важную роль сорбционного защитного экрана от загрязнения подземных вод. Известны случаи, когда при фильтрации сточных вод до 95% загрязнителей задерживалось в верхнем 30 см слое почвы, отличающейся значительной величиной удельной поверхности. 
    Однако не все почвы обладают таким высоким сорбционным эффектом.  
    Таким образом, можно сделать вывод, что почвенная и прилегающая к ней грунтовая толщи, хотя и имеют исключительное значение для защиты подземных вод, далеко не всегда могут успешно осуществлять эту функцию, в связи, с чем необходимо установление уровня защищённости подземных вод от загрязнения.

2.3. Атмосферные функции почв.

2.3.1. Почва как фактор формирования и эволюции газового состава атмосферы.

    Среди атмосферных функций почвы выделяется её влияние на формирование газового состава атмосферы, как прямое, так и опосредованное. Первое воздействие заключено в самом газообмене между почвой и воздушной оболочкой. Второе, определяется прежде всего зависимостью от почв функционирования наземных биогеоценозов, контролирующих многие параметры атмосферы (содержание кислорода, углекислого газа, микрогазов и др.). 
    В настоящее время признано, что практически вся геологическая история тесно переплетена с историей жизни на Земле и что даже в самых древних породах присутствуют следы жизнедеятельности живых организмов в их микроскопических формах (Заварзин, 1984). Таким образом, не только в океане, но и на суше абиогенная стадия длилась недолго в геологическом времени. Заселённость суши живыми организмами исчисляется миллиардами лет и такой же древний возраст имеют первые примитивные почвы (Добровольский, Никитин, 2006). 
    Существует два относительно самостоятельных аспекта влияния почвы на формирование состава атмосферы: воздействие почвы на атмосферу в течение истории её развития и современное влияние почвы на воздушную оболочку. 
    В настоящее время исследователи полагают, что в истории атмосферы выделяются три этапа (Будыко и др., 1985). Первый приурочен к началу докембрия, когда существовала первичная атмосфера и стала формировать вторичная воздушная оболочка. Первичная атмосфера, по видимому, образовалась из газово-пылевого облака – источника вещества для построения Солнечной системы. Вторичная атмосфера возникла из газов, попавших в неё в результате дегазации верхней мантии и земной коры. Она состояла в основном из углекислого газа и паров воды, а также небольшого количества азота и водорода (Walker, 1977). Второй этап включал в себя основную часть докембрия – до начала фанерозоя. Во время второго этапа, около 2 млрд. лет назад произошла смена бескислородной атмосферы на кислородную (Будыко и др., 1985). Третий этап относится к фанерозою – от кембрия до наших дней. Это время активного включения почвообразования во взаимодействие с атмосферными процессами. Его датируют примерно началом силура, когда происходит массовое заселение суши сосудистыми растениями. Однако, как уже говорилось, нет основания связывать генезис почв с участием в их формировании высших растений. Есть все причины полагать, что примитивное почвообразование и примитивные почвы (протопочвы) были широко распространены на Земле ранее (Ковда, 1985,; Добровольский, Никитин, 2006). Такое заключение подтверждается фактами обнаружения следов биологической активности в достаточно древних осадочных породах (осадочные породы Исуа, Гренландия, 3,8 млрд. лет; кремни Варавууна, Австралия, 3,5 млрд. лет). 
    Факты присутствия микроорганизмов в древнейших геологических слоях позволили говорить об их крупнейшем вкладе в биологизацию Земли и качественном изменении атмосферы (Заварзин, 1984; Будыко и др., 1985; и др.). Сегодня, уже очевидно, что эти микроорганизмы были, как правило, компонентом почв или педосистем (Никитин, 1980), следовательно, их воздействие на атмосферу не может быть принято достаточно полно без учёта взаимодействия с газовой оболочкой всей почвенной системы. 
    Комплекс почвенных микроорганизмов отличается по двум важнейшим показателям: общему количеству микроорганизмов и их видовому разнообразию. По микробному разнообразию почва – самая богатая среда обитания по сравнению с другими естественными средами, такими, как природные воды, геологические отложения, силос, рубец жвачных животных, кишечник, молочные продукты и др. (Звягинцев, 1987). 
    Помимо этого, почва оказывается влагопроводящим и воздухоносным телом, как правило, с быстрым отведением водорастворимых метаболитов и высокой скоростью газообмена с нижними слоями тропосферы. Благодаря этому, изменения оказанные на газовую фазу почв микроорганизмами почти сразу отражаются на прилегающих к ней воздушных слоях. 
Таким образом, большой вклад микроорганизмов в биологизацию приповерхностных геосфер Земли был обусловлен их тесной взаимосвязью с почвой и педогенными телами (в определённых пространственных интервалах). Есть основание полагать, что эта связь имеет тот же возраст, что и наиболее древние геологические отложения. Поэтому, одним из факторов трансформации атмосферы в древний дофанерозойский этап безусловно является почва. 
Влияние живого вещества и почв распространяется не только на кислород - углеродный цикл, но и на состав других компонентов атмосферы. Как отмечал в своё время В.И. Вернадский (1926): «Газы биосферы, те же, которые создаются при газовом обмене живых организмов. В биосфере существуют только они одни: О2, N2, CO2, H2O, H2, CH3, NH3, … Это не может быть случайностью».

2.3.2. Почва – регулятор газового состава современной атмосферы.

    Современная атмосфера, возникшая в ходе длительного развития Земли, не находится в стабильном состоянии по газовому составу. Длительное время господствовало представление о том, что биогенное воздействие на атмосферу исходит со стороны растительности суши и океана. Однако в последнее время, всё большее число исследователей подтверждают высказанное ранее теоретическое положение В.И. Вернадского о существенном воздействии почвы на состав атмосферы (табл. 55). Экспериментальные наблюдения показали, что почва выступает как мощный регулятор газового состава атмосферы (Звягинцев, 1987). 
    Значительное воздействие на состав атмосферы во многом обусловлено особыми свойствами почвы, определяющими её влияние на воздушную оболочку и в первую очередь пористостью почв: количество пор в ней может составлять от 10 до 60 % объёма. Благодаря расположению почвы на стыке с атмосферой, пористому сложению и активному продуцированию газов почвенной биотой газообмен между воздухом и почвой происходит интенсивно (Добровольский, Никитин, 2006). 
Масштабы потребления и выделения газов почвой характеризуются исключительным размахом. За 1 час потребляется кислорода 1000-4000 л/га, в таких же примерно количествах выделяется углекислый газ. Если бы не было постоянного воздухообмена с атмосферой, запасов кислорода в почве хватило бы всего на 12 – 48 ч, в некоторых разностях – на 100 ч (Звягинцев, 1987). 
Существенное воздействие почвы на состав атмосферы обусловлено также сильным различием их газовой фазы. По сравнению с атмосферным почвенный воздух содержит в 10-100 раз больше углекислоты и во много раз меньше кислорода. Различия по азоту не существенны. Почвенный воздух, кроме того, постоянно содержит пары воды (насыщенность влагой близка к 100%) и ряд микрогазов. В нём также имеются летучие органические соединения в небольших количествах. 
Значимость влияния почвы на динамику состава приземного слоя атмосферы определяется также значительными различиями газовой фазы почв разных ландшафтных зон планеты. Например, торфяно-глеевые почвы тундры выделяют около 0,3 т/га углекислого газа в год, подзолистые хвойных лесов - 3,5 – 30 т/га, бурые и серые широколиственных лесов – 20-60 т/га, степные чернозёмы – 40-70 т/га, красные, ферраллитные субтропиков и тропиков – 50-90 т/га (Заварзин и др., 1985).  
В результате внутригодичной изменчивости почвенного воздуха и деятельности наземных растений отмечаются сезонные изменения концентраций различных газов в атмосфере, например СО2 (Бютнер, 1986). Но, благодаря постоянному перемешиванию воздушных масс изменения концентраций компонентов атмосферы в глобальном масштабе в целом снивелированы. 
В проблеме взаимодействия почвы и атмосферы важное место занимает не только выделение газов почвенными системами, но и противоположный процесс – поглощение почвами атмосферных газов. Данная проблема разработана недостаточно. Наиболее значительные достижения получены в исследовании фиксации атмосферного азота почвенными микроорганизмами. Микробиологическая фиксация атмосферного азота почвами оказывается экологически безвредной для окружающей среды, в отличии от применения минеральных удобрений, и одновременно позволяет избежать огромных энергозатрат, так как осуществляется за счёт солнечной энергии. 
 Необходимо особо отметить поглощение почвой газов, выделяющихся из недр Земли. «Наша обычная воздушная атмосфера, так называемая тропосфера, не заканчивается на земной поверхности, она проникает внутрь Земли по всем пустотам и трещинам. Эта подземная тропосфера, начинается в коре выветривания, идёт глубоко внутрь земной коры, на несколько километров, по крайней мере, в стратисферу, проявляясь во всех пустотах, трещинах, пустых промежутках и непрерывно закономерно меняясь в своём химическом составе. … Обмен между атмосферой в обычном понимании и между подземными атмосферами заторможен» (Вернадский, 1960). 
Из данного принципиального для рассматриваемого нами вопроса положения Вернадского вытекает ряд следствий: 1) атмосфера в обычном понимании и подземная атмосфера стыкуются через коры выветривания, почвы, а также через почвенную атмосферу; 2) несмотря на существенно иной химический состав подземной атмосферы, многие содержащиеся в ней газы не попадают в воздушную оболочку, так как они поглощаются в процессе взаимодействия с подземными слоями и особенно почвой; 3) взаимодействие почвы с подземной атмосферой представляет важную область исследований. 
 Современные исследования убедительно доказывают продуктивность идей В.И. Вернадского. Получены новые материалы, свидетельствующие об интенсивном использовании почвенными микроорганизмами водорода – как энергетического субстрата. Водород, какого бы происхождения он не был, активно поглощается бактериальным фильтром (Заварзин, 1984).