BIOGEOCHEMICAL CYCLING OF MACROELEMENTS
Эволюционное развитие Земли во время ее геологической истории сопровождалось биогеохимическим развитием биосферы. Главные процессы вначале заключались в распределении химических элементов между атмосферой, литосферой и водной средой с последующим развитием биогеохимических циклов в биосфере
Биогеохимические циклы макроэлементов в почвах Biogeochemical Cycling of Macroelements in Soils
Почва – уникальная природная система. Главное свойство почвы это тесное взаимоотношение между живыми и мертвыми (косными) компонентами. Искусственное разделение почвенных компонент разрушает этот комплекс. В. И. Вернадский использовал термин ‘biolatent body’. Состав почвы сложен и зависит от многих факторов. Твердая, жидкая и газообразная фазы присутствуют во всех почвах. Как физическое тело, почва может быть определена как полидисперсная система с относительно большими частицами (более 0. 001 мм) и тонкими дисперсными частицами (менее 1 мкм). Почва состоит из органических и минеральных частиц с различными механическими и физико-химическими свойствами. Минеральная часть, наоборот, более стабильна и содержит материнские породы и различные производные формации. Различия в составе живых организмов – специфическая черта любой почвы. Почва развивается как система с взаимодействующими группами живых организмов. Можно выделить следующие группы: 1. Высшие растения с фотосинтетической продукцией; 2. Эдафическая мезофауна является деструктором растительного материала; 3. Микробы с выраженным свойством трансформировать продукты распада и простые органические компоненты. Различные формы мертвой органики, фрагменты durable hypogenic minerals, и различные продукты биогеохимических и геохимических трансформаций и неживая часть почвы зависящая от погоды. Фотосинтезирующие организмы, питаясь присутствующими в почве элементами, осуществляют биогеохимическую связь мертвого органического материала и минеральных масс.
Разложение органического вещества происходит внутри почвенной системы и завершается внутрисистемным биогеохимическим циклом, освобождающим элементы питания для растений. Разложение, в общем смысле распад органического материала на мельчайшие физические и химические компоненты. Минерализация более специальный термин означающий процессы, которые освобождают элементы в простых неорганических формах таких как двуокись углерода, нитраты, аммоний, ортофосфат и др. Разнообразие почвенных животных (микро- и мезофауна), включая почвенных червей (earthworms) смешивают и измельчают растительные и другие остатки. Однако, почвенные грибы и бактерии, также необходимы для трансформации органического вещества во время почвенного биогеохимического цикла. Почвенные м. о. освобождают внеклеточные ферменты, которые катализируют реакции минерализации и разложения органического материала. Во время микробного разложения синтезируются почвенный гумус. Взаимодействие фотосинтезирующих бактерий и гетеротрофных организмов необходимо для биогеохимической циклической миграции элементов в почве и растениях.
Дисперсные минеральные частицы также являются доступными питательными формами для высших растений. Эти частицы обладают большой поверхностью на единицу объема и содержат достаточное количество сорбированных химических элементов. Эта адсорбция защищает эти вещества от дождевой воды, которая фильтруется через почву, но корни растений способны извлекать эти вещества. Тонко дисперсные почвенные минералы и органические частицы играют ключевую роль в механизмах биогеохимических циклов, создавая важный биогеохимический барьер в обороте многих элементов и аккумулируя питательные и другие вещества в верхних слоях почвы. Эти слои являются главными пулами макроэлементов для растительной продукции (табл. 10). Микроморфология почвы также является важным параметром в биогеохимическом обороте многих веществ. Агрегация почвенных частиц облегчает консервацию и обеспечивает регуляцию поступления питания. Почвенные поры облегчают обмен газами между почвой и атмосферой. Известный русский ученый В. В. Докучаев определил почву как ‘natural historical body’. Оно отражает появление почвы, как продукта взаимодействия горных пород, климата, растений и биоты. Многочисленные комбинации этих факторов определяют различия почв. По этой причине каждый природный ландшафт имеет собственную почву. Однако, некоторые естественные условия, включая тип почвы, субъективно различаются не только в пространстве, но и во времени. Палеогеографические и палеогеохимические результаты подтверждают эту идею (Perelman and Kasimov, 1999).
Распространение наземных живых организмов связано с образованием земной поверхности, обособлением осадочной зоны и океана. Представление почвы, как «bilatent body» было связано со специфически развивающейся фазой живого вещества Земли (Dobrovolsky, 1994). Главный атрибут живого материала – способность неограниченно наращивать биомассу и захватывать новую территорию (закон В. И. Вернадсткого). В океане рост живого материала ограничен поверхностным слоем и низким содержанием элементов питания в морской воде. Почвенный органический материал играет наиболее важную роль в формировании гумуса. С другой стороны, гумус действует как источник азота и других элементов питания, которые необходимы для роста высших растений. Эти питательные элементы освобождаются благодаря активности м. о. Следовательно, гумус представляет важный параметр почвенного плодородия и продуктивности растений. С другой стороны, гуминовые кислоты и их производные обладают большой адсорбционной способностью и активно влияет на миграцию и аккумуляцию макроэлементов в биогеохимических циклах.
Гуминовые вещества обладают поверхностью 800 -900 м 2/г, поглотительная способность 1, 5 – 3, 0 meq/g. Состав почвенного органического материала обычно характеризуют в зависимости от растворимости. Выделяют три основные группы на основе их растворимости в кислотах и основаниях: 1. Гуминовые кислоты (ГК), растворимы в основаниях, но осаждаются при подкислении щелочных экстрактов до р. Н 2; 2. Фульвокислоты (ФК) – растворимы как в щелочах, так и в кислотах; 3. Гумин – нерастворим ни в кислоте, ни в основании (Kononova, 1966). Эти три гуминовые фракции структурно сходны и разделяются на основе молекулярного веса и химического состава (Table 11). ФК содержат меньше H, N и S, но больше O, чем ГК и гумин; общая кислотность и отношение карбоксилов к фенольным гидрофильным группам достигает 3 для ФК и около 2 для других фракций. В почве ФК и низкомолекулярные ГК , которые растворимы в воде, представляют особый интерес. Эти гуминовые кислоты важны для процесса вымывания материала горных пород посредством комплексообразования, осаждения и транспорта.
Биогеохимическая трансформация органического вещества в почве связана не только с образованием гумуса. Действие м. о. продолжается до полной деградации органического материала и образованием конечных продуктов. Изотопный анализ показал, что возраст верхних слоев современной почвы составляет 300– 500 лет. Более глубокие слои трансформируются медленнее и гумусовый материал имеет возраст несколько тысяч лет. Бесспорно, это связано с популяцией м. о. в верхних слоях почвы. Содержание гумуса уменьшается в почвенном профиле с глубиной и также уменьшается количество м. о. в почве (рис. 7). В контексте биогеохимических циклов, почва представляет собой открытую систему для многих макроэлементов, таких как C, N, Ca, Mg, Si, P и K. Первичная продуктивность наземных экосистем базируется на почвенном плодородии. Дождевые потоки вместе с содержащимися в них химическими веществами проходят через почвенный профиль и достигают речного русла. Поэтому почва является регулятором геохимической и биогеохимической миграции. Таким образом, почва занимает ключевое положение и играет исключительно сложную роль в любои биогеохимическом цикле. Приведенные примеры доказывают роль почвы.
Количество углерода, присутствующего в почве тесно связано с содержанием СО 2 в атмосфере. Но атмосферный СО 2 регулируется в большей степени океаном, чем почвой. Количество азота в почве также не влияет на пул N в атмосфере, так как и в этом случае основным регулятором является океан (Butcher et al, 1992). Тем не менее, почва имеет громадное влияние на содержание азота в реках. Другие элементы, такие как Si, Al, Fe, Mg, Ca, K, P и Na, присутствуют в речных потоках в форме растворов солей или в виде частиц (взвесей, коллоидов). Их появление в почве связано с трансформацией горный пород. Мы в состоянии предположить, качественный и количественный состав этих солей будет строго зависеть от химического состава почвы с которой взаимодействует река. Из этого правила существуют исключения (this is true but not always the case). Например, гидрохимия рек на гранитных руслах финскоскандинавского региона и тропической Африки сходна, тогда как биогеохимия почвы сильно различаются. Это подтверждает важное значение биогеохимической трансформации макроэлементов в системе «атмосфера – почва – растения – вода» .
Скачать презентацию BIOGEOCHEMICAL CYCLING OF MACROELEMENTS Эволюционное развитие Земли
биогеохимия почва.ppt