Грунтознавство
 Скачать 3.44 Mb.
|
10. БІОГЕОХІМІЯ ГРУНТОУТВОРЕННЯ ТА ГРУНТОТВОРНИЙ ПРОЦЕС10.1. Біосфера Землі, її характерні особливості Утворення, розвиток і еволюція грунту зобов'язані взаємодії малого біологічного і великого геологічного кругообігів речовин і потоків сонячної енергії у границях кори вивітрювання гірських порід. У 1875 році австрійським ученим геологом Зюсом запропонований термін "біосфера", сфера життя. До появи життя на нашій планеті існували тільки геологічні процеси і великий геологічний кругообіг речовин. Його вік 3,5-4 млрд. років. Виникнення життя на Землі сформувало "сферу життя", привело до появи малого біологічного кругообігу речовин або хімічних елементів. Ці два кругообіги речовин відбуваються одночасно і носять назву біогеохімічного циклу. Вернадський сформулював закон: з появою біосфери усі хімічні реакції на планеті протікають при безпосередній участі живої речовини. Біосфера – найбільш високоорганізована природна система на нашій планеті. Вона складається з таких компонентів: атмосфери, гідросфери, літосфери, педосфери (рис.27).  Рис. 27. Межі компонентів біосфери Для кожного компонента характерні свої рівні організації. Границі розповсюдження живої речовини визначають границі біосфери. Біосфера має по вершинах верхню (атмосфера) та нижню границі (рівень грунтових вод). У просторі вона неоднорідна, що призводить до великої різноманітності біогенної міграції (природні зони, фації); біогеоценозів, ландшафтів. В.І.Вернадський сформулював поняття і розробив вчення про біосферу. Вона є сферою проживання живої матерії, середовищем для всієї планети. Жива речовина відіграє величезну роль у геологічній історії планети. Він дав визначення біогеохімії. Біогеохімія (біо – життя, гео – земля) – наука про вивчення хімічного складу живих організмів, участь живої речовини і продуктів її розкладу в процесах міграції, розсіювання та накопичення хімічних елементів. Геохімія – наука про історію атомів хімічних елементів у розвитку планети, про сучасний хімічний склад гірських порід і шляхи міграції хімічних елементів на Землі. До появи життя на Землі протікали тільки геохімічні процеси. Це, в основному, процеси руйнування кристалічних решіток первинних мінералів, міграція різних водних розчинів і синтез нових мінеральних сполук. Джерело енергії геохімічних процесів – сонячна енергія. З виникненням життя на Землі з'явився грунтотворний процес. Його рушійна сила – взаємодія малого біологічного і великого геологічного кругообігів речовин разом з енергетичними потоками на земній поверхні. Виник комплекс явищ біогеохімії грунтоутворення: міграції і трансформації хімічних сполук у межах грунтового профілю і підстилаючої товщі гірських порід, тобто у границях грунтового покриву планети; основою цього є цикли організованості біосфери, а також педосфери. Крім того, біогеохімія грунтоутворення пов'язана: а) з перетворенням вуглецю і живої речовини у грунтах; б) зміною азоту у едафотопах і ландшафтах; в) особливостями міграції і ареалами акумуляції продуктів вивітрювання і грунтоутворення сполук кремнію, алюмінію, фосфору і мікроелементів у грунтах; г) наявністю ізотопів у едафотопах. 10.2. Поняття про природну систему, її будову, властивості та структурну організацію Природна система – це сукупність компонентів (елементів), які знаходяться у певних відношеннях і зв'язках між собою й утворюють визначену єдність і цілісність. Всі природні тіла, явища доцільно розглядати як системи. Системою живої матерії можна вважати клітину, окремий орган (листок рослини) або весь організм (всю рослину), а також сукупність живих організмів, що звичайно називають біогеоценозом або екосистемою. До системи неживої природи належить віднести кристал мінералу, асоціацію мінералів, гідрографічну сітку. Визначення природної системи знаходимо в наукових працях австрійського біолога Людвіга фон Берталанфі та російських академіків Косигіна і Соловйова. Залежно від кількості елементів (компонентів), які входять до системи, зв'язки між ними можуть бути простими і складними, а отже, системи бувають прості і складні. Грунт як природна система має складну багаторівневу структурну організацію. В.А.Ковда і Б.Г.Розанов на базі системного підходу сформулювали поняття ієрархічних рівнів структурної організації грунту. Кожний із рівнів потребує специфічних методів і підходів дослідження і управління (рис. 28.).  Рис. 28. Рівні організації компонентів біосфери Кожна природна система має: вхід; тіло (сама система) та вихід. Система складається з: а) історії розвитку; б) організації або структури; в) здатності функціонувати (рис.29.).  Рис. 29. Блок-схема природної системи Розвиток системи в часі проходить від простого до складного. Сучасний стан будь-якої природної системи треба розглядати як конкретну стадію розвитку та як стан довгого еволюційного розвитку системи. Щоб навчитися прогнозувати майбутнє в розвитку системи, управляти її функціонуванням необхідно знати не тільки сучасний стан системи, але й минуле, її історію. Організація, або структура кожної системи охоплює поняття про кількість елементів (компонентів), які входять до системи, а також взаємовідношення цих компонентів, причому компоненти системи ускладнюються від низьких рівнів організації до більш високих. Функціонування системи – це сукупність реакцій, які виникають у системі у відповідь на зовнішні дії і призводять до змін внутрішніх властивостей системи, до її саморозвитку. Кожна природна система характеризується стійкістю, саморегуляцією, самокореляцією, еволюціонуванням, емерджентністю. Стійкість проти випадкового зовнішнього впливу є одним із найважливіших властивостей природних систем. Кожна природна система прагне до збереження рівноваги у своєму розвитку. Екстремальні зовнішні умови можуть зруйнувати природну систему. Саморегуляція процесів функціонування системи забезпечується явищем самокореляції елементів (компонентів) у складній сітці функціонування зв'язків. Еволюціонування системи проходить у результаті ускладнення процесів, які протікають у функціонуючій системі, і йде від простого до складного. Емерджентність природної системи полягає в появі у функціонуючій системі в процесі свого розвитку зовсім нових властивостей, якими не володіє жоден із компонентів цієї системи. 10.3. Великий геологічний кругообіг речовин Кількість атомів на Землі постійна. Процеси, що протікають на Земній кулі, залучають у різні переміщення і перетворення земної речовини величезні маси елементів. Циркуляція елементів і замкнутість їх глобальних циклів створює міграційно-трансформаційні цикли. У ранній безжиттєвий період геологічної історії це були геохімічні цикли. З появою життя на Землі вони перетворились у біогеохімічні цикли. З появою людини й утворенням техносфери – у технобіогеохімічні. Тому глобальні цикли вуглецю, води, сірки, азоту та інших елементів у великій мірі визначаються діяльністю людини. Загальний цикл технобіогеохімічного кругообігу речовин на Землі складається з ряду самостійних біогенних і абіотичних: геологічних, техногенних циклів, які утворюють великий геологічний кругообіг речовин. Він включає такі етапи: а) появу вивержених порід на земній поверхні; б) вивітрювання; в)грунтоутворення; г) ерозію і денудацію; д) накопичення континентальних та океанічних осадів; е)метаморфізм осадів; ж) вихід осаджених порід на поверхню з новим циклом вивітрювання, грунтоутворення, денудації й осадонакопичення. Денудація – винос речовин з суші в моря, ріки, океани, водоймища, атмосферу. Вона є показником швидкості та інтенсивності кругообігу речовин суші. Денудація включає геологічний кругообіг речовин і процеси вивітрювання гірських порід. Загальну денудацію суші можна оцінити за денудаційним балансом, який виражається в млрд. т/рік на суші. Баланс включає загальний винос речовин суші (52,990 млрд. т/рік); загальний привніс речовин на сушу (4,043 млрд. т/рік); звідси денудаційний баланс суші складає -48,947 млрд. т/рік. Загальний винос речовини з суші відбувається (млрд.т/рік): в океан – 27,1; у внутрішні водоймища – 18,2; в атмосферу – 7,7; загальний екзогенний привніс речовин – 4. Це середні значення. Вони не дають достатнього уявлення про денудацію в конкретних точках земної поверхні через різноманітні природні умови (гірські території, рівнина); різну за інтенсивністю антропогенну діяльність. Денудація рівнин через антропогенну діяльність більша, ніж у горах, десь у 1,5 раза, а локально різниця збільшується у сотні і тисячі разів. Середній модуль денудації – це загальний виніс речовин з суші площею 1 км кв. Він дорівнює 48947 млрд.т/рік: 130 млн.км кв = 375,5 т/км кв·рік, або 3,765 т/га·рік. Діяльність людини збільшила денудацію в 1000 разів у порівнянні з дотехногенним періодом. Модуль твердого стоку в т/км кв·рік складає, для прикладу, у р. Єнісей – 4; р. Колорадо – 380; р. Хуанхе – 2600; на орних землях – 5000; пасовищах – 3600; покинутих полях – 29; зрілих соснових лісах – 4,5. Можна зробити такий висновок: вивітрювання не встигає за денудацією, а антропогенна денудація (ерозія) знищує поверхневі горизонти, багаті гумусом і елементами живлення. 10.4. Кора вивітрювання, типи кори вивітрювання Кора вивітрювання гірських порід – це продукт їх руйнування, трансформації мінеральних сполук, сортування і перевідкладення гравітаційною седиментацією. Грунт – це результат новоутворення специфічного біокосного тіла, яке відрізняється від кори вивітрювання тим, що характеризується наявністю гумусу; характерною морфологічною ієрархічною структурою; глобальними функціями (такими як забезпечення існування життя на Землі); постійною взаємодією великого геологічного і малого біологічного циклів (кругообігів) речовин на земній поверхні; регулюванням хімічного складу атмосфери і гідросфери; регулюванням біосферних процесів; акумуляцією органічної речовини і зв'язаної з нею хімічної енергії; виступає як основний засіб сільськогосподарського виробництва. У процесі вивітрювання, транспортування і перевідкладення гірські породи (масивні, ущільнені, масивно-кристалічні, корінні) набувають ряд нових властивостей, таких як: пухкість і роздільнопластичність; повітроємність, повітропроникність, водопроникність; наявність вторинних мінералів; поглинальну здатність; сортування на земній поверхні за гранскладом, мінералогічним та хімічним складами; вміст біофільних елементів; наявність літологічної шаруватості, яка формується в процесі вивітрювання. У результаті вивітрювання формуються різні типи кір вивітрювання. Для генетичного грунтознавства найбільш доцільна така схема їх поділу, яку запропонували В.А.Ковда і Б.Г.Розанов (1988): 1) за віком утворення і характером залягання: - сучасні (голоценового віку); - старі (доголоценового віку); - викопні (заховані і ті, що знову вийшли на поверхню); - перевідкладені; 2) за геохімічним типом: - елювіальні (залишкові); - ортоелювіальні (на щільних магматичних породах); - параелювіальні (на щільних осадових породах); - неоелювіальні (на пухких четвертинних осадових породах); - транзитні (елювіально-акумулятивні); - акумулятивні; 3) за речовинним складом, що відображає стадійність вивітрювання: - уламкові (переважають свіжі уламки щільних порід); - засолені (наявність водорозчинних солей); - загіпсовані (наявність CaSО4); - провапновані (наявність СаСО3); - доломітизовані (наявність CaMg(СО3)2); - сіалітні насичені (SiО2:Al2О3 > 2); переважають Ca2+, Mg2+, або Na+ в обмінному комплексі; - сіалітні ненасичені (SiО2: Al2О3 > 2); переважають Н+ або А13+ в обмінному комплексі; - ферсіалітні (SiО2: Al2О3 > 2; Fe2О3 > Al2О3); - альферритні (SiО2: Al2О3 < 2; Fe2О3 > Al2О3); - фералітні (SiО2: Al2О3 < 2; Fe2О3 < Al2О3); - алітні (бокситові) (SiО2: Al2О3 < 2; переважання А12О3). Вивітрювання, за Б.Б.Полиновим, для елювіальної кори має такі стадії: 1) уламкова; 2) провапнована; 3) сіалітна насичена; 4) сіалітна ненасичена (вилугувана); 5) алітна. 10.5. Малий біологічний кругообіг речовин Для грунтоутворення особливе значення має малий біологічний кругообіг речовин. Він забезпечує цикли біогеохімії. При цьому зольні елементи поглинаються рослинами з грунту. В подальшому вони беруть участь у біохімічних процесах рослин, повертаються знову в грунт після їх відмирання. Частина забирається тваринними організмами і повертається після їх відмирання. Цикли вуглецю, азоту більш складні. Вони зачіпають також атмосферу. Частина елементів звільняється, після відмирання повертається у великий геологічний кругообіг через атмосферу і гідросферу. Антропогенна діяльність змінює хід біологічного кругообігу речовин за рахунок: 1) зниження природної біоти і заміни її на культуру сільськогосподарських полів; 2) відокремлення і потреби споживання біологічної продукції; 3) внесення добрив; 4) зміни грунтових режимів. Інтенсивність біологічного кругообігу речовин (елементів) або швидкість його – це час (вегетаційний період, декілька місяців, діб, хвилин), упродовж якого елемент поглинається живим організмом, трансформується і повертається в середовище. Повернення буває прижиттєве і посмертне. Час (інтенсивність) залежить від виду організму та запасу елемента у середовищі. У формуванні малого біологічного кругообігу речовин велику роль відіграють живі організми. В першу чергу – мікробні популяції^ оскільки біомаса мікробів практично така ж, як і біомаса рослин. Але головне не в кількості маси, а в тій роботі, яку мікроорганізми проводять з мінералізації речовин, особливо у процесах перетворення азоту, заліза, сірки, марганцю. Відмираючи, вони звільняють 6-7% від своєї біомаси різних зольних елементів. Безхребетні організми переробляють органічні рештки у грунтах і трансформують хімічні елементи у водоймищах. Надземні біогеоценози (лісовий, трав'яний) – найважливіший фактор формування біологічного кругообігу речовин. Щорічно на суші в процесі фотосинтезу зеленими рослинами залучається 35 млрд. т СО2 з атмосфери; 10 млрд. т повертається в атмосферу в результаті дихання; 25 млрд. т після відмирання рослин надходить у грунт і використовується для утворення гумусу та його акумуляції. Об'єм, або ємність біологічного кругообігу речовин (елемента) – це маса елемента, яка поглинається організмом з навколишнього середовища одиницею площі за певний час. Біологічний кругообіг речовин складається з циклів окремих елементів. Цикли азоту. 75% N зосереджено в атмосфері в молекулярній формі (N ). Живі організми (рослини) поглинають азот у вигляді NH4+, NО3-, з участю якого утворюють білки. Після відмирання рослин іде трансформація азотовмісних сполук через амоніфікацію, нітрифікацію, денітрифікацію. Нітрати захоплюються рослинами, частина їх іде на утворення гумусу. Решта азоту вимивається з грунту. У гумусі азот складає 3-5-10%. Втрата з грунту азоту веде до забруднення водоймищ. Цикли вуглецю. СО2 в атмосфері міститься до 0,03%. Найбільше вуглецю в живій речовині – 18%. Він є основою життя. Розраховано, що рослинний покрив суші засвоює весь вуглець атмосфери за 3-4 роки. Для гумусосфери цикл вуглецю складає 300-400 років. У процесі дихання рослин частина вуглецю повертається в атмосферу. Після відмирання рослин частина вуглецю закріплюється в гумусі, в осадових породах (карбонати), частина повертається до атмосфери. Викиди вуглецю при спалюванні нафти, газу, вугілля, складають від 6 до 10% об'єму біогеохімічного циклу. Вирубка лісів, руйнування лісових підстилок, осушення торф'яників, посилене розорювання земель, зменшення планктону у водоймищах у зв'язку з їх забрудненням скоротили об'єми фотосинтезу на планеті. Це зумовило посилення надходження СО2 в атмосферу. Виробництво будівельних матеріалів також підсилює концентрацію CO, в атмосфері (одержання цементу). Існують суттєві відмінності між біологічними кругообігами в природних і антропогенних екосистемах. Установлено, що за останні сто років чорноземи втратили одну третину своїх гумусових запасів. Головні причини цього: інтенсивні прийоми землеробства (меліорація, хімізація, механізація), ерозія грунтів. У природних екосистемах гуміфікується незначна частка залученого до фотосинтезу вуглецю атмосфери. Значна частина його повертається в атмосферу при диханні організмів і при мінералізації мертвої органічної речовини. Живі організми утворюють інтенсивні потоки хімічних елементів. Вони проводять велику геохімічну роботу, беруть участь у процесах вивітрювання і грунтоутворення. Грунти є компонентами біосфери й об'єктами дії живої речовини. В ньому зосереджена зоо-фауна, мікроорганізми, корені рослин. У гумусному горизонті жива речовина складає 40% маси грунту. Жива речовина у грунтах виконує такі функції: - газообмінну: метаболізм, дихання і обмін СО2, NH3, H2О; - окиснення: процес вивітрювання суттєво змінює сполуки таких елементів як Мn, С, N, S, Р; - відновлення: денітрифікація, десульфофікація; - концентрації і акумуляції хімічних елементів із розсіяного стану: карбонати, фосфати; - синтезу і мінералізації гумусу, гумінових і фульвокислот грунту, грунтового покриву. |