Грунтознавство
 Скачать 3.44 Mb.
|
|
10.6. Міграційні потоки елементів Поведінка будь-якого елемента в конкретних екосистемах біосфери та їх грунтах визначається комплексом міграційних параметрів: - хімічними властивостями елемента і його сполук; - роллю у технобіогеохімічних процесах (біофільністю, технофільністю, геохімічною активністю, міграційною здатністю у розчинах); - співвідношенням між його біологічним, геологічним і техногенними циклами. У цілому баланс елемента в екосистемі може бути як позитивним, так і негативним. Утворюються зони концентрації тих чи інших елементів і зони збіднення, що відображається на хімізмі грунтів і грунтового покриву загалом. Під міграцією речовин на земній поверхні розуміють усі форми їх переміщення, розподілу і накопичення. Міграція речовин відбувається в міграційних потоках. Потоки проходять під впливом: сили тяжіння – гравітаційний потік; руху повітряних мас – еоловий потік; руху води – водний потік; потреб в елементах живлення організмами і повернення їх в середовище – біологічний циклічний потік; переміщення організмів по території – біогенний потік; переміщення великих мас речовин людиною в їх господарській діяльності – антропогенний, або техногенний потік. У природі перевагу має водний потік. Залежить він від ступеня дисперсності речовин, розчинності. Б.Б.Полинов встановив 5 груп міграції речовин при елювіальному вивітрюванні і грунтоутворенні з відносним значенням їх щодо геохімічної рухливості (п): - що енергійно виносяться (Сl, Вr, І, S) – 10n - що легко виносяться (Са, Na, К, Mg) – n - рухливі (SiО2 P, Mn) – 0,1n - слабко рухливі (Fe, Al, Ті) – 0,01n - інертні (SiО2 кварцу) – 0n В.А.Ковда виділив групи речовин за їх педохімічною рухливістю і розробив педогеохімічну класифікацію грунтових вод (табл. 12). Крім водного потоку, важливе значення у міграції речовин у природі має атмосферний перенос речовин вітром і техногенний кругообіг речовин (дерево, вугілля, нафта, зерно). Таблиця 12. Педогеохімічна рухливість головних продуктів Грунтоутворення (В.А. Ковда, 1973)
10.7. Геохімічні бар'єри та ареали акумуляції Швидкість руху речовин в глобальних, регіональних і локальних технобіогеохімічних потоках залежить від: 1) фізико-хімічних характеристик речовин (активність, розчинність); 2) характеру середовищ, через яке переміщується цей потік. У зв'язку з тим, що на шляху руху потоку речовини середовище мінливе, виникають ділянки, де умови міграції інші, що призводить до зменшення рухливості деяких речовин, їх накопичення, тобто до виникнення геохімічних бар'єрів. Бар'єрами можуть бути: окиснення, випаровування, відновлення, кислотність, лужність, адсорбція. За формою бар'єри можуть бути лінійними і площинними. Ареал акумуляції визначається територією, яка містить декілька ландшафтів і природних областей, де утворюються однотипові вторинні грунтові сполуки, їх переміщення, осадження, накопичення в грунтах, грунтових водах. Ареали акумуляції поділяються на: 1) дуже широкі – R2О3, SiО2; 2) помірно широкі – CaMg(СО3)2, СаСО3, MgСО3; 3) вузькі – Na2SО4, MgSО4, NaCl, Na2СО3; 4) дуже вузькі – NaNO3, KNO3, CaCl2, MgCl2. Біогеохімічні процеси диференціюють земну поверхню. Водний міграційний потік речовин формує на земній поверхні три головні геохімічні пояси: а) пояс виносу; б) пояс транзиту; в) пояс акумуляції. Це проявляється як в масштабі окремо взятого підвищення, прилеглого до нього схилу, підніжжя аж до річкового басейну; так і в зв'язці гірської системи і низини чи в зв'язці суші і океану в цілому. Ці три типи земної поверхні геохімічно з'єднані в каскадні ландшафтно-геохімічні системи. Вони включають конкретні екосистеми і поєднані одним водноміграційним потоком речовин від вищого рівня до нижчого. Міграція речовин у каскадних ландшафтно-геохімічних системах регулюється характером потоку і геохімічними бар'єрами, в результаті чого відбувається диференціація суші. При цьому формуються такі місця: 1) виносу – автономні (елювіальні) геохімічні незалежні ландшафти, де розчинні сполуки виносяться, а акумулюються SiO , R203; 2) область транзиту – геохімічні підлеглі транзитні ландшафти, у яких частково акумулюються СаСО3, Na2СО3, CaSО4, Na2SО4, MgSО4, NaCl, CaCl2, NaNО3; 3) пояси акумуляції, в яких формуються геохімічні підлеглі акумулятивні ландшафти, де накопичуються найбільш розчинні і високодисперсні продукти вивітрювання та грунтоутворення (рис. 30).  Рис. 30. Схема диференціації та ареал акумуляції сполук у грунтах у безстічній (А) та дренованій (Б) частині континенту Вертикальні внутрішньогрунтові міграційні потоки мають як низхідний, так і висхідний характер упродовж року. Дані потоки формують генетичні горизонти грунтового профілю. Суттєве значення при цьому мають біогенні потоки речовин, які утворюються життєдіяльністю організмів. 10.8. Баланс грунтоутворення Грунтоутворюючий процес складається з 4-х компонентів речовинно-енергетичного балансу: 1) притоку речовини й енергії в грунт; 2) перетворення речовин і енергії в грунті; 3) переміщення речовин і енергії в грунті; 4) відтоку речовин і енергії з грунту. Всі ці складові утворюють єдність, визначають направленість грунтоутворюючого процесу, будову, склад і властивості грунту. Баланс речовин при грунтоутворенні – це співвідношення між приходом речовин в грунт та їх відтоком з нього за певний відрізок часу. В.А. Ковда визначив декілька форм балансу речовин залежно від довжини охопленого ним часу: 1) віковий, який має геологічний відрізок часу і зв'язаний з формуванням геоморфології місцевості; 2) періодичний (циклічний), який охоплює відрізок часу приблизно 11-22 років, очевидно, пов'язаний з періодичною активністю Сонця; 3) річний, який вкладається в річний гідрологічний цикл території; 4) на зрошуваній території виділяють міжполивний баланс речовин, який складається з коротких відрізків часу між поливами. Можна виділити окремо баланс органічної речовини, азоту, води, мінеральних елементів, легкорозчинних солей. У процесі грунтоутворення розрізняються прибуткові і видаткові статті балансу. До прибуткових статей балансу належать: 1) прихід С, N, зольних елементів з опадом і рештками рослин і тварин; 2) прихід тих самих елементів з кореневими виділеннями; 3) прихід N з атмосфери за рахунок азотфіксаторів; 4) прихід N з опадами; 5) прихід речовин з вітровим пилом; 6) прихід з твердим поверхневим стоком; 7) прихід з рідким поверхневим стоком; 8) прихід з капілярною каймою грунтових вод; 9) прихід з боковим (внутрішнім грунтовим) стоком; 10) прихід з добривами, меліорантами, зрошуваною водою. Видаткові статті балансу грунту: 1) захоплення рослинами N і зольних елементів для утворення щорічного приросту; 2) втрати азоту за рахунок денітрифікації; 3) втрати С при мінералізації рослинного опаду і гумусу; 4) вимивання речовин низхідним током води за границю грунтового профілю – у грунтові води; 5) винос речовин всередині грунтовим стоком; 6) винос речовин поверхневим твердим стоком; 7) винос речовин поверхневим рідким стоком; 8) втрата речовин за рахунок дефляції; 9) винос N, С, мінеральних елементів з урожаєм сільськогосподарських культур, сіном, деревиною. Різні речовини в одному і тому ж грунті можуть мати різний баланс: позитивний, від'ємний, нульовий. Позитивний баланс характеризується акумуляцією речовин у грунті, яка може бути абсолютною, відносною і залишковою. Глобальне значення має абсолютна акумуляція вуглецю і азоту атмосфери, що відбувається в процесі життєдіяльності зелених рослин і азотофіксуючих мікроорганізмів. Ці елементи накопичуються у лісовій підстилці, степовій повсті, в гумусовому горизонті. Акумуляція може бути зумовлена надходженням речовин в грунт із грунтових вод, поверхневого і бокового стоків води. Це характерно для аридного клімату: вода випаровується, а речовини залишаються в грунті. В гумідному кліматі зазвичай речовини не накопичуються, оскільки винос перевищує прихід речовин. Однак можуть накопичуватися кремній, алюміній, залізо, кальцій у вигляді СаСО3, що спричинене привнесенням твердих частинок заплавними водами, делювіальним стоком, вітром. Формуються грунти абсолютного акумуляційного балансу речовин: заплавні, намиті, навіяні. Відносна акумуляція речовин – збагачення верхньої частини профілю грунту мінеральними біофільними елементами внаслідок перекачування цих елементів рослинами з нижніх горизонтів або з нижньої частини товщі у поверхневі горизонти, хоч грунт в цілому їх не накопичує. Вона залежить від вибіркової здатності рослин поглинати поживні речовини. Про ступінь відносної акумуляції різних хімічних елементів судять за коефіцієнтом біологічного поглинання А: Ах = lх/nх, де lх – вміст елемента х у золі рослин; nх – вміст елемента х у грунті, на якому росте рослина: для Р і S дорівнює 100n; Са, Mg, K дорівнює 10n; Mn, Cu, Mo дорівнює n; Si, Al, Fe, Ті, V дорівнює 0,1-0,001n. Як визначив О.І.Перельман, залишкова акумуляція – це відносне накопичення в грунті речовин, які залишаються на місці при виносі інших, більш рухливих компонентів. Від'ємний баланс спостерігається, коли винос речовин перевищує їх привнесення. Це відбувається в гумідних областях та ще на гірських еродованих схилах: привнесення речовин не компенсує виносу їх поверхневим чи внутрігрунтовим низхідним током. Збіднення грунтів може бути загальнопрофільне і погоризонтне. Наприклад, профіль підзолистого грунту збіднений на катіони; в аридних грунтах відбувається винос легкорозчинних солей тільки на деяку глибину. Нульовий баланс характеризується тим, що винос і притік речовин скомпенсовані. Водний баланс і водний режим грунтів є регуляторами балансу речовин. В.А. Ковда виділив такі типи балансу речовин: різко від'ємний, від'ємний, зрівноважений, змінний, позитивний, накопичувальний. Різко від'ємний – характерний для схилів рівнинних територій з ерозійно-промивним водним режимом, для розораних схилів рівнинних територій: S = So + R – FSs – FSm – FL, де S – кількість речовин у кінці балансового періоду; So – на початку балансового періоду; R – кількість речовини атмосферних опадів; FSs – поверхневого стоку (розчинний матеріал); FSm – поверхневого стоку (твердий матеріал); FL – внутрігрунтовий боковий стік. Від'ємний баланс – властивий для територій з промивним водним режимом, формується на дренованих плато і рівнинах з глибокими грунтовими водами; опади переважають над випаровуванням: S = So + R – FSs – FSm – FL – ln, де ln – інфільтрація (низхідний стік). У таких умовах формуються грунти під лісом. Зрівноважений баланс спостерігається при непромивному водному режимі, характерний для територій аридного і напіваридного клімату, де глибина грунтових вод більша 7 м. У таких умовах речовини з грунту виносяться шляхом поверхневого і бокового токів води: S = So + R + FSs + FSm + FL. Формуються грунти: степові чорноземи, каштанові, бурі напівпустельні, сіроземи. Змінний баланс спостерігається при вологому кліматі, на рівнинах або зниженнях рельєфу, з рівнем грунтових вод 1-3 м, слабовід-тічних грунтових водах. Може бути позитивним, від'ємним і нульовим. Формуються чорноземно-лучні, напівболотні, болотні грунти лісостепу. S = So + R + GW + FSs + FL – ln де GW – надходження речовин з капілярною каймою грунтових вод. Позитивний баланс забезпечуються намивним водним режимом. Він формується у заплавах і дельтах річок, що періодично пересихають: S = So + R + FSm + FSs + FL + GW + FW + ln де FW – надходження речовин, які приносяться намивними водами. Накопичувальний баланс формується при випітному водному режимі; характерний для солончаків з глибиною грунтових вод 1-3 м: S = So + R + FLm + FLs + GW. У цій формулі GW > R > FLm > FLs. 10.9. Загальна схема грунтоутворення Грунтоутворюючий процес, або грунтоутворення – це складний природний процес утворення грунтів із гірських порід, їх розвиток, функціонування і еволюція під дією комплексу факторів грунтоутворення. Грунтоутворення починається з моменту поселення живих організмів на скельних породах або продуктах їх вивітрювання. Первинний грунтоутворюючий процес, по суті, збігається з вивітрюванням, в цей період грунт фізично суміщений з корою вивітрювання. В подальшому вивітрювання і грунтоутворення розділяються в просторі і часі: грунт формується у верхній частині кори вивітрювання гірських порід. В абіотичний період розвитку земної поверхні вивітрювання відбувалось без грунтоутворення. Існувала кора вивітрювання, але грунту не було. Фактори й агенти вивітрювання і грунтоутворення одні й ті самі. Грунтоутворення – один з окремих процесів трансформації земної речовини в зоні гіпергенезу, в спеціальних умовах педосфери. Грунтоутворення в своєму розвитку проходить ряд стадій. Характер проходження окремих стадій грунтоутворення зумовлений комплексом факторів у різних природно-кліматичних зонах земної кулі. Стадія початкового (або первинного) грунтоутворення на скельних гірських породах, має назву первинного грунтоутворення. Вона досить довга, оскільки властивості грунтового тіла, характерні для зрілого грунту, ще не сформувалися, характеризується малою потужністю субстрату, який охоплюється грунтоутворенням, повільною акумуляцією елементів грунтової родючості. Профіль дуже слабко диференціюється на генетичні горизонти. Початкове грунтоутворення змінюється стадією розвитку грунту, яка протікає з наростаючою інтенсивністю, аж до формування зрілого грунту з характерним профілем і комплексом властивостей. Стадія рівноваги – стан клімаксу, протягом якого підтримується динамічна рівновага грунту з середовищем, тобто з існуючим комплексом факторів грунтоутворення. На певному етапі стадія рівноваги змінюється еволюцією грунту. Еволюція грунту може йти у різних напрямках: шляхом нарощування потужності грунту або шляхом її зменшення; шляхом засолення грунту або його розсолення; шляхом деградації грунтової родючості або її нарощування. Розвиток і еволюція грунтів і грунтового покриву в цілому на земній поверхні протікає не випадково, а у відповідності з загальною історією ландшафту. Вона визначається глобальними геологічними процесами (тобто кліматичними, тектонічними та морфоструктурними процесами). Грунтоутворення розглядається як співвідношення процесів виносу і акумуляції речовин (виносяться одні речовини, а накопичуються інші). Абсолютна акумуляція речовин при грунтоутворенні – це надходження речовин до грунтоутворюючої породи з атмосфери чи гідросфери і накопичення їх у грунті, що формується. У грунтах накопичується вуглець (фотосинтез – утворення біомаси – відмирання біомаси – розклад – гуміфікація – гумусонакопичення), азот (азотфіксація – поглинання організмами – відмирання біомаси – нітрифікація, амоніфікація), водорозчинні солі, гіпс, вапно, сполуки заліза, кремнезем (із грунтових вод, особливо при випітному водному режимі). Відносна акумуляція речовин при грунтоутворенні – це залишкове накопичення в результаті виносу яких-небудь інших речовин. Наприклад, виніс лугів, лужних земель і кремнезему може відносно збагачувати грунт окислами алюмінію. Відносна акумуляція речовин – це завжди наслідок елювіального процесу. Під останнім розуміють низхідне переміщення речовин в грунті при промивному режимі і частковий або повний винос в нижню товщу або за її межі ряду сполук, солей лугів і лужноземельних металів. Елювіюванню можуть також піддаватися сполуки заліза, алюмінію, марганцю, фосфору, сірки і в деяких випадках кремнію (при алітизації). Елювіюванню можуть піддаватися і тонкодисперсні мінерали. Винос і акумуляція речовин при грунтоутворенні є наслідком взаємодії малого біологічного і великого геологічного кругообігу речовин на земній поверхні. Результатом біологічного кругообігу речовин є біологічна акумуляція в грунтах вуглецю, азоту й інших біофілів. Результат геологічного кругообігу – збіднення грунту тими чи іншими елементами (елювіальний процес) та збагачення деякими елементами (засолення, кіркоутворення). Грунтоутворення – це, по суті, сукупність явищ перетворення і переміщення речовин та енергії в границях педосфери Землі. Взаємодія біологічного і геологічного кругообігу речовин проявляється через серію протилежно напрямлених процесів, суперечливих явищ, з яких складається грунтоутворення. До них належить: 1) руйнування первинних і вторинних мінералів – неосинтез мінералів. 2) біологічна акумуляція елементів у грунті – споживання елементів із грунту організмами; 3) гідрогенна акумуляція елементів у грунті – геохімічний виніс елементів із грунту; 4) розклад органічних речовин – синтез нових органічних сполук; 5) поглинання іонів з розчину твердою фазою – перехід іонів з твердої фази в розчин; 6) розчинення речовини – осадження речовин; 7) пептизація колоїдів – коагуляція колоїдів; 8) зволоження – висихання; 9) окиснення – відновлення; 10) нагрівання – охолодження; 11) азотфіксація – денітрифікація. Багато з цих протилежних процесів мають циклічний характер, пов'язаний із загальною циклічністю природних явищ. Можна виділити добові, сезонні, річні, багаторічні, вікові цикли грунтоутворення. Вони формують режими грунтоутворення, специфічні для кожного грунту. Перерахованим протилежним процесам, з яких складається грунтоутворення, О.А.Роде дав назву загальні грунтоутворюючі процеси. Вони відбуваються у всіх грунтах, але в різному якісному і кількісному прояві. Він також виділив макро- і мікропроцеси. Перші охоплюють весь грунтовий профіль, другі являють собою мінеральні і органічні перетворення в межах ізольованих ділянок грунтового профілю. |