|
|
Экология. Учебник. Н.И. Николайкин. Технические науки и по специальностям в области 650000 Техника и технологии е издание, стереотипное москва 2004
Si
Al
Fe
Ca Кларк %
46,6—49,1 26,0—29,5 7,45—8,14 4,20—5,00 2,71—3,63 Химический элемент наименование Натрий Калий Магний Водород ИТОГО символ
Na Кн Кларк %
2,01—2,83 2,35—2,59 1,79—2,35 до 1 более 99% Менее всего земная кора содержит инертных газов — гелия, неона и радона, что связано сих высокой подвижно Термин кларк в настоящее время используется также и для количественной оценки среднего содержания химических элементов в атмосфере, гидросфере, живом веществе биосферы, Земле в целом, горных породах, космических объектах и т. п. Выражается в единицах массы
(% , г/т и др) или в атомных процентах.
9 Экология
258 Глава 7. БИОСФЕРА стью: они легко переходят в атмосферу, откуда рассеиваются в космическом пространстве. Одновременно земная кора пополняется космическим веществом, выпадающим в виде метеоритов и космической пыли. Со временем некоторые химические элементы, в частности радиоактивные, трансформируются. На этом основании предполагают, что кларки урана и тория в минувшие геологические эпохи были значительно выше, а свинца — ниже, чем сейчас. Это относится ко всем элементами изотопам, подверженным изменениям. По А. А. Саукову, 2 млрд лет назад атомов изотопа U
2 3 5
, имеющего период полураспада 7,1 • 10 8
лет, на Земле было враз больше, чем сейчас. Кларки химических элементов в современных горных породах следующие в среднем в 1 м содержится железа 130 кг, алюминия 230 кг, меди 0,26 кг, олова 0,1 кг. В природе встречаются участки, где фактическое содержание того или иного химического элемента значительно выше его кларкового значения. Такие участки геологи исследуют с целью поиска месторождений полезных ископаемых. Минералы. Химические элементы земной коры образуют естественные соединения, состоящие из одного, но чаще всего из нескольких элементов Минералы (от лат. minera — руда) — однородные по составу, внутренней структуре и свойствам твердые химические соединения. Иногда к минералам относят и жидкие природные вещества — жидкую ртуть, воду, нефть. Известно более 3 тыс. минералов, большинство из которых являются кристаллами и обычно имеют форму многогранников. В строении земной коры существенную роль играют всего несколько десятков минералов, называемых породообразующими. Наиболее распространены из них — полевые шпаты
(55%), иные силикаты (15%), кварц (12%), различные виды слюды (3%), магнетит и гематит (3%). Минералы отличаются друг от друга по внешним признакам, к которым относят облик кристаллов, цвет самого минерала, цвет его черты, твердость, плотность, спайность и др, а также химическому составу и структуре.
1
Цвет черты — цвет следа, остающегося на матовой шероховатой поверхности фарфоровой пластины, оцарапанной каким-нибудь минералом. Обычно он совпадает с цветом самого минерала, но иногда резко отличается. Так, черный гепатит имеет красную черту.
2
Спайность — способность минералов раскалываться по ровным плоскостям в определенных кристаллографических направлениях.
7.2. Геосферные оболочки Земли
259 Чем выше природный кларк химического элемента, тем больше минералов, в которые входит этот элемент. Кислород встречается почтив половине известных минералов. Так, большое количество химически связанного кислорода находится в силикатах (от лат silicis — кремень, относящихся к одному из важных классов минералов. Горные породы В земной коре минералы группируются в естественные ассоциации — горные породы. Выделяют магматические, осадочные и метаморфические породы. Магматические изверженные) горные породы. Они образуются при остывании расплавленных магм, поднимающихся из глубин Земли к ее поверхности. Различают глубинные породы, если магма застыла на глубине, и излившиеся, если остывание произошло уже на поверхности. Магматические породы состоят преимущественно из силикатов и алюмосиликатов, наиболее важными компонентами которых являются кремнезем (Si0 2
) и глинозем А 2
0 3
). Дальнейшая классификация ведется прежде всего в зависимости от содержания в породе кремнезема — ангидрида кремниевой кислоты (табл. 7.11). Таблица 7.11 Деление магматических пород по содержанию диоксида кремния Породы Ультраосновные Основные Средние Кислые Содержание
SiO
r
% Менее 40 40—52 52—65 Более 65 Характерные породы глубинные Дунит, пироксенит, перидотит Габбро Диорит Гранит, граноди- орит излившиеся Базальт, долерит Андезит Дацит, липарит Ультраосновные и основные породы содержат много оснований (соединений кальция, магния, железа и др) и бедны кремнекислотой. Осадочные горные породы. Они образуются путем переотложения на поверхности Земли или на дне морей, озер, болот, рек продуктов разрушения различных коренных
260 Глава 7. БИОСФЕРА пород. Ими покрыто более 75% поверхности континентов. Осадочные породы накапливались и уплотнялись иногда миллионы лет. Сними связаны такие важнейшие полезные ископаемые, как нефть и природный газ, уголь, железо, алюминий, золото и др. В зависимости от происхождения осадочные породы делят на обломочные, глинистые, химические и биохимические. Обломочные породы Это продукты механического разрушения коренных горных пород. Их классифицируют по размерам обломков (в мм грубообломочные породы более 1 песчаные породы •..-'- 0,1—1,0 алевритовые фракции 0,01—0,1 Обломочные породы могут быть разделены на рыхлые и сцементированные, а также на угловатые и окатанные (округленные. Угловатые грубообломочные породы — древса (1—10 мм, щебень (10—100 мм, глыбы (более 100 мм, а округленные — гравий,галька, валуны. Рыхлые песчаные породы — пески, а сцементированные — песчаники. Алеврит (от греч aleuron — мука) — разновидность рыхлой осадочной горной породы, по составу является промежуточной между песчаными и глинистыми породами. Размер главной массы зерен 0,01—0,1 мм. Глинистые породы Они состоят из мельчайших минеральных частиц размерами менее 0,01 мм и содержат свыше 30% тонкодисперсных частиц размером менее 0,001 мм. Помине ральному составу глины резко отличаются от типичных обломочных пород, они состоят преимущественно из кремнезема и глинозема. Глины обладают пластичностью и низкой водопроницаемостью, благодаря которой они играют роль водоупорных горизонтов подземных вод. Химические и биохимические породы Они образуются в результате химических реакций или выпаривания, либо при косвенном участии биологических организмов, а также при концентрации их тел и скелетов. К данной группе относятся такие широко известные породы, как бокситы, фосфориты, бурые железняки, известняки, мел, доломиты, гипс, бурые и каменные угли, горючие сланцы и др.
7.2. Геосферные оболочки Земли
261 Метаморфические горные породы. Они образуются путем глубокого преобразования магматических и осадочных пород под действием огромных давлений и высоких температур на большой глубине. В результате получаются породы, отличающиеся от исходных минералогическим составом. К метаморфическим породам относятся твердые глинистые и слюдянистые сланцы (получающиеся из мягкой сланцевой глины, мрамор (из известняков, кварциты (из песчаников, яшмы, серпентиниты (из ультраосновных породи др. Эти породы обычно более устойчивы к выветриванию, чем другие. Геологические циклы Взаимное расположение и очертание континентов и океанского дна постоянно изменяются. В пределах верхних оболочек Земли происходит непрерывная постепенная замена одних пород другими, называемая большим круговоротом вещества. Геологические процессы образования и разрушения гор являются величайшими энергетическими процессами в биосфере Земли. В пределах литосферы горные породы постоянно, хотя и очень медленно, перемещаются, образуя геологические цик-
Рис. 7.21. Схема геологического цикла Земли (по Дж. Андерсону)
262 Глава 7. БИОСФЕРА лы (рис. 7.21). Геофизические процессы (извержение магмы, вулканическая активность и поднятие крупных блоков земной коры) осуществляются за счет теплоты, выделяющейся в результате распада в недрах Земли изотопов калия, урана и тория. Процессы, протекающие наземной поверхности, — эрозия, выветривание и перенос осадков, — происходят за счет энергии Солнца, трансформированной в кинетическую энергию ветра и водных потоков, а также в тепловую энергию. Наиболее быстро движение в геологическом цикле происходит при извержении вулканов и излиянии лав в районах рифтовых долин. Круговорот осадочного вещества осуществляется за десятки и сотни миллионов лет. В экологическом масштабе времени минералы, отложившиеся в глубоководных осадках, можно считать полностью выведенными из круговорота. 7.2.4.3. Учение о почве На поверхности коры выветривания формируется почвенный покров — основа земельного фонда биосферы. Он представляет собой самостоятельную земную оболочку — педосферу. Почва — особое органоминеральное естественно-историче
ское природное образование, сформировавшееся в результате длительного преобразования поверхностных слоев литосферы при совместном взаимообуславливающем воздействии гидросферы, атмосферы, живых и мертвых организмов в различных условиях климата и рельефа в гравитационном поле Земли. Изучение почв началось в глубокой древности с началом развития земледелия. Впервые мысль о том, что почвы снабжают растения питательными веществами, высказал в XVII в. французский ученый Б. Палисси. Научные представления о механизме минерального питания растений и роли Си воздуха, а также воды в почве стали развиваться в следующем столетии, чему способствовало развитие естественных и физи
ко-математических наук. МВ. Ломоносов определял почву как продукт воздействия растений нагорные породы, а перегной рассматривал как результат биологических процессов. На рубеже XVII—XIX вв. на смену теории водного питания растений пришла гумусовая теория А. Тэера, по которой для питания растений достаточно органических веществ почвы и воды. В целом ошибочная гумусовая теория внесла большой вклад в науку, ибо привлекла внимание к изучению гумуса почв, к травосеянию и органическим удобрениям. А. Тэер — один из основоположников многопольных севооборотов, орга-
7.2. Геосферные оболочки Земли
263 низатор первого в истории высшего агрономического учебного заведения. Немецкий агрохимик Ю. Либих сформулировал минеральную теорию питания растений, согласно которой растения усваивают из почвы минеральные вещества, а из перегноя — только углерод. Таким образом, запас минеральных веществ в почве ограничен, и каждый новый урожай истощает почву. Следовательно, для ликвидации дефицита элементов в почву необходимо вносить минеральные удобрения. Введение в практику сельского хозяйства минеральных удобрений КА. Тими
рязев назвал величайшим приобретением науки. Недостаток теории Ю. Либиха в том, что почва считалась простым резервуаром элементов питания растений. Основателем современного почвоведения является русский ученый В. В. Докучаев. Им впервые сформулировано понятие о почве как об особом естественно-историческом теле, разработаны методы изучения и картографирования почв, заложены основы их генетической классификации. В. В. Докучаев предложил рассматривать почву как динамическую, а не инертную среду, открыл основные закономерности географического распространения почв.
7.2.4.4. Химический состав почвы Твердая часть почвы состоит из минеральных и органических веществ. Минеральный состав Он определяется составом почвооб- разующих пород, возрастом почвы, особенностями рельефа, климата и т. д. В состав минеральной части почвы входят Si,
Al, Fe, К, N, Mg, Ca, P, S, некоторые микроэлементы Си, Мо,
J, В, F, РЬ и др. Подавляющее большинство химических элементов в почве находится в окисленной форме Si0 2
, A1 2
0 3
,
F e
2 0
3
, K
2 0 , N a
2 0 , MgO, CaO. В почвах распространены также соли угольной, серной, фосфорной, хлористоводородной и других кислот. На основных породах почва более богата Al, Fe, щелочноземельными и щелочными металлами, а на породах кислого состава — Si. В засоленных почвах преобладают хлориды и сульфаты кальция, магния, натрия.
1
Генетическая (от греч genesis — происхождение, возникновение, потому что учитывает условия возникновения и формирования почв ив свою очередь отражает эти условия.
264 Глава 7. БИОСФЕРА Органический состав Он формируется из соединений, содержащихся в большом количестве в растительных и животных остатках. Это белки, углеводы, органические кислоты, жиры, лигнин, дубильные вещества и др, в сумме составляющие 10—15% от всей массы органического вещества в почве. При разложении органических веществ содержащийся в них азот переходит в формы, доступные растениям. Органические вещества играют важную роль в почвообразовании, определяют величину поглотительной способности почв, воздействуют на структуру верхних горизонтов почвы и ее физические свойства. Органическое вещество почвы образуется при разложении мертвых организмов, их частей (например, опавших листьев, фекалий и т. п. Мертвый органический материал используется в пищу совместно детритофагами и редуцентами (грибами и бактериями, завершающими процесс разложения. Неполно стью разложившиеся остатки органики называют подстилкой, а конечный продукт разложения, в котором невозможно различить первоначальный материал, — гумусом. Гумус — аморфное органическое вещество почвы, образующееся в результате разложения растительных и животных остатков и продуктов жизнедеятельности организмов, причем утратившее тканевую структуру 1 По химическому составу — это сложная смесь разнообразных органических молекул. Гумус состоит из гуминовых кислот, фульвокислот, гумина и ульмина; имеет цвет от темно-бу рого до черного. По агрегатному состоянию гумус похож на глину и то и другое находится в коллоидном состоянии. Отдельные его частицы прочно прилипают к глине, образуя глино-гумусовый комплекс. Гумуса в верхних горизонтах почвы содержится от десятых долей до 18% (в черноземных почвах, а мощность гумусовых горизонтов от нескольких сантиметров дом. Формирование урожаев связано с большим расходом биогенных элементов почв, распадом гумуса. Так, на урожай зерновых, равный 50 ц/га, расходуется не менее 10 ц гумуса или 0,03% массы пахотного слоя. Иногда в качестве синонима гумусу указывается термин перегной, однако это неточно. Перегной в понимании грубый гумус допускает наличие остатков организмов, не утративших тканевую структуру, а перегной в широком смысле даже не исключает наличие в нем живых организмов — низших (микроорганизмов) и высших (личинок насекомых и др.
7.2. Геосферные оболочки Земли
265 Гумификация — процесс превращения органических остатков входе биохимических реакций при затрудненном доступе кислорода в темноокрашенные высокомолекулярные вещества, в основном в гуминовые и близкие к ним кислоты. В процессе гумификации происходит нет о ль кора зло жени е , но и синтез органических веществ. Для формирования гумуса необходим дренаж почвы, так как при переувлажнении разложение идет очень медленно из-за нехватки кислорода, препятствующей росту аэробных редуцентов. В таких условиях растительные и животные остатки сохраняют свою структуру и, спрессовываясь, образуют торф. Одновременно с гумификацией многие жизненно важные элементы переходят из органических соединений в неорганические, например, азот в ионы аммония (NH4), фосфор в орто- фосфат-ионы (Н
2
РО^), сера в сульфат-ионы (SO|), те. идет процесс минерализации Углерод высвобождается в процессах дыхания ив виде С 0 2
поступает в атмосферу.
7.2.4.5. Профиль почвы В результате перемещения и превращения веществ почва любого типа расчленяется на отдельные слои или горизонты, сочетание которых составляет профиль почвы (рис. 7.22). Во всех типах почв самый верхний горизонт A
v
который имеет относительно темный цвет, называют гумусовым или
перегнойно-аккумулятивным. В нем располагается большая часть корней растений. Избыток или недостаток гумуса определяет плодородие почвы. Мощность гумусового горизонта колеблется в широком интервале от 10—30 до 100—300 мм и более. В верхнем слое почвы пашни в результате регулярной обработки формируется пахотный гумусовый горизонт с ровной, параллельной поверхности границей на глубине 200—250 мм. На лугах и сенокосах верхняя часть гумусового горизонта может плотно переплетаться с корнями живых травянистых растений, образующих дернину. Выше горизонта Ах иногда находится горизонт А, состоящий из разлагающихся растительных остатков лесной подстилки, степного войлока и т. п. В лесных почвах под горизонтом Ах залегает малоплодородный подзолистый (элювиальный) горизонт А имеющий Под цвет золы.
266 Глава 7. БИОСФЕРА В с D Ао А, А Рис. 7.22. Характерный профиль (схематический разрез) почвы светлый оттенок, непрочную структуру и пылеватое строение. В черноземных, темно-каштановых, каштановых и других типах почв этот горизонт отсутствует. В нечерноземной зоне он зачастую начинается от поверхности. Присутствие горизонта А свидетельствует о том, что верхние слои почвенного профиля бедны элементами питания, имеют кислую реакцию. Подзолистый горизонт обладает низким плодородием, ибо кислые растворы, поступающие из верхнего горизонта, выносят из него все металлы (кальций, магний, марганец, железо, алюминий. Остается лишь кварц, имеющий белесую окраску. На пашне подзолистый горизонт может быть разрушен при обработке и вовлечен в пахотный горизонтА
п ах. Из горизонта А (А + Ау + А часть химических соединений вымывается вниз в горизонт В — горизонт вмывания иллювиальный Там поступающее сверху вещество (ил, органическое вещество, железо, другие металлы) накапливается и преобразуется. Ниже расположен почвенный горизонт С — материнская порода измененная почвообразующим процессом, под которой залегает горизонт D — исходная горная порода незатронутая почвообразованием. Материнская порода обычно залегает на глубине болеем (если почва не заболочена.
7.2. Геосферные оболочки Земли 267 Все горизонты почвы представляют собой смесь минеральных и органических элементов в различных сочетаниях. При избыточной увлажненности почвы ее генетические горизонты модифицируются и превращаются в глеевый, оглеенный или торфяный. Глеевый горизонт G служит индикатором постоянного или очень длительного переувлажнения и имеет характерную холодную окраску — синеватую, серо-сизую или голубоватую. Он практически не корнеобитаем, постоянно обводнен, в нем отсутствует кислород. Если горизонт подвергается относительно непродолжительному переувлажнению и сохраняет признаки основного генетического горизонта (например, подзолистого, иллювиального и др, то он как бы маркируется признаками периодического застоя избыточной влаги. Такой горизонт называется оглеенным и обозначается индексом g совместно с основным индексом горизонта, например Bg. В оглеенных горизонтах плохо развиваются корни растений, сельскохозяйственные культуры подвергаются угнетению и гибнут. Характерным примером может служить почва со следующим чередованием генетических горизонтов A
v
А Вили гумусовый, подзолистый, иллювиальный, иллювиальный оглеенный, глеевый. Активное переувлажнение приводит к накоплению в поверхностных горизонтах органических остатков. Если их по массе более 30%, существуют растительные волокна, также различимы остатки растений-торфообразователей, то формируется торфяный горизонт Т Нередко мощность слоя торфа достигает 2—4 м, но чаще 1—2 м. Часть торфа, имеющая контакт с воздухом, окрашена в черный цвет, как и осушенная толща торфяных почв. Ниже постоянного уровня грунтовых вод торф имеет желтоватый, бурый или соломистый цвет. Помимо перечисленных, наиболее распространенных генетических горизонтов, выделяют и иные специфические горизонты, которым характерно, например, повышенное содержание карбонатов (карбонатный горизонт, железа (рудяковый горизонт, извести (известковый горизонт) и др.
7.2.4.6. Почвообразование В своей классической работе о почвах России в 1870 г. В. В. Докучаев определил главные почвообразующие факторы, а именно климат, геологические условия (материнскую породу, топографию (рельеф, живые организмы и время (рис. 7.23).
268 Глава 7. БИОСФЕРА Рис. 7.23. Схема взаимодействия четырех почвообразующих факторов по Н. Грину, У. Стауту, Д. Тейлору Влияние времени в схеме не отражено Физическое и химическое разрушение материнской породы под влиянием климата ив меньшей степени живых организмов называется выветриванием Основными факторами, вызывающими выветривание, являются вода и температурные колебания, поэтому осадки (дождь и снег) и температурный режим — два главных климатических фактора почвообразования. Влияние топографии связано стем, что на различной высоте, при различной крутизне и экспозиции склона условия различны. Живые организмы образуют органические компоненты почвы (подстилку и гумус. Деятельность почвенных детрито- фагов зависит от растительности. При прохождении через пищеварительный тракт дождевого червя минеральные и органические компоненты измельчаются и перемешиваются, что улучшает структуру почвы. Ходы детритофагов и мелких позвоночных животных улучшают аэрацию и облегчают рост корней. Важное значение для образования почвы имеет время. Скорость этого процесса в умеренном климате различна — может потребоваться от нескольких десятилетий (при формиро-
7.2. Геосферные оболочки Земли
269 вании почвы на вулканическом пепле) до нескольких тысяч лет (на обнаженной поверхности скальных пород. Почва постоянно развивается и изменяется, вследствие чего существует большое разнообразие ее типов. Тип почвы в конкретной местности имеет большое значение для человека, так как от него зависит урожайность сельскохозяйственных культур. Главнейшими типами почв России являются тундровые, подзолистые почвы таежно-лесной зоны (наиболее распространенные, черноземы, серые лесные почвы, каштановые почвы (к югу и востоку от черноземных, бурые (в сухих степях и полупустынях, красноземы, солончаки.
7.2.4.7. Почва как компонент биосферы Плодородие — способность обеспечивать рост и развитие растений. Это важнейшее свойство почвы играет первостепенную роль в жизни человека, но ее уникальная ценность не ограничивается сферой сельскохозяйственного производства. Почва является главным звеном всех наземных биоцено
зов и биосферы Земли в целом, а также одним из основных природных ресурсов. Плодородие обусловлено суммой всех свойств почвы, среди которых особо выделяют поглотительную способность — свойство удерживать питательные вещества в зоне корневых систем. Учение о поглотительной способности почв разработал советский ученый К. К. Гедройц (1933), выделивший несколько типов поглотительной способности почв механическую, моле- кулярно-сорбционную, ионно-сорбционную и биологическую. Совокупность физических и химических свойств почвы, способность экологически воздействовать на живые организмы имеет существенное значение для постоянных или временных обитателей почвенного покрова и прежде всего для животных. Почва представляет собой опорный субстрат для большинства наземных и водных видов растительных организмов, и из нее они получают необходимые для жизни минеральные вещества и воду. Основные почвообразующие факторы (климат и растительность) распределяются на поверхности нашей планеты в виде поясов или зон, вытянутых более или менее параллельно широтам. В связи с этим почвы располагаются поземной поверхности зонально. Вовсе геологические периоды почвенный покров подвергался воздействию естественных сил природы размыванию, разрушению и созиданию, а в связи с расширением масштабов
270 Глава 7. БИОСФЕРА и интенсификацией хозяйственной деятельности человека это воздействие усиливается. Сохранение почвенного покрова Земли — необходимое условие обеспечения и поддержания экологического равновесия в биосфере.
7.2.5. Магнитосфера Земля представляет собой как бы огромный магнит, воображаемая ось которого лежит близко коси вращения планеты Магнитосфера — это зона проявления магнитных свойств космического тела. Геомагнитное поле относится к естественным электромагнитным полями, как и гравитационное поле, является всепроникающими всеохватывающим физическим фактором, миллиарды лет влиявигем на эволюцию организмов биосферы и на процессы, происходящие на Земле ив окружающем ее пространстве в наши дни. Магнитное поле Земли простирается на 70—80 тыс. км по направлению к Солнцу и на многие миллионы километров в противоположном направлении (рис. 7.24). Магнитосфера оказывает сильное воздействие на движущиеся в космическом пространстве в сторону Земли заряженные электрические частицы солнечный ветер. Часть этих частиц (электронов и протонов) удерживается магнитосферой, образуя огромное кольцо или радиационный пояс Земли охватывающий нашу планету вокруг геомагнитного экватора. Магнитосфера отделена от межпланетного пространства магнитопаузой, вдоль которой солнечный ветер обтекает планету. Заряженные частицы в магнитном поле движутся по-разному, в зависимости от соотношения плотностей магнитной и кинетической энергий. На расстоянии околоземных радиусов поток заряженных частиц встречает силь-
Рис. 7.24. Строение магнитосферы Земли 1 — магнитопауза
2 — Земля 3 — радиационный пояс 4 — фронт ударной волны
5 — переходная область 6 — плоскость геомагнитного экватора
|
|
|
Скачать 4.61 Mb.