Круговорот вещества и энергии в почве

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

 

по почвоведению на тему:

«Круговорот вещества и  энергии в почве»

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

 

 

Проверил:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

В настоящее время круговорот веществ является одной из важнейших теоретических концепций, как в почвоведении, так и биогеохимии. Исследование в этой области касается различных уровней организации наземных экосистем – от живых организмов и популяций - до биогеоценозов и биосферы в целом¹. В области биологического круговорота исследования можно рассматривать как развитие системы взглядов на современные или прошлые процессы, происходящие в биосфере или смежных оболочках, при которых, естественным образом, живым организмам уделяется центральное место.

Согласно мнению выдающегося естествоиспытателя В.И. Вернадского, именно в биогенном токе атомов, который существует в биосфере между живыми организмами и косной материей, заключается основной механизм устойчивости биосферы². Но, чтобы понять данный механизм, нужно разобраться в связях, в круговоротах химических веществ,  и понять их сущность.

В данной работе перед  нами стояла цель охарактеризовать основные круговороты веществ, протекающие в почве.

Для решения поставленной цели были определены следующие задачи:

1. Дать определение понятий «почва», «круговорот веществ»;
2. Перечислить и проанализировать основные круговороты веществ, присущие почве;
3. Дать качественную и количественную характеристику элементов почвы.

 

1. Понятие о почве и круговороте веществ

 

 

1. Понятие «почва»

Почвой называют верхний, рыхлый слой земной коры, измененный под  влиянием климатических условий (воды, тепла, света, воздуха), растительных и животных организмов, а также под воздействием человека³. 

Особое природное образование, обладающее рядом свойств, присущих живой и неживой природе; состоит из генетически связанных горизонтов, возникающих в результате преобразования поверхностных слоев литосферы под совместным воздействием воды, воздуха и организмов⁴.

Наряду с понятием  «почва» целесообразно рассмотреть такое понятие, как «почвообразование».

Почвообразовательный  процесс (почвообразование) – это сложный природный процесс преобразования материнской горной породы в почву, ее становления и эволюции под воздействием комплекса факторов.

По своей природе почвообразование – это биофизико-химический процесс.

Общая схема почвообразования состоит из следующих основных стадий⁵:

1) привнесение химических  элементов и соединений с атмосферными  осадками, почвенными животными и растениями в почвообразующую породу;

2)элементарные процессы содействуют преобразованию, перемещению и аккумуляции химических элементов по профилю почвы;

3) частичный вынос  химических элементов за пределы  почвенного профиля с участием атмосферных осадков.

Первая стадия – привнесение химических элементов и соединений с атмосферными осадками, почвенными животными и растениями в почвообразующую породу. Одноклеточные организмы поселяются на породе, добывают из нее труднодоступные элементы и связываю азот. Все это создает условия для поселения более сложных растительных организмов. 

2 стадия – преобразование, перемещение и аккумуляция химических  элементов по профилю почвы и формирование генетических горизонтов.  
При взаимодействии минеральных и органических веществ, образуется сложная система органо-минеральных соединений.

3 стадия – частичный  вынос химических элементов за  пределы почвенного профиля с  участием атмосферных осадков.  Эта стадия начинается когда почва уже сформирована (наличие определенного состава и свойств почвы).

Характерной чертой почвообразовательного процесса является перераспределение части минеральных и органических веществ по вертикальному профилю с помощью воды и корневых систем растений и возникновение генетических горизонтов.

Под влиянием факторов почвообразования протекают разнообразные процессы, которые можно объединить в следующие  основные группы:

1) обмен веществами и энергией между почвой и природными телами;

2) процессы превращения веществ и энергии, происходящие в самом почвенном теле без перемещения веществ;

3) процессы передвижения  веществ и энергии в почве⁶.

К первой группе относятся: многосторонний обмен газами, влагой и твёрдыми частицами в системе атмосфера — почва — растительность (надземные органы); двусторонний обмен газами и влагой с растворёнными в ней веществами в системе почва — грунт (породы, залегающие под почвой, включая почвообразующую и подстилающую); многосторонний обмен тепловой энергией в системе атмосфера — растительность — почва — грунт; двусторонний обмен зольными веществами, соединениями азота, CO₂ и O₂ в системе почва — высшая растительность.

Вторая группа включает огромное количество весьма разнообразных  процессов: разложение органических соединений и синтез гумусовых веществ; образование и распад органо-минеральных соединений, т. е. процессы, связанные с круговоротом углерода (разложение углеводов, дубильных веществ, лигнина и др.); процессы, связанные с круговоротом азота — Аммонификация, Нитрификация и Денитрификация, фиксация атмосферного азота; разложение и превращение первичных и вторичных минералов и синтез вторичных.

Третья группа: передвижение почвенного воздуха под влиянием меняющихся давления и температуры; диффузное передвижение газов и водяного пара, передвижение почвенного раствора под действием силы тяжести, капиллярных, сорбционных и осмотических сил; передвижение почвенной массы роющими животными, под влиянием давления корней и др.

 

 

 

2. Понятие «круговорот веществ»

Движение большинства химических элементов осуществляется в виде круговых процессов - круговоротов. Именно эти элементы слагают земную кору, жидкую и газовую оболочки нашей планеты⁷. Их круговороты могут происходить на ограниченном пространстве  и на протяжении небольших отрезков времени, а может охватывать всю наружную  часть планеты и огромные периоды. В природе существует целый ряд круговоротов вещества и энергии.

Выделяют большой и  малый круговороты. Основная характеристика заключается в следующем: большой круговорот веществ в природе (геологический) обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли и осуществляет перераспределение веществ между биосферой и более глубокими горизонтами Земли.

В данной работе мы остановим  свое внимание на малом круговороте веществ.

Малый круговорот веществ (биогеохимический) совершается лишь в пределах биосферы. Сущность его  заключается в образовании живого вещества из неорганических соединений в процессе фотосинтеза и в  превращении органического вещества при разложении вновь в неорганические соединения. Главным источником энергии круговорота является солнечный свет, который обеспечивает фотосинтез⁸.

Ранее, рассматривая понятие «почвообразование», приводилась характеристика трех стадий, к первой из которых относилось привнесение органических веществ в почвообразующую породу.

В данной главе целесообразно  рассмотреть подробнее механизм образования органических веществ  из неорганических, и круговорот химических элементов при этом.

Зеленые растения поглощают  из породы необходимые химические элементы, осуществляют фотосинтез и создают органические вещества.

Органические остатки  отмерших организмов разлагаются микроорганизмами. Из большей части остатков, после  их частичного разложения, синтезируется  новое стойкое вещество – гумус, а остальная часть полностью минерализуется до конечных продуктов разложения – СО₂, Н₂О, ионы. Гумус постепенно накапливается в верхней части породы, придавая ей темную окраску и новые свойства⁹. Одновременно с образованием гумуса идет и процесс его разложения микроорганизмами.

В результате постоянно  идущих процессов синтеза и разложения органического вещества происходит круговорот углерода, азота и элементов зольного питания в системе почва – растение – почва. Его обычно называют малым или биологическим круговоротом веществ. Благодаря биологическому круговороту в верхних слоях почвы накапливаются элементы питания растений N, К, Р, Са, S, и др.

В поверхностных горизонтах накапливаются органическое вещество, азот и фосфор, обменные соединения алюминия, кальция, магния, калия, натрия; во многих случаях происходит потеря силикатных соединений (за исключением кремнезёма в форме кварца).

 

2. Круговороты основных веществ в почвах

 

1. Биотический круговорот

Под биотическим (биологическим) круговоротом понимается циркуляция веществ  между почвой, растениями, животными  и микроорганизмами.

 По определению  Н. П. Ремезова, Л. Е. Родина  и Н. И. Базилевич, биотический  (биологический) круговорот — это поступление химических элементов из почвы, воды и атмосферы в живые организмы, превращение в них поступающих элементов в новые сложные соединения и возвращение их обратно в процессе жизнедеятельности с ежегодным опадом части органического вещества или с полностью отмершими организмами, входящими в состав экосистемы¹⁰.

Микроорганизмы способны быстро размножаться и приспосабливаться  к разным условиям, например, использовать в своем питании всевозможные субстраты — источники углерода. Высшие организмы такими способностями не обладают.

Вначале развиваются  многоклеточные растения (Р) — высшие продуценты. Вместе с одноклеточными они создают в процессе фотосинтеза  органическое вещество, используя энергию  солнечного излучения. В дальнейшем подключаются первичные консументы — растительноядные животные (Т), а затем и плотоядные консументы.

Все организмы занимают определенное место в биотическом  круговороте и выполняют свои функции по трансформации достающихся  им ветвей потока энергии и по передаче биомассы. Всех объединяет, обезличивает их вещества и замыкает общий круг система одноклеточных редуцентов (деструкторов). В абиотическую среду биосферы они возвращают все элементы, необходимые для новых и новых оборотов.

Фотосинтез относится  к мощному естественному процессу, вовлекающему ежегодно в круговорот огромные массы вещества биосферы и определяющему ее высокий кислородный потенциал. Он выступает регулятором основных геохимических процессов в биосфере и фактором, определяющим наличие свободной энергии верхних оболочек земного шара.

За счет углекислоты  и воды синтезируется органическое вещество и выделяется свободный  кислород. Прямыми продуктами фотосинтеза  являются различные органические соединения, а в целом процесс фотосинтеза носит довольно сложный характер¹¹.

В биосфере Земли этот процесс приводит к тому, что количество биомассы живого вещества приобретает  тенденцию к определенному постоянству. Растения Земли ежегодно продуцируют органическое вещество, равное 8% биомассы экосферы. Деструкторы, составляющие менее 1% суммарной биомассы организмов планеты, перерабатывают массу органического вещества, в 10 раз превосходящую их собственную биомассу.

Закон биогенной миграции атомов В. И. Вернадского гласит: «Миграция  химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция), или же она протекает в среде, геохимические особенности которой (О₂, СО₂, Н₂ и т. д.) обусловлены живым веществом, как тем, которое в настоящее время населяет биосферу, так и тем, которое действовало на Земле в течение всей геологической истории»¹².

В. И. Вернадский в 1928—1930 гг. дал представление о пяти основных биогеохимических функциях живого вещества.

Первая функция —  газовая. Большинство газов верхних горизонтов планеты порождено жизнью. Подземные горючие газы являются продуктами разложения органических веществ растительного происхождения, захороненных ранее в осадочных толщах. Наиболее распространенный — это болотный газ — метан (СН₄,).

Вторая функция — концентрационная. Организмы накапливают в своих телах многие химические элементы. Среди них на первом месте стоит углерод. Содержание углерода в углях по степени концентрации в тысячи раз больше, чем в среднем для земной коры.

Третья функция — окислительно-восстановительная. В истории многих химических элементов с переменной валентностью она играет важную роль. Организмы, обитающие в разных водоемах, в процессе своей жизнедеятельности и после гибели регулируют кислородный режим и тем самым создают условия, благоприятные для растворения или же осаждения ряда металлов с переменной валентностью.