Круговорот вещества и энергии в почве

Четвертая функция —  биохимическая. Она связана с  ростом, размножением и перемещением живых организмов в пространстве. Размножение приводит к быстрому распространению живых организмов, «расползанию» живого вещества в разные географические области.

Пятая функция — это  биогеохимическая деятельность человечества, охватывающая все возрастающее количество вещества земной коры для нужд промышленности, транспорта, сельского хозяйства. Данная функция занимает особое место в истории земного шара и заслуживает внимательного отношения и изучения¹³.

Таким образом, все живое  население нашей планеты —  живое вещество — находится в  постоянном круговороте биофильных химических элементов. Биологический круговорот веществ в биосфере связан с большим геологическим круговоротом.

Взаимосвязь малого биологического круговорота 
веществ в биосфере с большим геологическим круговоротом.

 

2. Круговорот органических веществ

Растения являются единственным первоисточником органических веществ в почве. Основной функцией их как почвообразователей следует считать биологический круговорот веществ - синтез биомассы за счет углекислого газа атмосферы, солнечной энергии, воды и минеральных соединений, поступающих из почвы. Биомасса растений в виде корневых остатков и наземного опада возвращается в почву. Характер участия зеленых растений в почвообразовании различен и зависит от типа растительности и интенсивности биологического круговорота¹⁴.

Учение о растительных формациях с точки зрения почвоведения было разработано В. Р. Вильямсом. В качестве основных критериев для разделения растительных формаций им были приняты такие показатели, как состав растительных группировок, особенности поступления в почву органического вещества и характер его разложения под воздействием микроорганизмов при различном соотношении аэробных и анаэробных процессов.

Согласно Н. Н. Розову, различают следующие основные группы растительных формаций:

1. деревянистая растительная формация: таежные леса, широколиственные леса, влажные субтропические леса и ливневые тропические леса;
2. переходная деревянисто - травянистая растительная формация: ксерофитные леса, саванны;
3. травянистая растительная формация: суходольные и заболоченные луга, травянистые прерии, степи умеренного пояса, субтропические кустарниковые степи;
4. пустынная растительная формация: растительность суббореального, субтропического и тропического почвенно - климатических поясов;
5. лишайниково - моховая растительная формация: тундра, верховые болота¹⁵.

Для каждой группы растительных формаций, а внутри группы для каждой формации характерен определенный биологический цикл превращения  веществ в почве. Он зависит от количества и состава органического  вещества, а также от особенностей взаимодействия продуктов распада с минеральной частью почвы. Поэтому различия в растительности являются главной причиной почвенного многообразия в природе. Так, под широколиственным лесом и лугово - степной растительностью в одинаковых условиях климата и рельефа и на одних и тех же породах будут формироваться разные почвы.

Распределение растительности подчиняется закону широтной зональности. В каждой природной  зоне продуктивность растительных сообществ  зависит от климатических и почвенных  условий (табл.1).

Таблица 1

Биологический круговорот веществ (по Л. Е. Родину, Н. И. Базилевич)¹⁶

Растительные  сообщества	Органическое  вещество, т/га				Зольные элементы и азот, кг/га
	Биомасса		Ежегодный		В биомассе	Ежегодно
	общая	корней	прирост	опад		потребляется	возвращается  с опадом
Арктические тундры	5	3	1	1	160	38	37
Ельники южной тайги	330	73,5	8,5	5,5	2600	155	120
Березняки	220	50,5	12	7	2100	380	290
Дубравы	400	96	9	6,5	5800	340	255
Луговые степи	25	17	13,7	13,7	1180	682	682
Сухие степи	10	8,5	4,2	4,2	350	161	161
Пустыни полукустарничковые	4,3	3,8	1,2	1,2	180	59	59

 

Таким образом, от типа растительности и интенсивности  биологического круговорота зависят  почвообразовательный процесс и свойства почв¹⁷.

Микроорганизмы  являются тем активным фактором, с  деятельностью которого связаны  процессы разложения органических веществ  и превращения их в почвенный  перегной. Микроорганизмы осуществляют фиксацию атмосферного азота. Они выделяют ферменты, витамины, ростовые и другие биологические вещества. От деятельности микроорганизмов зависит поступление в почвенный раствор элементов питания растений, а, следовательно, плодородие почвы.

Гетеротрофные бактерии используют углерод органических соединений, разлагая органические остатки до простых минеральных соединений.

Автотрофные бактерии усваивают углерод из углекислоты воздуха и окисляют недоокисленные минеральные соединения, образующиеся в процессе деятельности гетеротрофов.

Актиномицеты  разлагают клетчатку, лигнин, перегнойные  вещества почвы, участвуют в образовании  гумуса. Они лучше развиваются  в почвах с нейтральной или  слабощелочной реакцией, богатых  органическим веществом и хорошо обрабатываемых.

Грибы - сапрофиты - гетеротрофные организмы. Они встречаются во всех почвах. Имея ветвящийся мицелий, грибы густо переплетают органические остатки в почве. В аэробных условиях они разлагают клетчатку, лигнин, жиры, белки и другие органические соединения. Грибы участвуют в минерализации гумуса почвы.

Наиболее активные почвообразователи из числа беспозвоночных - дождевые черви. Начиная с Ч. Дарвина, многие ученые отмечали их важную роль в почвообразовательном процессе.

Дождевые черви  распространены практически повсеместно как в окультуренных, так и в целинных почвах. Их количество колеблется от сотен тысяч до нескольких миллионов на 1 га. Перемещаясь внутри почвы и питаясь растительными остатками, дождевые черви активно участвуют в переработке и разложении органических остатков, пропуская через себя огромную массу почвы в процессе пищеварения.

 

3. Круговорот азота

В отличие от углерода, атмосферный азот не может  напрямую использоваться высшими растениями. Поэтому ключевую роль в биологическом  круговороте азота играют организмы-фиксаторы. Это микроорганизмы нескольких различных групп, обладающие способностью путём прямой фиксации непосредственно извлекать азот из атмосферы и, в конечном счёте, связывать его в почве. К ним относятся:

• некоторые свободноживущие почвенные бактерии;
• симбионтные клубеньковые бактерии (существующие в симбиозе с бобовыми);
• цианобионты, которые также бывают симбионтами грибов, мхов, папоротников, а иногда и высших растений. В результате деятельности организмов - фиксаторов азота он связывается в почвах в нитритной форме (соединения на основе NH3)¹⁸.

Нитритные соединения азота способны мигрировать в  водных растворах. При этом они окисляются и преобразуются в нитратные - соли азотной кислоты HNO3. В этой форме  азотные соединения способны эффективно усваиваться высшими растениями и использоваться для синтеза белковых молекул на основе пептидных связей C-N. Далее, по трофическим цепям, азот попадает в организмы животных.

В окружающую среду (в водные растворы и в почву) он возвращается в процессах выделительной деятельности животных или разложения органического вещества.

Возврат свободного азота в атмосферу, как и его  извлечение, осуществляется в результате микробиологических процессов. Это  звено круговорота функционирует  благодаря деятельности почвенных бактерий-денитрификаторов, вновь переводящих азот в молекулярную форму.

В литосфере, в  составе осадочных отложений, связывается  весьма небольшая часть азота. Причина  этого в том, что минеральные  соединения азота, в отличие от карбонатов, очень хорошо растворимы. Выпадение некоторой доли азота из биологического круговорота также компенсируется вулканическими процессами. Благодаря вулканической деятельности в атмосферу поступают различные газообразные соединения азота, который в условиях географической оболочки Земли неизбежно переходит в свободную молекулярную форму.

Огромное количество азота в связанном виде содержит биосфера: в органическом веществе почвенного покрова (1,5х1011 т), в биомассе растений (1,1х109 т), в биомассе животных (6,1х107 т). В больших количествах азот содержится и в некоторых биогенных ископаемых (селитры). В то же время наблюдается парадокс - при огромном содержании азота в атмосфере вследствие чрезвычайно высокой растворимости солей азотной кислоты и солей аммония, азота в почве мало и почти всегда недостаточно для питания растений. Поэтому потребность культурных растений в азотных удобрениях всегда высока. Поэтому ежегодно в почву вносится по разным оценкам от 30 до 35 млн. тонн азота в виде минеральных удобрений.

 

4. Круговорот углерода

Углерод находится  в природе как в свободном  состоянии, так и в виде

многочисленных  соединений. Свободный углерод встречается  в виде алмаза и графита.

Соединения углерода очень распространены. Кроме ископаемого  угля, в недрах Земли находятся большие скопления нефти, представляющей сложную смесь различных углеродсодержащих соединений, преимущественно углеводородов. Кроме того растительные и животные организмы состоят из веществ, в образовании которых главное участие принимает углерод. Таким образом, этот элемент – один из распространенных на Земле, хотя общее его содержание в земной коре составляет всего около 0,1%¹⁹.

Углекислый газ  поглощается растениями-продуцентами и в процессе фотосинтеза преобразуется в углеводы, белки, липиды и другие органические соединения. Эти вещества с пищей используют животные-консументы. Одновременно с этим в природе происходит обратный процесс. Все живые организмы дышат, выделяя углекислый газ, который поступает в атмосферу. Мертвые растительные и животные остатки и экскременты животных разлагаются (минерализуются) микроорганизмами-редуцентами. Конечный продукт минерализации - углекислый газ - выделяется из почвы или водоемов в атмосферу. Часть углерода накапливается в почве в виде органических соединений (рис.1.).

Рис. 1. Круговорот веществ в природе: 1 – круговорот воды, кислорода и углерода; 2 – круговорот азота

 

3. Понятие энергии в почве

 

Своим существованием географическая оболочка обязана различным видам энергии:

• основные первичные виды энергии - лучистая энергия Солнца и внутренняя теплота Земли;
• вторичные виды энергии, являющиеся результатом трансформации первичных, - химическая энергия, проявляющаяся преимущественно в виде окислительно-восстановительных процессов, и биогенная, источником которой является фотосинтез у растений, хемосинтез у некоторых бактерий, энергия окисления при усвоении пищи животными, процессы размножения и прироста биомассы;
• техногенная энергия, т.е. энергия, создаваемая человеческим обществом в процессе производства, которая сопоставима по величине с природными факторами²⁰.

 Солнечная радиация — основной двигатель всех природных процессов в географической оболочке. Именно благодаря ей текут реки, дуют ветры, зеленеют поля. Солнечная радиация дает 99,8% всей теплоты, попадающей на поверхность Земли. Всего 28% общего потока солнечной радиации, поступающей на верхнюю границу атмосферы, определяет тепловой режим земной поверхности. В среднем для всей поверхности Земли этот приток солнечной теплоты составляет 72 ккал/см² в год.

 Он расходуется  на таяние льдов и испарение  воды, на фотосинтез, а также на  теплообмен между земной поверхностью, атмосферой и водами и между  поверхностью и лежащими под ней слоями почвогрунтов.

 Приблизительно 1/3 общего количества солнечной энергии, поступающей на верхнюю границу атмосферы, отражается в мировое пространство, 13% поглощается озоновым слоем стратосферы, 7% - остальной атмосферой. Следовательно, только половина солнечной энергии достигает земной поверхности. Но из этой половины 7% отражается обратно в мировое пространство, а еще 15%, поглощаясь земной поверхностью, трансформируется в теплоту, которая излучается в тропосферу и в значительной мере определяет температуру воздуха.  
Из общего количества солнечной энергии, поступающей на земную поверхность, растительность суши и моря использует для фотосинтеза в среднем около 1% (в оптимальных условиях увлажнения - до 5%), хотя фотосинтетически активная радиация (которую можно использовать для фотосинтеза) составляет примерно 50% суммарной радиации, поступающей на поверхность Земли.