Биогеохимия педосферы

Биогеохимическая трансформация  органического вещества в почве  не ограничивается переработкой растительных остатков в гумус. Под воздействием микробиологической деятельности процесс  продолжается до полного разрушения органического вещества с образованием СО₂. Оценить время возобновления почвенного гумуса можно с помощью определения абсолютного возраста гуминовых кислот и гуматов по изотопу ¹⁴С с периодом полураспада 5678 лет. Полученные результаты показали, что обновление гумуса в верхнем горизонте современных почв происходит за 300-500 лет. В более глубоких горизонтах процесс обновления происходит значительно медленнее и гумусовые вещества имеют возраст в несколько тысяч лет. Очевидно, это связано с большей насыщенностью живыми организмами верхнего горизонта почв. Количество гумуса уменьшается вниз по разрезу почвы одновременно с уменьшением численности микроорганизмов (рис. 1).

Общая масса мертвого органического  вещества педосферы слагается из слаборазложенных растительных остатков лесных подстилок, скоплений торфа и глубокопреобразованного органического вещества почв (гумуса). Массу лесных подстилок в педосфере до начала хозяйственной деятельности человека Л.Е. Родин и Н.И. Базилевич (1965) оценивают в 193,810⁹т сухого вещества. С учетом сведения лесов в процессе хозяйственного использования земель эта

Масса неполностью разложившегося растительного материала торфа весьма значительна. Накоплению торфа способствуют условия холодного и влажного климата. Общие запасы торфа в пределах Мировой суши составляют 49510⁹ т сухого вещества, из них более половины (28910⁹ т) в бореальном поясе Евразии. Наибольшие количества торфа приурочены к зонам средней и южной тайги.

Почвенный гумус, как правило, сосредоточен в верхнем горизонте  почв, но мощность этого горизонта, количество и состав гумуса в разных типах почв сильно различаются. О  количестве водорастворимых фульвокислот, образующихся при разложении лесных подстилок разного типа почв, свидетельствует вынос элементов с лизиметрическими водами. Из 1 м² подстилки, залегающей на подзолистой почве под ельником, на протяжении года выносится от 2600 до 4140 мг С_орг и от 50 до 84 мг оксида железа, связанного с растворимым органическим веществом. Из подстилки под дубовым лесом на черноземе выносится растворимого органического вещества на два порядка меньше - от 50 до 80 мг/м² в год С_орг, а связанного с органическим веществом железа всего от 3 до 10 мг/м² в год. Очевидно, что микроорганизмы подзолистой почвы при переработке подстилки активно продуцируют фуль-вокислоты, а микроорганизмы чернозема способствуют образованию водонерастворимых гелей гуминовых кислот и гуматов кальция. Согласно расчетам Г.М. Варшал с годовым речным стоком с суши выносится около 20010⁶ т в год фульвокислот. Содержание гумуса в лесных почвах меняется в зависимости от биоклиматических условий от 2-3 до 5-6%. Высокое содержание гумуса связано с травянистой растительностью. Наибольшее количество гумуса находится в черноземах, образованных под разнотравно-луговой растительностью, - от 6 до 12% (в некоторых случаях до 20%).

С учетом данных К.И. Кобак (1988), Д.С. Орлова и О.Н. Бирюковой (1995, 2001), М.А. Глазовской (1997) можно считать, что масса органического углерода в педосфере (включая углерод залежей торфа, лесных подстилок и устойчивых органоминеральных образований в нижней части профиля почв), по-видимому, близка к 2,510¹² т. Это более чем в два раза превышает массу углерода существующей растительности суши.

Углубленное изучение органического  вещества почв позволило обнаружить новые факты о динамике образования гумуса и устойчивости составляющих его компонентов. Это существенно дополнило представления о формировании современных почв в голоцене на протяжении последних 10 - 12 тыс. лет.

Как отмечено выше, отмирающие органы растений, поступая в почву, подвергаются интенсивной деструкции. Одновременно происходит образование  специфических органических соединений. Вследствие этого состав почвенного органического вещества весьма разнороден и его компоненты обладают неодинаковой устойчивостью и, следовательно, неодинаковой длительностью существования («временем жизни»). Наиболее быстро разрушаются низкомолекулярные органические кислоты, аминокислоты, белки, жиры, моно- и дисахариды. Медленнее осуществляется микробиологическое разложение полисахаридов, целлюлозы и особенно лигнина. Специфические почвенные органические соединения - гуминовые кислоты и особенно гумин устойчивы к микробиологическому воздействию, что, по мнению Д.С. Орлова (1990), обусловлено особенностями их структуры, выдерживающей воздействие ферментов.

Количественное соотношение  перечисленных компонентов таково, что более половины массы ежегодно отмирающего и поступающего в  почву растительного материала  быстро разлагается, и слагающие  его химические элементы вовлекаются  в биологический круговорот, водную миграцию. По этой причине напочвенная мортмасса значительно меньше массы отмирающих в течение года растительных органов. Процесс микробиологического разложения растительных остатков продолжает интенсивно развиваться в почве, причем, по данным О.Н. Бирюковой и Д.С. Орлова (1998), на образование специфических почвенных органических соединений расходуется всего лишь от 0,6 до 4,8% массы углерода, поступившей в почву с опадом, а остальная часть углерода трансформируется в углекислый газ.

Гумусовые вещества в зависимости  от строения ведут себя неодинаково. Слабо сконденсированные соединения группы фульвокислот, во-первых, растворяются, частично выносятся из почвы и далее мигрируют с водным стоком. Во-вторых, эти соединения, оставаясь в почве, постепенно гидролизуются. Соединения, в которых сконденсированное «ядро» сильно преобладает над боковыми цепями, обладают большой устойчивостью. По этой причине доля высокополимеризованных соединений в составе гумуса возрастает в нижней части профиля почв, общее содержание гумуса при этом заметно сокращается.

Применение метода определения абсолютного возраста устойчивых соединений гумуса по содержанию радиоактивного изотопа ¹⁴С открыло новые возможности. Многолетние исследования О.А. Чичаговой абсолютного возраста гуминовых кислот черноземов показали, что возраст этих соединений увеличивается вниз по профилю от 500-1000 лет в горизонте 0-20 см до 5000-6000 и даже 7000 лет. В дальнейшем аналогичная тенденция была обнаружена в почвах других типов. На основании этого был сделан вывод о том, что скорость обновления основной части всей массы гумуса (или углерода гумуса) в верхней и нижней частях почвенного профиля различна. По мере получения новых данных выяснилось, что указанное различие для разных типов почв неодинаково. Согласно модели, разработанной А.Е. Черкинским и В.А. Бровкиным (1984), в почвах гумидных ландшафтов умеренного пояса (дерново-подзолистых, подзолистых) скорость обновления гумуса верхней и нижней частей профиля будет различаться в 20-30 раз, в почвах аридных ландшафтов (черноземах и каштановых почвах) - в 2-3 раза, в почвах южной периферии лесной зоны (серых лесных) - в 3-10 раз.

Таким образом, в нижней части  почвенного профиля происходит накопление весьма устойчивых органических соединений, которые сохраняются, в то время  как преобладающая часть органического  вещества почв минерализуется до СО₂. М.А. Глазовская (1997) исследовала статистическую зависимость между массами углерода, содержащимися в слое почв 0-100 см, где находится преобладающая часть гумуса, и в слое 100 - 200 см, где присутствуют только его устойчивые компоненты, и установила, что эта связь имеет линейный характер.

Одновременно с процессом  образования органического вещества почвы из отмирающих органов растений происходит закономерная перегруппировка  химических элементов, аккумулированных растениями. Сопоставляя состав зеленых, вегетирующих и периодически отмирающих органов деревьев (хвои и листьев) с составом лесной подстилки, можно  заметить увеличение относительного содержания одних элементов и уменьшение других.

К таким элементам относятся  калий, магний, натрий, фосфор, сера, частично кальций. Содержание других элементов, входящих в более устойчивые ткани, возрастает в подстилках. Это характерно для металлов кремния и других элементов. В некоторых растениях  кремния так много, что он образует фитолитарии - мелкие выделения аморфного оксида кремния (опала), которые также сохраняются в подстилках. Кроме того, многие рассеянные элементы активно сорбируются подстилками благодаря огромной поверхности в единице объема полуразложившегося растительного опада.

Наиболее полные сведения о содержании тяжелых металлов и  других рассеянных элементов относятся  к органическому веществу торфа. Торф состоит из не полностью (на 20-30%) разложившихся остатков болотных растений. По сравнению с органическим веществом  растительности суши в торфе больше устойчивых компонентов (лигнина, битумов).

Существует два типа биогеохимических обстановок торфона-копления. Первая из них характеризуется избыточным увлажнением почв за счет атмосферных осадков, их слабого испарения и затрудненного дренажа на плоских водоразделах. В такой обстановке образуются так называемые верховые болота, в которых основными растениями-торфообразователями являются сфагновые мхи. Воды верховых болот, образованные из атмосферных осадков, имеют низкую минерализацию (30-70 мг/л). Содержание минеральных веществ в сфагновых мхах небольшое, зольность торфа около 3%. Они обогащены кислыми метаболитами сфагновых мхов и водорастворимыми гумусовыми кислотами, их рН 3,5-4,5. В таких условиях скорость накопления торфа близка к 1 мм/год.

Развитие сфагновой растительности поддерживается за счет элементов, освободившихся из частично разложившихся отмерших растений и поступивших с атмосферными осадками. Экосистемы верховых болот  обладают высокой степенью геохимической  автономности. Происходящие в них  биогеохимические циклы массообмена очень слабо связаны с окружающими ландшафтами и открыты лишь для атмосферных миграционных потоков химических элементов. По этой причине зольность торфа верховых болот ниже средней зольности растительности Мировой суши и равна 2,8.

Геохимическая ситуация верховых болот своеобразна. Количество водорастворимых органических веществ в водах верховых торфяников колеблется от 20 до 50 мг/л, фульвокислоты составляют 55%, гуминовые - 10-20% от растворенного органического вещества. Обилие водорастворимых гумусовых соединений способствует образованию комплексных и внутрикомплексных соединений металлов, способных к активной водной миграции. В то же время миграция затруднена плохим дренажем, а торф обладает весьма высокой сорбционной способностью по отношению к металлам и другим рассеянным элементам. Результаты изучения концентрации тяжелых металлов в торфе верховых болот России приведены в табл. 3.

Вторая обстановка торфонакопления отвечает условиям низинных болот, приуроченных к отрицательным элементам рельефа. Здесь водонасыщение почвы происходит высокорасположенными грунтовыми водами с нейтральной и даже слабощелочной реакцией (рН 6-8), значительно более минерализованными, чем воды верховых болот. Минерализация вод низинных болот составляет 200 мг/л и более. Это обусловлено выносом химических элементов из почв с водосборной площади. В осадках низинных болот часто образуются скопления карбонатов Са²⁺, Fe²⁺, Mn²⁺, фосфатов Fe²⁺ и Fe³⁺, гидроксидов Fe³⁺ и Мп⁴⁺. Растения-торфообразователи представлены гипновыми мхами, осоками, тростником, папоротником, некоторыми кустарниками. Эти растения содержат значительное количество минеральных веществ, поэтому зольность низинного торфа повышается до 10 и иногда до 20%.

Обстановка образования  верховых и низинных торфяников иллюстрирует биогеохимическую дифференциацию педосферы, обусловленную разной степенью геохимической автономности или подчиненности отдельных участков. Верховые болота являются примером геохимически автономной экосистемы, независимой от биогеохимических процессов, происходящих на соседних участках. Низинные болота - геохимически подчиненный ландшафт. Состав низинных торфяников формируется под воздействием биогеохимических процессов, происходящих на окружающей территории, откуда выносятся определенные химические элементы. Они поглощаются растениями низинных болот и аккумулируются в их отмирающих органах. По этой причине в растениях-торфообразователях и торфе низинных болот концентрация тяжелых металлов и других рассеянных элементов более высокая, чем в растениях и торфе верховых болот.

Концентрация почти всех рассеянных элементов возрастает в  низинном торфе, исключение составляет цинк, концентрация которого в верховом торфе выше, чем в низинном. Этот факт, обнаруженный во многих местах и отраженный в числовом значении средних концентраций, очевидно, указывает на более слабую фиксацию цинка торфом по сравнению с другими металлами.