Геохимия и энергетика почвообразования

 

Почва — основная арена взаимодействия между живым веществом и неживой природой (горными породами, водами, воздухом). В ней протекают разнообразные геохимические и биологические процессы. С одной стороны, почва наследует те химические элементы, которые содержатся в почвообразующих породах в итоге геологического развития данного района. С другой стороны, эти химические элементы энергично перераспределяются под влиянием факторов почвообразования, в первую очередь под влиянием жизнедеятельности животных и растительных организмов.
Высшие растения суши ежегодно синтезируют более 100 млрд. т еухого органического вещества. Принимая, что зольные элементы п азот составляют около 5% этой массы, можно заключить, что на суше вовлекается в биологический круговорот несколько миллиардов тонн химических элементов.
Оценить влияние биологического круговорота на перераспределение химических элементов можно путем определения степени их концентрации наземной растительностью. Эта величина выражается отношением содержания химического элемента в сухом веществе растений к содержанию этого же элемента в земной коре. Если степень биологической концентрации невелика, то, несмотря на значительное абсолютное содержание химического элемента в растительном веществе, растительность не оказывает существенного влияния на перераспределение данного элемента. Например, среднее содержание кремния в наземной растительности составляет около 0,2% от всей массы растительного вещества. Абсолютное значение этой величины, безусловно, значительно. Однако содержание кремния в литосфере составляет 27,6%. Следовательно, степень накопления кремния растительностью невелика — около 0,01, поэтому значение растительности для перераспределения кремния сравнительно небольшое.
Порядок содержания фосфора и кремния в растениях одинаков, однако содержание фосфора в литосфере в несколько сотен раз меньше, чем кремния. Следовательно, растительность весьма энергично концентрирует фосфор, и этот процесс имеет важное значение для перераспределения фосфора.
О направленности биологического круговорота можно получить представление, если определить коэффициенты биологического поглощения распространенных химических элементов наземной растительностью. Указанный коэффициент численно равен отношению концентрации химического элемента в золе растительности суши к его средней концентрации в литосфере. Растительность оказывает активное воздействие на перераспределение многих химических элементов, в первую очбредь углерода, азота, фосфора, серы и галогенов.
Весьма существенное влияние на состав почвы оказывает водная миграция химических элементов. По данным А. П. Лисицына (1974), поверхностными водами выносится в течение года со всей суши более З-109 т растворенных и около 20-109 т твердых веществ. Степень вовлечения химического элемента в водную миграцию может быть охарактеризована коэффициентом водной миграции, равным отношению содержания элемента в сухом остатке поверхностных вод к его содержанию в земной коре. Чем меньше это отношение, тем менее активно выносится химический элемент речными водами. Как было показано Б. Б. Полыновым, наибольшая геохимическая подвижность свойственна сере, хлору, брому и йоду. Несколько менее активно вовлекаются в водную миграцию щелочные и щелочноземельные макроэлементы, а также стронций, молибден, серебро, цинк и др. Водная миграционная способность отдельных химических элементов весьма невелика, как, например, у циркония. Ничтожна миграционная способность кремния кварца, но она обычно маскируется повышенной миграцией кремния силикатов.
Состав почвы формируется под воздействием многократно повторяющихся миграционных циклов химических элементов. В некоторых случаях направленность этих циклов совпадает. Так, например, цирконий не только слабо вовлекается в водную миграцию, но и весьма ограниченно поглощается растительностью. Это способствует прогрессирующему накоплению циркония в почвах. В других случаях накопление в почве какого-либо химического лемента происходит под влиянием одного из циклов, например аккумуляции азота в процессе биологического круговорота. В отдельных случаях направленность биологической и водной миграции взаимно уравновешивается, что приводит почти к одинаковому содержанию химического элемента в почве и литосфере. Умеренное поглощение бария растительностью и слабая миграционная способность этого элемента обуславливают одинаковое его содержание в почве и литосфере.
В итоге элементарный состав почвы закономерно отличается от состава литосферы повышенным содержанием, во-первых, элементов, интенсивно накапливаемых растительностью (углерод, азот), и, во-вторых, элементов, относительно накапливаемых за счет их очень низкой водной миграционной способности (цирконий, кремний). Часть химических элементов содержится в почве в меньшем количестве, чем в литосфере, благодаря их энергичному вовлечению в водную миграцию. Таковы кальций, натрий, калий, хлор и др. Среднее содержание химических элементов в почве и коре выветривания является, как правило, наиболее часто встречающимся (модальным). Однако при анализах обнаруживаются отклонения от средних значений. Если выразить в процентах частоту встречаемости различных значений, то можно построить график, на горизонтальной оси которого будет отложено содержание химического элемента, а на вертикальной оси — частота встречаемости. Г. йенни еще в 1941 г. обратил внимание на то, что распределение содержаний часто бывает симметричным, т. е. подчиняется закону нормального распределения. Обобщение многочисленных данных, полученных за последние десятилетия, свидетельствует о том, что распределение содержания макроэлементов обычно подчиняется закону нормального распределения, а рассеянных химических элементов — закону логарифмически нормального распределения.
Состав почв складывается «е только в результате взаимодействия литосферы и живых организмов. В итоге биологического круговорота почва ощутимо обогащается химическими элементами — азотом и углеродом, наиболее активная миграция которых совершается в атмосфере. Атмосферный кислород регулирует многие биологические и геохимические процессы в почве. В свою очередь, процесс почвообразования прямо и косвенно (через высшие растения) влияет на изменение состава атмосферы.
Миграционные циклы химических элементов не являются чем-то постоянным, они определенным образом эволюционировали «а протяжении геологической истории. Данные геохимии свидетельствуют о том, что такие трудноподвижные (в современных условиях выветривания) химические элементы, как железо и марганец, в докембрии обладали высокой водной миграционной способностью, а сера — элемент с высокой миграционной способностью — в то время отличалась слабой геохимической подвижностью. Биологический круговорот в каменноугольном периоде, несмотря на огромную массу материковой растительности, был значительно менее емким, чем в настоящее время (в силу низкой зольности древней растительности), и отличался иным соотношением химических элементов.
Таким образом, в геохимическом плане почвообразование представляет собой сложный, развивающийся во времени процесс обмена вещества между литосферой, атмосферой и наземными организмами. Наряду с обменом вещества почвообразование сопровождается определенным обменом энергии. Основы учения об энергетике почвообразования заложены советским ученым В. Р. Волобуевым (1963). Согласно данным этого исследователя, суммарная затрата энергии на почвообразование составляет в тундрах и пустынях 4 — 20 кДж/см2 в год. В лесах и степях умеренного пояса годовой расход энергии возрастает до 40—170 кДж/см2 в год. Во влажнотро-иических ландшафтах эта величина достигает максимума — 200— 300 кДж/см2 в год.
Основая часть энергии почвообразования расходуется на испарение и транспирацию (от 95 до 99,5% всей энергии). Затраты на биологические процессы составляют от 0,5 до 5,0% всей энергии (большей частью около 1,0%). Гкнвидимому, это. находится в связи с тем, что на фотосинтез идет 0,01—0,001 поглощенной солнечной энергии. На гипергенное преобразование минералов расходуются сотые и тысячные доли процента от всей энергии почвообразования.
Полнота использования поступающей солнечной энергии на почвообразование определяется отношением суммарных затрат энергии на почвообразование к радиационному балансу. Это отношение зависит от степени увлажнения. В аридных условиях, при малых значениях коэффициента увлажнения, степень использования солнечной энергии на почвообразование очень мала. В хорошо увлажненных ландшафтах степень использования солнечной энергии на почвообразование резко возрастает, достигая 70—80%. При увеличении коэффициента увлажнения вначале использование солнечной энергии увеличивается, однако при коэффициенте увлажнения более 2 полнота использования энергии увеличивается значительно медленнее, чем нарастает увлажненность ландшафта. Полнота использования солнечной энергии при почвообразовании не достигает единицы.
Соотношение затрат энергии на почвообразование сложилось на протяжении длительного времени. Можно предполагать, что в иные геологические эпохи это соотношение было другим.