МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ
БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
БИОГЕОХИМИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
В ПОЧВЕННОМ ПОКРОВЕ
Учебное пособие для вузов
Составитель
Н. А. Протасова
Издательско-полиграфический центр
Воронежского государственного университета
2012
Стр.1
Содержание
Введение.................................................................................................................4
1. Компоненты и функции биосферы..................................................................4
2. Живое вещество в биосфере и почвах ............................................................7
3. Углерод в биосфере и почвах ..........................................................................7
4. Биогеохимия азота в почвах и ландшафтах суши .......................................10
5. Особенности миграции продуктов выветривания и почвообразования ...11
6. Миграция и аккумуляция соединений кремнезема в почвах .....................17
7. Миграция и аккумуляция соединений железа, марганца и
алюминия в почвах.............................................................................................18
8. Миграция и аккумуляция фосфатов в почвах..............................................20
9. Миграция и аккумуляция микроэлементов в почвах..................................21
10. Биогеохимия химических элементов в зональных почвах
Центрального Черноземья.................................................................................24
10.1. Геохимия макро- и микроэлементов в горных и почвообразующих
породах региона .................................................................................................24
10.2. Биогеохимия макро- и микроэлементов в почвах региона....................26
Список литературы .............................................................................................31
3
Стр.3
Первичным и наиболее активным структурным компонентом, слагающим
биосферу, являются экологические системы (биогеоценозы).
Экосистемы – это совокупность локальных устойчивых популяций
растений и животных, обитающих в условиях однородного местного рельефа,
почв, микроклимата, связанных между собой общим потоком космической
энергии, пищевыми цепями и общей историей происхождения (Ковда,
1985). Благодаря этому в природных ненарушенных экосистемах складывается
биогеохимический круговорот и последовательность многократного
повторного вовлечения в ткани живого вещества главных биофильных элементов
и соединений: энергия, вода, органическое вещество, углекислота,
кислород, азот, фосфор, сера, кальций, калий и т.д. Пищевые цепи обеспечивают
длительное удержание внутри экосистем энергии, связанной фотосинтезом,
и резерва биофильных элементов, необходимых для нового поколения
живого вещества. На этой основе слагаются главные звенья биогеохимического
круговорота суши.
Биогеоценозы (экосистемы), сложившиеся в процессе длительной эволюции,
становятся весьма слаженными (интегрированными), устойчивыми
образованиями, способными путем саморегулирования противостоять как
изменениям в среде, так и изменениям в численности компонентов экосистемы.
Это положение распространяется и на сложные экосистемы, охватывающие
ландшафты, природные зоны, а также и на биосферу в целом.
Но есть пределы этой устойчивости и саморегулирования. Если изменения
в среде (почва, климат, тектоника, грунтовые воды) выходят за пределы
периодических колебаний, к которым приспособлены организмы, то
слаженность экосистемы необратимо нарушается. Часть связанной энергии
и биофильных элементов, которая при эрозионном или промывном режиме
местности была вырвана из экосистемы, поступает в биогеохимический
цикл вещества ландшафта, бассейна, континента, мигрируя с водными или
воздушными массами. Миграция веществ в горизонтальном направлении
(водная или воздушная) является важнейшим звеном самоуправления биосферы
условиями жизни и элементами питания организмов.
Жизнь, живое вещество, биосфера, используя непрерывность поступления
космической энергии развивались по принципу «самоуправляемого
расширенного воспроизводства» биомассы, численности организмов, их
разнообразия и растущей сложности. Биосфера и ее структурные компоненты
накопили за время существования автотрофных организмов огромные
запасы энергии в виде ископаемых горючих сланцев, торфов, гумуса почв и
органических остатков, живого вещества (Ковда,1985).
Таким образом, за время биогенной истории планеты сложился современный
состав атмосферы и гидросферы; возник защитный озоновый экран,
сформировались оболочка осадочных пород, почвенный покров суши и
мелководий.
6
Стр.6
2. Живое вещество в биосфере и почвах
Регулярный фотосинтез, образование и отмирание растительной, животной
и микробной биомассы выполняют в биосфере колоссальную биогеохимическую
и механическую работу, поддерживая локальные и глобальные
круговороты веществ, процессы механического и геохимического
транспорта, дифференциации, новообразования и аккумуляции биогенных
элементов и их соединений.
По данным А. П. Виноградова (1957), наибольшая доля в составе живого
вещества приходится на кислород и водород (~ 80 %), содержание C,
N2, Ca колеблется от 1 до 10 %; S, P, K – 0,1–1 %; Fe, Na, Mg, Al – 0,1–
0,01 %. Микроэлементы в живом веществе представлены ничтожно малыми
величинами: Zn, Mn, Cu – 0,01–0,001 %; As, F, Pb, Cr – 0,001–0,0001 %; Co,
Ba – 0,0001-0,00001 %; Hg, U, Ra < 0,00001 %.
Растения аккумулируют в своей биомассе в десятки раз больше, чем в
земной коре, C и Н2; в несколько раз больше N2; на десятки процентов О2.
Это связано с тем, что фитомасса состоит прежде всего из воды и органических
соединений С и N2. В биомассе животных также господствуют C, N2
H2, O2, но заметная доля принадлежит P, S – компонентам белка.
Вся совокупность процессов потребления, деструкции и минерализации
растительной биомассы живыми организмами столь же обязательна и
необходима в природе, как и создание фитобиомассы. Для самоуправления
и самовоспроизводства экосистемам, как и всей биосфере, необходимо
почти полное рециклирование всех биофилов и, наоборот, «выбрасывание
ненужных» токсических соединений. Только сочетание процессов
синтеза, хранения, использования и минерализации биомассы обеспечивает
локальные и глобальные биогеохимические циклы вещества и потоки
энергии на Земле, сохраняет сложившуюся систему биосферы и связанных
с нею организмов.
Таким образом, живое вещество экосистем было и остается главным
механизмом функционирования биосферы и поддержания почвенного плодородия.
Живое вещество – это высокоорганизованная система соединений
углерода, кислорода, водорода и азота – углеводов и белков (Ковда,1985).
3. Углерод в биосфере и почвах
Согласно данным А. А. Нечипоровича (1972) и П. Дювиньо (1974),
продуцентом кислорода в биосфере и основным потребителем углекислоты
является фотосинтез, а хранителем углерода – живая биомасса, органическое
вещество, известковые осадочные породы, горючие ископаемые и каустобиолиты,
гумусовая оболочка почв суши и мелководий. Соединения углерода
составляют основу жизнедеятельности автотрофных организмов,
7
Стр.7
обладающих способностью накапливать и преобразовывать солнечную
энергию в энергию органических веществ, что позволяет фиксировать азот
и обеспечивать рост, питание, воспроизводство биомассы растений, травоядных,
хищников и низших в пищевых цепях экосистем.
Коэффициенты концентраций углерода в живом веществе и почвах по
сравнению с литосферой выражаются величинами соответственно 180–900
и 20–150. Но углерод обладает и наибольшей технофильностью, так как
входит в состав угля, нефти, газов, стройматериалов, органического сырья,
пищи, фуража, многих препаратов. Общее количество углерода, поступившего
из мантии в атмосферу и литосферу за время существования Земли,
измеряется порядком величин n · 1016 т.
Поступления СО2, СН4, SO2, H2S, NH3, N2 в атмосферу из верхней мантии
продолжаются и поныне в форме фумарол и при излиянии лавы из кратеров
вулканов, а также в областях тектонических разрывов земной коры
(Ковда, 1985).
В распределении соединений углерода наибольшую роль сыграли два
основных биогеохимических процесса: углекислотное выветривание магматических
пород с образованием карбонатов металлов, развитие жизни, образование
и захоронение масс органического вещества на планете.
Процесс углекислотного выветривания изверженных пород на Земле
происходил параллельно образованию и миграции водных масс и в соответствии
с содержанием углекислоты в воздухе и в воде. Полевые шпаты и
другие алюмосиликаты при выветривании давали массы каолинита и гидрослюд
и в растворе углекислые соли кальция, натрия, магния. В результате в
осадочных толщах земной коры накапливались колоссальные массы доломитов,
известняков и других карбонатов.
Образование карбонатов щелочей и щелочных земель происходило и
происходит в результате обменных реакций, возникающих в грунтах и почвах
между поглощенными катионами и водородом угольной кислоты при
восходящих или нисходящих движениях растворов.
Процесс образования карбонатов различных металлов связал огромные
количества углекислоты атмосферы и перевел их путем подземного и речного
стока в осадки донных отложений, толщи известняков и доломитов.
Важнейшим этапом в биогеохимическом круговороте и миграции соединений
углерода было возникновение фотосинтеза и развитие флоры и фауны в
океане, в прибрежных мелководьях и затем наиболее пышно – на суше.
Образование масс живого и мертвого органического вещества проходило
в условиях древнего гидроморфного почвообразовательного процесса
в аккумулятивных ландшафтах. Образование и захоронение в литосфере
органического вещества (угли, нефть, асфальты, сланцы, сапропель, газовые
месторождения) было вторым процессом выключения углерода из атмосфе8
Стр.8