Современные проблемы мониторинга почв

Размещено на http://www.allbest

Тема: Современные проблемы мониторинга почв

1. Роль почв в биосфере, экологические функции почв

Роль почвы в биосфере

Почва располагается на границе соприкосновения планетарных оболочек -- литосферы, атмосферы, гидросферы -- и развивается в результате их взаимодействия, а так же деятельности наземных организмов. Почва играет специфическую роль и формирует особую геосферу -- педосферу, или почвенный покров Земли.

Так же почва - это компонент биосферы -- области распространения жизни на Земле, по определению В.И. Вернадского.

Экологические функции почв

В настоящее время трудами разработано учение об экологических функциях почв, показавшее многофункциональность почв в биосфере и не сводящиеся к упрощенной трактовке почв не только как объекта хозяйственного использования. Учение об экологических функциях почв обобщает огромный фактический и теоретический материал, накопленный специалистами-почвоведами разного профиля. На основе учения о биогеоценозах экологические функции почв были разделены на глобальные и биогеоценотические, а уже на основе учения об их экологических функциях предложены научные основы сохранения и рационального использования почв. почва антропогенный сорбция природа

Биоценотические функции почв

Биогеоценотические функции, в свою очередь, разделены на следующие группы: физические, химические и биогеохимические, физико-механические, информационные и целостные функции.

Уже рассматривая первую функцию - жизненное пространство, авторами была показана исключительная важность почв для всех живых организмов суши, что было наглядно продемонстрировано на примере численности и биомассы микроорганизмов в почве. Но в почве проживают и другие, более крупные организмы. Это связано с тем, что почвы, хотя и твердые тела, имеют поры и полости различной формы и диаметра. Таким образом, созданы экологические ниши, пригодные для организмов разного размера: почвы оказываются природными телами с максимальной плотностью жизни и с наибольшим биоразнообразием.

Почвы являются жилищем и убежищем для многих организмов, предохраняя их от переохлаждения и перегрева, уберегая от хищников, обеспечивая их пищей, являясь местом выращивания потомства. Почва (четвертое царство по В.В. Докучаеву) может быть сравнима с густонаселенным подземным городом, где проживают и постоянные его обитатели, и те, кто трудится в загородной зоне (добывает пищу на поверхности земли), и те, кто находится в почве лишь ограниченный срок, являясь, по существу гостем.

Благодаря опорной функции почв живые организмы (как животные, так и растения) могут сохранять вертикальное положение. Кроме того, механическая прочность почв влияет на устройство животными своих нор и, следовательно, определяет расселение почвенных обитателей.

Почвы обладают удивительной способностью на протяжении длительного времени (многие месяцы и годы) сохранять в жизнеспособном состоянии семена растений, с чем связано выделение еще одной функции - депо семян и других зачатков. При подходящих условиях такие зачатки и семена могут быстро переходить в активное состояние. Эта особая роль почвы как среды для сохранения и накопления семенных зачатков еще недостаточно хорошо изучена, хотя очевидно, что она может помочь нам в более полной мере понять функционирование наземных экосистем нашей планеты. Таким образом, оценив только четыре вышеперечисленные функции, уже можно видеть огромное значение почв в жизни биогеоценозов суши. Почвы играют во многом определяющую роль в функционировании всех биогеоценозов суши и было бы неправильным ограничивать их роль только лишь в сельском хозяйстве. Всем известно, что почва является источником макро- и микроэлементов для питания растений. Это одна из важнейших функций почв и ей уделяется огромное внимание, особенно в агрохимических исследованиях. Наибольший урожай получается при достаточном количестве в почвах элементов питания в доступной для растений форме и при благоприятном их соотношении.

В природных экосистемах в результате длительного сосуществования разных видов растений, произошла "подгонка" определенных сообществ растений и почв. Это отражается, например, в разной глубине распределения корневых систем определенных видов, изымающих элементы питания из разных почвенных горизонтов. Необходимые растениям элементы находятся в почвах не только в доступных (растворимых) формах, но и входят в состав минералов в кристаллической форме - таким образом они составляют депо элементов питания, из которых при разрушении минералов формируются доступные растениям запасы элементов.

Из физико-химических свойств особое значение имеет функция сорбции тонкодисперсного вещества, поступающего с пылью из атмосферы, с водными потоками и с растительным опадом. Почвы обладают огромной суммарной поверхностью составляющих их частиц, при этом удельная поверхность увеличивается с уменьшением размеров почвенных частиц и для илистых частиц может достигать 180 - 300 м2/г почвы в зависимости от минерального состава (Вадюнина, Корчагина, 1986). На этой огромной активной поверхности происходит сорбция поступающих на поверхность почвы частиц.

Сорбированные элементы на поверхности почвенных частиц чаще всего находятся в обменном состоянии и доступны для питания растений. Однако способность почв поглощать поступающие в них вещества может приводить и к отрицательным последствиям в случае загрязнения почв тяжелыми металлами, ядовитыми химикатами и другими отравляющими соединениями.

Особенно опасно загрязнение почв радиоактивными веществами. Почвы сорбируют и микроорганизмов, для которых почва является жизненным пространством, жилищем и убежищем, а также источником элементов питания. Их жизнь целиком зависит от почв.

Многие меняющиеся почвенные свойства служат информаторами для живых организмов: изменения температуры почвы или ее влажности определяют ход физиологических процессов, служат сигналом для развития семян, для регуляции численности микроорганизмов и других процессов. Изменение свойств почв может определять и сукцессионные процессы. Особенно важная информация заключается в почвенных профилях, так как формирование совокупности взаимодействия горизонтов является следствием определенных условий окружающей среды. Считается, что почва является памятью ландшафта (Арманд, 1975). В почвах отражаются длительно протекающие почвенные процессы. Скорость формирования определенных частных процессов различно и для них введено понятие "характерное время". При негативных изменениях окружающей среды происходит формирование новых почвенных качеств и частичная утрата прежних, что усложняет строение почвенного профиля и затрудняет расшифровку заключенной в нем информации.

Все почвы по своему составу отличаются от почвообразующих пород иным соотношением химических элементов и накоплением новых (углерод, азот). Эти изменения являются следствием геохимической работы живых организмов. Накопление в почвах органических соединений обогащает почву свободной энергией, которая выделяется в почвах в тепловой и химической формах.

Все почвы осуществляют санитарную функцию, проявляющуюся в разложении поступающих в них органических веществ, что высвобождает заключенные в них элементы для нового использования. Кроме того, в незагрязненных почвах содержится малое количество микроорганизмов, способных привести к возникновению заболеваний человека, животных, растений. Внесение в почвы не обезвреженных органических удобрений может привести к вспышке различных инфекционных заболеваний. Но длительность существования большинства патогенных микроорганизмов в почвах - не более одного года (за редкими исключениями, как, например, сибирская язва - более 30 лет в скотомогильниках).

Еще одна важная форма проявления санитарной функции - разрушение и последующая минерализация микроорганизмами продуктов обмена живых организмов.

Глобальные функции почв

Почвенный покров тесно связан с основными географическими оболочками: литосферой, гидросферой, атмосферой. Глобальные функции почв приведены на рисунке 3.

Почвы выполняют важные литосферные функции. В них образуются специфические и неспецифические органические вещества - гумусовые кислоты и продукты жизнедеятельности живых организмов, которые оказывают растворяющее действие на основания, составляющие литосферу, делая их более подвижными. В результате важнейшие элементы питания, ранее находящиеся в связанном состоянии в кристаллических решетках, становятся доступными для растений. Почвенное выветривание, кроме того, приводит к резкому увеличению удельной поверхности почвообразующих пород. Так, если 1 м3 плотной породы имеет удельную поверхность 6 м2, то 1 м³ суглинка - уже 10 000 м², что увеличивает многократно возможность поглощения газов, паров, воды и химических элементов. В результате в почвах формируется почвенный поглощающий комплекс, имеющий важное значение в жизни растений.

Во всех процессах взаимодействия почв и литосферы происходит не только разрушение первичных минералов, но и синтез новых, вторичных. При этом в поверхностной зоне литогенеза образуется кора выветривания, обладающая новыми свойствами, более благоприятными для живых организмов. В результате выветривания при определенных условиях происходит образование различных рудных месторождений (железные, медные, марганцевые и другие руды, а также самородные металлы). Накопление органического вещества может привести к образованию месторождений торфа и угля, возможно также, что нефть и природный газ своим происхождением также обязаны почве.

Вторичные минералы характеризуются большим запасом энергии, первоначально полученной в процессе фотосинтеза. Этот запас энергии во вторичных минералах является, по мнению Н.В. Белова и В.И. Лебедева (1957), важной частью в энергетике Земли наряду с другими видами энергии (тепло радиоактивного распада). Почвы поглощают газы атмосферы и передают их в недра Земли: СО2 (в виде органики), Fe2О3, MnO2, SO4, N и другие, выделяя их затем в геохимических процессах. По мнению многих ученых «жизнь на Земле возможна лишь до тех пор, пока происходит обмен энергией и веществом между недрами и поверхностью».

Почва оказывает большое влияние и на гидросферу, участвуя в трансформации поверхностных вод в грунтовые, в формировании речного стока, стока в озера и водохранилища, в балансе подземных вод: определяет процессы испарения с поверхности суши - таким образом, почвы принимают участие в формировании водного баланса Земли. Почвы оказывают влияние и на биопродуктивность водоемов: атмосферные осадки, фильтруясь через почвы, изменяют свой химический состав в зависимости от свойств почв и почвообразующих пород. В дальнейшем эти растворы в форме поверхностных и грунтовых вод, попадая в реки, моря и океаны, привносят в них биофильные макро- и микроэлементы, органические соединения (в том числе гумусовые кислоты). Ежегодный ионный сток в Мировой океан при участии почвенных соединений составляет порядка 3·109 т солей.

Элементы и соединения с континентов интенсивно вовлекаются в продукционный процесс водных экосистем и в биогеохимические циклы. Часть же растворенных соединений может закрепляться в почве в силу громадной поглотительной способности почв и тем самым снижать поступление в водоемы вредных или избыточных соединений. В этом случае почва выступает в качестве защитного барьера. Это свойство почв имеет особенно большое значение при значительных антропогенных нагрузках на экосистемы. Невозможно переоценить и атмосферные функции почв. Почва и атмосфера взаимосвязаны через газообразную фазу почвы (подземную атмосферу), через попадающие в атмосферу твердые вещества и микроорганизмы, через поглощение и отражение почвой солнечной радиации.

Почвы участвуют в регулировании газового режима биосферы. Огромна роль почв в консервации недоокислившейся органики в виде гумусовых веществ, горючих полезных ископаемых: торфа, угля, нефти, газа. Только таким путем стало возможно извлечение из атмосферы избыточного количества углекислого газа, и это привело к формированию кислородсодержащей атмосферы. Все процессы поглощения вещества и энергии почвами и последующая передача их вглубь планеты, а затем возврат их в атмосферу, поддерживают жизнь на Земле.

Почвы выполняют и общебиосферные функции. Так, почвы являются средой для обитания организмов суши. Биомасса живых организмов суши значительно превышает биомассу океана. Кроме того, почвы аккумулируют и являются источником вещества и энергии для организмов суши. Они являются связующим звеном биологического и геологического круговоротов, защитным барьером и условием нормального функционирования биосферы.

Почвы участвуют в эволюции организмов. В прессе освоения живыми организмами суши почвы оказались промежуточным средой, через которую стал возможным постепенный переход от водного образа жизни к наземному без резкого изменения организации живого. Разнообразие ландшафтов и почв оказывает влияние на этническую мозаичность антропосферы и на ее жизнь.

Подводя итог рассмотрению глобальных функций почв, необходимо отметить, что главная глобальная биосферная функция почв - обеспечение жизни на Земле (Соколов, 2004).

Антропогенные нарушения глобальных функций почв

Антропогенные нарушения гидросферных функций почв

В настоящее время происходит существенная трансформация почвенных функций в гидросфере. Главная причина - техногенное и сельскохозяйственное загрязнение почв. Соединения (ядохимикаты, удобрения, тяжёлые металлы, вынесенные) из почвы и сельхозугодий и поступающие в водоёмы из освоенных почв, загрязняют их и часто негативно воздействуют на их биологическую продуктивность. При этом происходит эфтрофикация водоёмов. Загрязняются не только поверхностные, но и грунтовые воды.

Изменение функций почв как регулятора водного баланса обостряет существующую уже на сегодня проблему ограниченности ресурсов пресных вод.

Антропогенные изменения атмосферных функций почв

Многие глобальные изменения в атмосфере и климате последнего времени являются в первую очередь следствием деградационных изменений в почвенном покрове. Распашка земель, эрозионные процессы в почве приводят к ускоренному окислению гумуса и к потери почвами связанного углерода, который идёт на увеличение его содержания в атмосфере. По разным данным, в результате деятельности человека, почвы уже потеряли примерно 40 % связанного углерода. Увеличение количества углерода и других газов в атмосфере, в свою очередь, вызывает парниковый эффект. Кроме углерода за возникновение парникового эффекта ответственны также и твёрдые частицы, рассеянные в атмосфере. Их количество также увеличивается в связи с эрозией почв. Широкомасштабные осушительные и мелиоративные мероприятия влияют на режим влагооборота в атмосфере.

Антропогенные нарушения литосферных функций почв

В настоящее время происходит нарушение связывания СО₂ атмосферы почвой и прекращение его передачи в литосферу. Эрозия почвенной оболочки неизбежно ведёт к эрозии верхних слоёв литосферы.

Антропогенные изменения общебиосферных функций

В настоящее время серьезные опасения вызывают следующие антропогенные и техногенные изменения общебиосферных функций почв: изменение в соотношении круговоротов вещества в сторону усиления геологического круговорота и ослабления биологического; сокращение жизненного пространства для организмов суши; изменение типов ландшафтов - исчезновение естественных и появление антропогенных (урбанизированных, аграрных и др.); ослабление вклада почвы в эволюцию видов; исчезновение многих редких видов в связи с деградацией условий мест обитания уменьшение генофонда наземных популяций. Итак, почвы - это незаменимый и важнейший компонент биосферы и антропосферы.

Среди множества функций почвы можно выделить глобальные, определяющие облик планеты и осуществляющие поддержание гомеостазиса Земли; и биогеоценотические, определяющие функционирование наземных экосистем. Антропогенная деятельность приводит к изменению почвенных функций, что может привести (и уже приводит) к неоднозначным последствиям как глобального, так и регионального масштаба.

Размещено на Allbest.ru