Макроэлементы

Микроэлементы

Li, Be, В, N, Sc, V, Сг, Ni, Си, Zn, Со, Pb, Са, Nb, Y, La, Nd, Th, Rb, Ge, As, Br, Mo, Sn, Cs, W, U, Cd, Sn, Sb, I, редкие земли

Ультрамикроэлементы

Se, Pd, Ag, Те, Re, Au, Hg, Bi, Ra и др.

низмов. Содержанию и формам химических соединений микроэлементов в почвах уделяется в настоящее время большое внимание в связи с проблемами охраны почв от химического загрязнения.

К материальным источникам почвообразования, связанным с геологическим фактором, можно отнести и фунтовые воды. Они оказывают влияние на материальную основу почвообразования на пространствах низменных слабодренированных аллювиальных, флювиогляциальных и приморских равнин. Их минерализация и химический состав варьируют в широких пределах от ультрапресных и пресных вод гидрокарбонатного состава с минерализацией не выше 0,2 г/л до сульфатно-хлоридных или хлоридных магниево-натриевых рассолов с минерализацией до 100—200 г/л. Особенно интенсивны потоки вещества из грунтовых вод в почвы в аридных районах, где растворы передвигаются в восходящем направлении в верхнюю зону иссушения почвы.

Химические элементы литосферы поглощаются живыми организмами. В живом веществе вместе с элементами, поступающими из атмосферы, они перегруппировываются и возвращаются в почвы в существенно иных формах и соотношениях, чем те, в которых они были в исходных средах (табл.3.2).

Данные из табл. 3.2 показывают, что живые организмы состоят
главным образом из соединений О, С и Н. В сумме эти три элемен-

Таблица 3.2

Средний химический состав живых организмов
(по А.П. Виноградову)

Макроэлементы

О – 70 N - 0,3 S - 0,05

С-18 Si-0,2 Na-40,02

Н —10,5 Mg — 0,04 CI —0,02

Са - 0,5 Р — 0,07 Fe — 0,01
Микроэлементы

А1, Ва, Sr, Мп, В, Th, Р, Ti, F, Zn, Rb, Си, V, Cr, Br, Ge, Ni, Pb, Sn,
As, Co, Li, Mo и др.

Ультрамикроэлементы
Se, U, Hg, Ra и др.

та составляют 98,5 % их массы. Содержание N в живом веществе невелико (0,3 %) и лишь в некоторых организмах (например, в бактериях) достигает нескольких процентов.

В составе живых организмов присутствуют и другие элементы. Они образуют зольный остаток после сжигания или минерализации органических веществ. Средняя зольность организмов невелика — около 1,5 %, но во многих видах она значительно выше — 5—7 %, а в некоторых растениях, приспособленных к жизни в условиях сильного засоления, достигает 20 %.

По содержанию ряда химических элементов почвы занимают
промежуточное положение между горными породами и живыми
организмами. Прежде всего это касается таких элементов, как кислород, углерод, водород и азот (табл. 3.3).

Таблица 3.3

Среднее содержание некоторых химических элементов в горных породах, почвах и живых организмах

Как видно из табл. 3.3, в почвах содержится О — 55 %, т. е. близкое к среднему значение между содержанием этого элемента в горных породах (47 %) и живых организмах (70 %); С — 5 % (соот­ветственно 0,02 и 18%); Н — 5% (0,15 и 10,5%); N - 0,1 % (соответ­ственно 0,02 и 0,3 %).

Очевидно, что геологический и биологический факторы почво­образования вносят наибольший субстантивный вклад в процесс фор­мирования почв. Однако возникает вопрос: сопоставим ли вклад живых организмов и их остатков в материальную основу почвообра­зования с вкладом горных пород, если в каждый данный момент вре­мени масса органического вещества в почве составляет всего от 1 до 10 % общей массы почвы (лишь в некоторых почвах больше) и толь­ко в верхней ее части. Отвечая на этот вопрос, необходимо отметить следующее. Оценивать степень участия в почвообразовании тех или иных материальных компонентов только по соотношению их объе­мов и масс в какой-либо отдельный момент существования почвы неправомерно. Дело в том, что одни из этих компонентов — связан­ные с геологическим фактором минеральные вещества — весьма инер­тны. В процессе почвообразования их количество, как правило, не прибывает, тогда как другие компоненты — продуцируемые растени­ями и животными органические вещества — напротив, очень дина­мичны, они регулярно поступают в почву на всем протяжении ее существования. Чем длительнее процесс почвообразования, тем ярче проявляется результат воздействия на состав почвы компонентов, свя­занных с быстрыми биологическими циклами возобновления, так как их суммарное участие в почвообразовании с течением времени все более возрастает.

Исключение из этой закономерности составляют лишь некото­рые ситуации: когда, например, минеральная часть почвы все время обогащается новыми поступлениями вещества (ежегодные аллюви­альные наносы, частые вулканические выпадения) или верхняя часть почвенной толщи, где концентрируются продукты воздействия био- ты, периодически удаляется ускоренной эрозией. Но эти ситуации имеют на земной поверхности не всеобщий, а локальный характер.

Можно подсчитать срок, необходимый для того, чтобы в резуль­тате циклических процессов возобновляемая масса живого веще­ства уравнялась с массой минеральной основы почвы.

Объемная плотность рыхлых пород — от 1,30 до 1,65, средняя — 1,5. Следовательно, масса слоя рыхлой породы мощностью в 100 см на площади 1 га равняется 15 тыс. т. Ежегодный растительный опад будет составлять на этой площади от 1 до 25 т в различных ланд­шафтах. Отсюда время, необходимое для прохождения через почву органического вещества, равного по массе ее минеральной части и образовавшегося лишь за счет растительного опада, лежит в пределах от 15 тыс. лет в арктических тундрах и пустынях до 600 — 700 лет во влажных тропических и субтропических лесах. Для почв хвойных лесов умеренного пояса этот срок составляет 4—5 тыс. лет, для сте­пей и саванн — немногим более 1 тыс. лет.

Если учесть ежегодное поступление органических остатков мно­гочисленных поколений микроорганизмов и животного населения, т. е. вторичную биологическую продукцию, то сроки уравнивания органической и минеральной масс еще более сократятся.

Климатическим фактором обусловлено поступление вещества в почву из атмосферы. Атмосферные осадки обеспечивают постоян­ные запасы влаги в почвенной толще, которые существенно разли­чаются по ландшафтным зонам. Так, средние многолетние весен­ние запасы продуктивной влаги (мм), по данным С.А. Вериго, в метровом слое почвы составляют:

Тундра и северная тайга............................................ > 200

Средняя и южная тайга................................................ 150—200

Лесостепь....................................................................... 100—150

Степная зона.................................................................. 50—100

Полупустыня................................................................ <50

Ежегодно запасы влаги возобновляются. За время существова­ния почв через них прошли и участвовали в почвообразовании мас­сы воды, мощность слоя которой измеряется сотнями метров и ки­лометрами.

Воздействие огромных масс воды запечатлевается в почвах. Часть влаги задерживается в виде гидратной и кристаллизационной влаги, вода участвует в растворении минеральных и органических соеди­нений, в перераспределении внутри почвы и выносе за пределы ее толщи подвижных веществ. Кроме того, атмосферная влага участвует в образовании ежегодной новой продукции биомассы и частично возвращается с растительными и животными остатками.

Атмосферная влага содержит разнообразные растворенные ве­щества и взвеси. В ней всегда присутствует растворенная угольная кислота, которая при диссоциации дает водородный (Н+) и гидро­карбонатный (НСО~) ионы. Содержание ионов водорода в атмос­ферных осадках достигает величины, соответствующей рН 5—7. Равновесное содержание гидрокарбонатного иона составляет соответ­ственно 0,12 мг/л. С наличием этих ионов связаны реакции гидро­лиза и карбонизации, которые будут рассмотрены далее.

В атмосферных осадках содержатся оксиды азота, которые появ­ляются в них при электрических разрядах в атмосфере. При частых грозах и большом количестве осадков (например, во влажно-тропических областях) этих соединений может выпадать на поверхность почвы до 25—30 кг на 1 км2 в год. При растворении оксидов азота в атмосферной влаге образуется сильно диссоциированная азотная кислота. Это еще более увеличивает растворяющее и гидролитичес­кое действие атмосферной влаги. Азотная кислота является и хоро­шим окислителем.

В атмосферных осадках всегда присутствует некоторое количе­ство растворенных солей. Часть из них (около 3—5 мг/л) океани­ческого происхождения. Это преимущественно хлориды натрия и магния, вовлеченные в атмосферные планетарные миграционные потоки с поверхности морей и океанов при штормах и смерчах. Их количество возрастает близ океанических побережий до 30 мг/л.

Другая часть приносимых с осадками в почвы солей имеет кон­тинентальное происхождение и связана с запылением атмосферы. Проходя через приземные части атмосферы, осадки обогащаются растворимыми компонентами, содержащимися в пыли. И коли­чество и состав континентальных солей зависят от ландшафтных особенностей подстилающей поверхности, степени распаханности и характера освоения территории. Минерализация осадков за счет терригенной составляющей колеблется от 10 до 60 мг/л и более. В составе солей присутствуют гидрокарбонаты, сульфаты и хлориды кальция, калия, натрия и магния. Часть солей, попадаю­щих в атмосферные осадки, выделяется при транспирации влаги растениями и испарении ее с поверхности водоемов и почв.

По данным Ф. Кларка, общее количество солей, выпадающих с атмосферными осадками на поверхность суши, составляет в среднем 12 т/км2 в год. Соли поступают в верхние горизонты почв и, как будет показано далее, в аридных областях, где норма испарения пре­вышает норму осадков, существенно влияют на почвообразование.

Определенную роль в материальной основе почвообразования играет атмосферный воздух. Средний его состав приведен в табл. 3.4.

Атмосферный воздух — главный источник азота в почвах. Его в атмосфере более 75 %, что составляет огромную величину по срав­нению, например, с долей азота в литосфере' где он относится к микроэлементам. Азот — биологически важный элемент, необходи­мый всем живым организмам, поскольку является составной час-

Таблица 3.4

Средний химический состав приземной атмосферы в долях массы на сухой воздух (по Ф. Панету и В. Миртову)

тью белков. Азот из атмосферы поступает в почву вместе с осадками в виде оксидов, а также при воздухообмене между атмосферой и почвой. В последней он усваивается особыми азотфиксирующими микроорганизмами и переходит в живую фазу.

Второй главный элемент, который поступает в почву из атмос­феры, — кислород. Он закрепляется в почвах при окислении мине­ральных и органических компонентов, которым сопровождается выветривание и почвообразование.

Очень энергичным окислителем является также озон и поэтому, несмотря на его незначительное содержание в атмосфере, он играет большую роль в окислительных почвенных процессах.

Исключительно велико значение в жизни почвы атмосферной углекислоты. Ассимилированный растениями при фотосинтезе уг­лерод углекислоты идет на построение разнообразных органичес­ких веществ растительных тканей, а затем с органическими остат­ками попадает в почву. В специфическом органическом веществе почвы — гумусе, образующемся при разложении органических ос­татков, содержится около 58 % углерода.

Углекислый газ из атмосферы попадает в почву и вместе с жидки­ми атмосферными осадками, в которых он растворяется с образовани­ем слабодиссоциированной угольной кислоты (Н20 + С02 —> Н2С03). Растворенная в водах углекислота активизирует процессы замеще­ния оснований ионом водорода, что происходит при кислотном гид­ролизе минералов горных пород. В результате образуются различ­ные углекислые соли, т. е. углерод атмосферного воздуха в этом случае связывается не в органических, а в минеральных формах.

В атмосферном воздухе присутствуют и некоторые другие при­меси, содержание которых непостоянно и увеличивается в областях современного вулканизма и развитой промышленности. Это оксид углерода, сернистый газ, оксид азота, аммиак и ряд других соедине­ний. Они также могут попадать в почву и непосредственно из газо­вой фазы адсорбироваться твердой фазой почв.

Итак, материальная основа почвообразования возникает при главенствующей роли двух факторов — геологического и биологи­ческого. Горные породы поставляют в почву разнообразные мине­ральные компоненты, на долю которых в данный момент времени приходится, как правило, более 90 % всей почвенной массы. Орга­нические соединения составляют меньшую часть почвы, однако на фоне относительно инертной минеральной массы циклы возоб­новления живого вещества и разложения растительных и живот­ных остатков оказываются быстропротекающими. Это с течением времени значительно увеличивает суммарное участие органичес­ких веществ в процессах взаимодействия с веществами геологи­ческой природы. Вклад климатического фактора в субстантивную основу почвообразования заключается в обогащении почвы атмос­ферной влагой, воздухом и пылью. Рельеф и в данном аспекте вли­яет только на перераспределение материальных почвенных компо­нентов. Рассматривать рельеф не как поверхность, а как некий контактный слой или тело, т. е. как характеристику, обладающую массой, а следовательно, потенциальный источник вещества, — неправомерно. В этом случае он будет вторгаться в пространство почвенной оболочки и поглощать ее. Графическая оценка вклада факторов почвообразования в материальную основу почвообразо­вания показана на рис. 5.1.