Почва — самый верхний и плодородный слой литосферы, является связующим звеном между всеми оболочками планеты и живыми организмами, играет важную роль в процессах обмена веществом (энергией) между компонентами биосферы. Почва — среда обитания большого количества живых организмов, и многие химические процессы, происходящие в почве как части литосферы, напрямую связаны с процессами в биосфере. Через почву осуществляется газовый обмен между атмосферой и земной корой, атмосферой и подземной частью гидросферы. В почве одновременно могут протекать химические, физические и биологические процессы.
Любую почву можно рассматривать как гетерогенную систему, состоящую из трех фаз: твердой (минеральный «скелет», органическая и биологическая компоненты), жидкой (почвенный раствор) и газообразной (почвенный воздух).
Почва обладает некоторыми свойствами, которых лишены воздушная и водная среды. Частицы почвы образуют «мелкоячеистый фильтр», который весьма эффективно задерживает твердые взвеси из вод, просачивающихся в почву. В то же время поры почвы служат копилкой питательных веществ. Всю систему «цементируют» частицы глины и гумуса, которые адсорбируют целый ряд веществ. Таким образом, почва в течение ряда лет или десятилетий может удерживать вредные вещества, не давая им возможности перейти в грунтовые воды. Почва обладает способностью к регенерации. Многие обитатели почвы служат источником ферментов, в присутствии которых вредные вещества расщепляются быстрее, чем в воде или на воздухе. Фильтруемость и накопление примесей в почвах, а также способность к регенерации определяют буферную способность почв по отношению к антропогенным воздействиям.
Химический состав почвы.
Основные химические процессы, а также плодородие почвы зависят от присутствия воды и кислорода, количество и доступность для растений которых во многом определяется физическими свойствами почвы.
Влага в почве может находиться во всех трех состояниях и в нескольких формах: гигроскопической, капиллярной, пленочной и свободной гравитационной. Гигроскопическая вода конденсируется на поверхности почвенных частиц, пленочная удерживается на поверхности почвенных частиц под действием молекулярных сил, капиллярная находится между частицами почвы благодаря поверхностному натяжению, а свободная гравитационная вода находится под влиянием силы тяжести и гидростатического напора и заполняет крупные промежутки почвы. Гигроскопическая вода прочно связана с почвенными частицами и поэтому не усваивается ни корнями растений, ни бактериями. Пленочная вода может использоваться только бактериями, а капиллярная и свободная гравитационная формы воды хорошо усваиваются корнями растений и всеми организмами почвы. Способность накапливать воду поверхностными слоями литосферы называется водоудерживающей способности почвы, а способность почвы впитывать воду с поверхности называется инфильтрацией. Таким образом, идеальной почвой будет та, которая имеет хорошую инфильтрацию, хорошую водоудерживающую способность и иметь растительный покров, снижающий потери воды от испарения.
Многие вещества содержатся в свободной воде в виде истинных или коллоидных растворов. Литосферный раствор, можно назвать кровью литосферы, которая находится в состоянии динамического равновесия с твердым веществом и газами литосферы.
Естественный состав почвенного воздуха зависит в первую очередь от глубины. На глубине 20 см почвенный воздух имеет состав очень близкий к атмосферному. Состав почвенного воздуха регулируется потреблением кислорода и образованием СО2 в результате микробиологических процессов минерализации органических веществ и способностью почвы выделять СО2 в атмосферу с одновременным поглощением О2 из атмосферы. Поступление О2 происходит непосредственно с атмосферным воздухом и с дождевой водой. Чем ниже температура воды, тем больше с ней поступает О2 и СО2. Растворимость газов в литосферном растворе зависит от давления газа, от температуры, а также от содержания различных химических веществ.
Наиболее энергично растворяется в литосферном растворе углекислый газ, причем с повышением температуры его растворимость понижается почти в три раза, менее растворим кислород и еще меньше азот. В литосферном растворе почти все химические соединения находятся в ионной форме. Основные анионы литосферного раствора – НСО3-, NО2-, NО3- - поступают в него преимущественно в результате биологических процессов. Так, окислы азота в литосфере образуются в средних широтах при микробиологических процессах нитрофикации. В тропических широтах азот и окислы азота поступают в литосферу из атмосферы при грозовых разрядах в количествах, достигающих 30 кг/га.
Фосфат - ионы, хлор - ионы, сульфат - ионы и другие преимущественно поступают в литосферный раствор из горных минералов и при разрушении растительных остатков.
Среди катионов в литосферном растворе постоянно находятся в значительном количестве Са2+, Мg2+, Nа+, К+, NН4+, Н+, Fе+, Fе2+, Аl3+. В весьма незначительном количестве присутствуют в литосферном растворе йод, медь, цинк, свинец, никель, кобальт, молибден, бор, стронций, марганец и другие микроэлементы.
Кроме минеральных химических соединений, в литосферном растворе постоянно присутствуют водорастворимые органические соединения, такие, как фульвокислоты, органические кислоты, аминокислоты, сахара, ферменты, витамины, спирты и пигменты.
Литосферный раствор имеет определенное осмотическое давление, которое зависит от количества ионов, молекул или мицелл, от сезонов года. Так, в средних широтах летом осмотическое давление повышается из-за уменьшения влажности литосферы при испарении, что ведет к увеличению концентрации ионов. В другие сезоны года за счет усиленного увлажнения литосферы осмотическое давление понижается.
Минеральную основу почвы в основном составляют кварц (песок), глина и известняк (СаСО3). В зависимости от размера частиц различают почвы песчаные, суглинистые и глинистые. Содержание органических веществ в разных почвах колеблется от ~2 % (песчаные, глинистые почвы) до 20 % (болотистые почвы). С научной точки зрения органические вещества почвы подразделяются на негуминовые и гумус. Первые включают не полностью разложившиеся остатки растений и животных, жиры и дубильные вещества, сложные углеводы, пектины и другие. Они легко разлагаются и поэтому не попадают под понятия «гумус». В литературе под термином «гумус» (от лат. — земля, почва) чаще всего понимают темноокрашенное органическое вещество почвы (перегной), образующееся в результате биохимического разложения растительных и животных останков и накапливающееся в верхнем почвенном горизонте. По химическому составу гумус представляет собой сложную смесь гуминовых, фульвокислот и их комплексов с металлами; по элементному составу основными компонентами гумуса являются водород, углерод, кислород, а также азот (2—5 %), сера (~1 %), фосфор, калий. Исходным материалом для образования гумуса служит растительный опад. Основная его часть состоит из лигноцеллюлозы. Главными агентами разложения этих биополимеров служат почвенные грибы, выделяющие в окружающую среду экзоферменты (целлюлазы), легко гидролизующие углеводы.
Почвы, называемые черноземами, содержат максимальное количество гумуса: в среднем 500 т на 1 га. По оценкам ученых, общие запасы гумуса в почвах мира составляют около 2 561 млрд т (на 1 м).
Биологическая составляющая почвенных экосистем представлена зелеными растениями, микроорганизмами и животными. Основная почвообразующая роль принадлежит лесной растительности, второе место занимает травянистая растительность. Переработка и деструкция растительных остатков происходят главным образом в верхних горизонтах почвы. В этой переработке участвуют многочисленные беспозвоночные (почвенная мезофауна) и микроорганизмы. Биомасса беспозвоночных в верхних горизонтах почв может достигать 200 т/км2, причем наибольшая ее часть приходится на долю дождевых червей (до 40—50 т/км2) и членистоногих (до 10—30 т/км2).
Важную роль в почвенном круговороте веществ играют бактерии. Согласно данным различных исследователей, живая масса почвенных бактерий также очень значительна. Она приблизительно оценивается в 6 • 109 т, т. е. примерно в полтора раза превышает биомассу сухопутных и морских животных.
Автотрофные бактерии осуществляют в почве процессы окисления минеральных соединений — продуктов жизнедеятельности гетеротрофов. Например, аэробные бактерии играют роль в процессах нитрификации и нитрофикации:
2NН3 + 3О2 = 2НNО2 + 2Н2О (нитрификация)
2 НNО2 + О2 = 2 НNО3 (нитрофикация)
Широко распространенные в почвах так называемые серобактерии окисляют Н2S, S и другие соединения серы до Н2SО4 (процесс сульфофикации):
2Н2S + О2 = 2Н2О + 2S
2S + 3О2 + 2Н2О = 2Н2SО4
При участии железоокисляющих бактерий, наиболее распространенных в заболоченных почвах, происходит окисление солей Fе (II). В конечном итоге результат происходящих процессов (в том числе гидролиза), можно записать в следующем виде:
4FеСО3 + О2 + 6Н2О = 4Fе(ОН)3 + 4СО2
Живое население педосферы, выполняя основную глобальную биогеохимическую функцию — разложение органического вещества на простые соединения, участвует в формировании самого почвенного покрова и его плодородия.
Таким образом, педосфера предстает как полифункциональная и интерактивная система. В отличие от других внешних геосфер (атмосферы и гидросферы) она не обладает свойствами быстрого рассеяния попадающих извне загрязняющих компонентов. Кроме того, формирование ее занимает тысячи и десятки тысяч лет. Поэтому почвы относятся к очень уязвимым и практически невозобновимым ресурсам нашей планеты.
Восстановление ионов NО3 в процессе жизнедеятельности микроорганизмов протекает по схеме (процесс денитрификации):
NО3- →NО2- → NО → N2О → N2
Поскольку продукты реакции (N2О и N2) улетучиваются из почвы, растения ощущают большой недостаток азота. Эти потери могут составлять от 11 до 40 % усвояемых растениями азотных удобрений. На залитых водой рисовых чеках эти потери еще больше