Физико-химические основы функционирования литосферы.

В почве постоянно и одновременно протекают химические, физические и биологические процессы. Немаловажную роль здесь играют процессы ферментативного и каталитического окисления, восстановления и гидролиза. В результате почва обогащается необходимыми, неорганическими и органическими веществами, происходит химический круговорот веществ — сущность развития почвы, ее плодородия.

Под плодородием понимают свойство почвы удовлетворять потребности растений в элементах питания и воде, снабжать корневые системы необходимым количеством воздуха и теплоты, обеспечивая тем самым нормальную жизнедеятельность растений.

Любую почву можно рассматривать как гетерогенную, многофазную систему, состоящую из твердой (минеральный "скелет", органический и биологический компоненты), жидкой (почвенный раствор) и газообразной (почвенный воздух) фаз. Почва представляет собой биоминеральную (биокосную) динамическую систему, находящуюся в материальном и энергетическом взаимодействии с внешней средой и час­тично замкнутую через биологический круговорот веществ.

Минеральный состав почв складывается в основном из кварца (SiО₂) и алюмосиликатов — оксидов алюминия и кремния (SiО₂:А1₂О₃:Н₂О) в различных соотношениях.

Твердая фаза почв и почвообразующих пород состоит из разноразмерных частиц (педов) — механических элементов. Относительное содержание в почве таких элементов определяет ее гранулометрический состав. В зависимости от размеров частиц различают песчаные, суглинистые и глинистые почвы.

От механического состава почв и почвообразующих пород в значительной мере зависит интенсивность многих почвенных процессов, связанных с превращениями, переносом и накоплением в почве органических и минеральных соединений.

Органический компонент почв представлен гумусовыми веществами, служащими источниками питания для почвенных микроорганизмов и структураторами почв.

Биологическая составляющая почвенных экосистем представлена зелеными растениями, микроорганизмами и животными. При воздействии организмов на почву в процессе их жизнедеятельности осуществляются важнейшие звенья почвообразования — синтез и разрушение органического вещества, избирательное концентрирование биологически важных микроэлементов, разрушение и новообразование минералов и аккумуляция веществ.

Основная почвообразующая роль принадлежит лесной растительности. Ее биомасса на поверхности суши составляет 10¹¹—10¹² т. Остатки растительности поступают на поверхность почвы в основном в виде опада. На втором месте по биомассе почвообразующих зеленых растений — травянистая растительность (10¹⁰—10¹¹ т). При этом биомасса корней обычно превышает биомассу наземной части травянистой растительности.

В формировании плодородия почв важнейшая роль принадлежит почвенным микроорганизмам. Здесь обитают в большом количестве бактерии, микроскопические грибы и водоросли. Общее число микро­организмов в почве исчисляется миллиардами в 1 г. Микрофлора почвы по объему составляет около 0,1% ее объема, 7—10 т на 1 га или в сухом весе примерно 2 т живого вещества на гектар.

Особенно важную роль в почвенном круговороте веществ играют бактерии. Гетеротрофные бактерии разлагают органические остатки до простых минеральных соединений. Они могут быть как аэробными, так и анаэробными. Одни осуществляют процесс аммонификации, другие восстанавливают NО₃ до N₂ в процессе денитрификации. Бактерии-денитрификаторы используют КNО₃ в качестве акцептора электрона от глюкозы. В качестве акцептора электрона может выступать и сульфат. При этом бактерии участвуют в процессе десульфофикации:

Н₂SО₄ + 4{2Н} → Н₂S + 4Н₂О

Автотрофные бактерии осуществляют в почве процессы окисления минеральных соединений — продуктов жизнедеятельности гетеротрофов. Например, аэробные бактерии играют роль в процессах нитрофикации:

Широко распространенные в почвах серобактерии окисляют SН₂, S и тиосоединения до Н₂SО₄ (процесс сульфофикации):

2Н₂S + О₂ → 2Н₂О + S

S + 3О₂ + 2Н₂О → 2Н₂SО₄

При участии железоокисляющих бактерий, наиболее распространенных в заболоченных почвах, происходит окисление солей Fе(ІІ):

4FеСО₃ + О₂ + 6Н₂О → 4Fе(ОН)₃ + 4СО₂

Эти же бактерии могут окислять и соли Мn(ІІ).

На отмирающих органических остатках живут сапрофитные гетеротрофные бактерии и грибы. Микроскопические грибы (плесневые, актиномицеты) в аэробных условиях могут разлагать клетчатку, лигнин и другие стойкие органические соединения, участвуют в минерализации гумуса.

Плодородие почвы определяется содержанием в ней гумусовых веществ. Эти вещества химически и микробиологически устойчивы. Элементный анализ гумусовых веществ разного происхождения (полученных из угля, торфа, почвы) показывает, что содержание С, Н, О примерно одинаково для каждой фракции.

Кислород в составе гумусовых веществ присутствует в основном в виде функциональных групп - ОН, - СООН, - С=О, и эфиров. Фракция фульвокислот характеризуется наиболее высоким содержанием кислорода (45%). В гуминовой кислоте кислорода содержится меньше (33%). В гумусовых веществах присутствует как алифатический, так и ароматический углерод. Соотношение ароматического С к алифатическому в гуминовой кислоте гораздо выше, чем в фульвокислотах. Помимо Н, С, О гумусовые вещества содержат серу (и 1%), а также азот (2—5%). Азот входит в основном в состав аминогрупп.

Гумусовые вещества состоят из молекул различной молекулярной массы. Наименьшую среднюю молекулярную массу имеют фульвокислоты, наибольшую — гуминовые.

Помимо комплексообразующих свойств для гуминовых веществ характерны гидрофобные взаимодействия, в силу чего высокомолекулярные гуминовые вещества в воде нерастворимы и образуют основу органического вещества почв. Так называемые тучные почвы содержат более 10% гумуса, среднегумусовые почвы — 5—7%.

Уменьшение содержания гумусовых веществ в почве приводит к их дегумификации. Этот процесс обусловлен резкой сменой баланса почв по органическому веществу при освоении целинных земель, или при длительной распашке почв без применения органических удобрений, или без посева многолетних трав. Уменьшение количества либо изменение качественного состава поступающих в почву органических остатков приводит к тому, что комплекс почвенных микроорганизмов, приспособленный к естественному круговороту органических веществ, при нарушении баланса начинает использовать гумус почвы. Это продолжается либо до установления нового почвенного экологического равновесия, либо до полной деградации почвы.

Уменьшение содержания органического вещества в почве сопровождается ухудшением ее физических свойств и прежде всего структуры и водопроницаемости, что способствует усилению процессов эрозии, особенно опасной для пахотных земель. Эрозия, в свою очередь, усиливает процесс дегумификации. В процессе дегумификации резко сокращается содержание в почве наиболее ценных зернистых агрегатов размером 1—6 мм.

В общем случае воздействие на почву при сельскохозяйственном использовании может быть сбалансированным — без коренных перестроек почвенного профиля, с севооборотом, с разумным внесением органических и минеральных удобрений, с формированием высокого уровня почвенного плодородия, а может быть экстенсивным — с изъятием органических веществ без их восполнения, с быстрым расходованием естественных питательных ресурсов, с потерей плодородия и физическим разрушением и изменением почвенного профиля