Текст книги "Шагреневая кожа Земли: Биосфера-почва-человек"

Автор книги: Евгений Никитин

Соавторы: Эдуард Гирусов
сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 12 страниц)

От чего зависит круговорот воды в природе?

По праву гидросферу Земли можно назвать царицей нашей планеты. К сказанному ранее добавим, что водная оболочка представляет собой область исключительно динамичных во времени и в пространстве процессов. Жители различных широт ежедневно могут наблюдать движение и изменение отдельных ее компонентов. Плавные и бурные течения рек, морской прибой и шторм, дожди и снегопады – все это явления, в основе которых лежат движения водных масс. Удивительные свойства воды (высокая подвижность, способность растворять многие соединения, способность обратимо переходить из жидкого в твердое или газообразное состояние) позволяют ей стимулировать самые различные природные процессы и управлять ими.

Но все владыки всегда зависели и будут зависеть от своих подчиненных. Это относится и к воде. Оттого так важно изучение всех факторов, определяющих динамику водных масс в ландшафтном, региональном и общепланетарном масштабе. Среди этих факторов почетное место занимает почва. Оценивая ее гидрологическую роль, В.И. Вернадский еще в 1934 г. подчеркивал, что огромное значение в истории воды имеют почвенные растворы, облекающие, за исключением пустынь, всю сушу и являющиеся основным субстратом жизни. Однако в дальнейшем влияние почвы на гидросферу долгое время всерьез не исследовалось, и только в последние годы этому вопросу вновь стало уделяться внимание.

Можно со всей определенностью сказать, что почва выполняет ряд весьма существенных гидрологических функций, среди которых в первую очередь выделяется трансформация атмосферных осадков впочвенно-грунтовые воды.

Кроме обеспечения самой возможности просачивания осадков в грунтовую толщу, почва во многом определяет химизм грунтовых вод, поскольку атмосферная влага, взаимодействуя с почвой, заметно изменяет свой первоначальный состав. В зависимости от конкретных свойств почвы химические изменения осадков различны. Так, при фильтрации через бедные солями торфянистые почвы тундры и подзолистые почвы тайги вода обогащается значительным количеством органического вещества и в малой степени солями. Иная картина наблюдается при фильтрации воды через черноземные, каштановые, солонцовые почвы, которые заметно пополняют ее солями. При прохождении через почву существенно изменяется и газовый состав атмосферных осадков, прежде всего в них резко снижается количество кислорода и заметно возрастает содержание углекислоты.

Следует, однако, подчеркнуть, что, несмотря на тесную зависимость динамики и концентрации грунтовых вод от свойств почвы, для объективного объяснения их изменчивости необходимо учитывать и другие факторы: особенности климата, состав материнских пород, рельеф и др.

При объяснении современной динамики грунтовых вод необходимо учитывать влияние на их формирование хозяйственной деятельности человека. Так, вносимые в почву удобрения могут попадать и в подземные воды, нередко загрязняя их. Сильное антропогенное изменение атмосферных осадков способно существенно отразиться на химизме грунтовых вод.

Другой гидрологической функцией является участие почвы в формировании речного стока и водного баланса. Прежде всего от почвы зависит соотношение поверхностного и грунтового стока в реки. В случае развитых структурных почв, способных легко впитывать атмосферные осадки, поверхностный сток в равнинных регионах имеет обычно подчиненное значение, а пополнение грунтовых вод осуществляется успешно. Когда же водопроницаемость почв недостаточна, создаются предпосылки для усиления поверхностного стока, что может вызвать ряд неблагоприятных последствий: активизацию эрозии, длительные паводки весной и сильное обмеление рек в засушливый период. Поверхностный сток в отличие от грунтового носит резко выраженный пульсирующий характер. За короткие промежутки времени в реки могут поступать огромные массы воды, а затем нередко наблюдаются длительные перерывы в поверхностном водоснабжении речной сети. Грунтовое питание гораздо более выровненное и потому более надежное.

Соотношение поверхностного и грунтового стока во многом зависит также от промерзаемости почв, характера растительности, рельефа и т. д. В случае сильно увлажненных почв их глубокое промерзание может вызвать усиление поверхностного стока в связи с закупоркой пор кристаллами льда, что нередко наблюдается в Западной Сибири. При промерзании сухой почвы водопроницаемость мелкозема не снижается. Резко уменьшается поверхностный сток, когда почвы покрыты хорошо развитым растительным покровом. Например, в лесу по сравнению с полем сток на поверхности почвы ничтожно мал. Это связано не только с тем, что благодаря более благоприятным физическим свойствам целинных лесных почв инфильтрация влаги в них в 2–3 раза выше, чем на полях, но и с водозадерживающими свойствами густой растительности.

Участие почвы в формировании водного баланса Земли отмечалось рядом исследователей. По М.И. Львовичу (1986), основные составляющие водного баланса Земли за год следующие: осадки над Мировым океаном 79,2 %, над сушей 20,8 %; испарение с поверхности океана 86,2 %, с поверхности суши 13,8 %; речной сток 7,0 %. Общее количество осадков за много лет в среднем равно испарению и составляет для всего земного шара около 580 тыс. км ³в год.

Характерной особенностью является быстрое обновление и восстановление запасов воды в почве. Если полное возобновление запасов Мирового океана осуществляется примерно за 3 тыс. лет, а подземных вод за 5 тыс. лет, то для почвенной влаги этот срок равен 1 году. Поэтому, несмотря на довольно скромный объем воды в почве по сравнению с ее содержанием в других компонентах гидросферы, роль ее в общепланетарном круговороте влаги велика. Так, от почв в значительной мере зависят суммарное испарение с поверхности суши и баланс не только грунтовых, но и других типов подземных вод. Почва во многом определяет образование даже непосредственно не связанных с ней растворов, какими являются «возрожденные» воды, образующиеся в разогретых слоях земной коры за счет выделения Н ₂O из водосодержащих минералов при действии на них высокой температуры. Объясняется это просто. Вещество, образовавшееся в самой верхней части литосферы, под воздействием почвообразовательного процесса приобретает ряд новых свойств, в том числе способность к удержанию значительного количества воды. При попадании в зоны земной коры с повышенной температурой (в местах ее опускания) соединения, богатые связанной Н ₂O, аккумулированной при почвообразовании и выветривании, начинают ее терять. Потери могут быть очень велики. Так, гипс при полном превращении в ангидрид на каждую тонну выделяет 210 кг свободной воды.

Другой аспект в проблеме водного баланса связан с его регулированием путем воздействия на различные составляющие, в том числе на почвенное звено.

Современные исследования показывают, что водный баланс Земли характеризуется рядом направленных изменений. Одна из тенденций – постепенное увеличение объема воды в океане и сокращение ее запасов на континентах. Имеются данные, что ежегодно воды Мирового океана пополняются более чем на 500 км ³за счет сокращения водных запасов на суше. Одна из важных причин снижения обводненности суши – резко возросшее водопотребление человеком. Расчеты показывают, что главным водопотребителем оказывается сельское хозяйство, которое львиную долю воды тратит на орошение почв, что приводит к повышению испарения с поверхности суши. Безвозвратные потери воды за счет испарения в результате хозяйственной деятельности к 2000 г. могут превысить 5 тыс. км ³(Клиге, 1985).

В связи с этим центральной проблемой в деле оптимизации водного баланса Земли оказывается воздействие на почвенное звено. Но конкретные мероприятия, связанные с решением задачи регулирования глобального баланса влаги, сопряжены с большими трудностями. Одним из эффективных способов оптимизации водного баланса является оптимальная залесенность. Однако некогда густо покрытая лесом планета продолжает терять лесные массивы. Если несколько сот лет назад леса занимали 7200 млн га, то в середине XX в. их общая площадь уже не превышала 4000 млн га. Поэтому ближайшая гидрологическая задача для многих стран – увеличение лесных посадок.

Одна из гидрологических функций почвы заключается в том, что она выступает и как фактор биопродуктивности водоемовза счет приносимых почвенных соединений. На важность этой функции указывал еще Б.Б. Полынов, подчеркивая, что соединения, вынесенные из почвы, при поступлении их в моря и океаны встречают многочисленных потребителей в лице морских животных и растений. Дальнейшие исследования подтвердили справедливость этих высказываний. В частности, установлено, что наивысшая биологическая продуктивность в Мировом океане приурочена к зоне контакта морских и речных вод, обогащенных вымытыми из почв и кор выветривания соединениями. Из этих соединений морские организмы активно извлекают кальций, магний, калий, а также кремний, фосфор и другие элементы. Особенно интенсивно потребляется кальций, который входит как составной элемент в скелеты морских животных, в раковины и панцири, слагающие после отмирания организмов мощные толщи подводных осадков.

К гидрологическим функциям относится способность почвы благодаря своей огромной активной поверхности перехватывать значительную часть вредных соединений и элементов на пути их движения в водоемы, т. е. выполнять роль геохимического барьера.Наибольших масштабов этот перехват достигает в почвах аккумулятивных ландшафтов, к которым относятся поймы. Но и на водоразделах имеются отдельные участки, успешно выполняющие эту роль. Количество задержанных вредных соединений может быть значительным. Так, при исследовании техногенно загрязненных районов было установлено, что в некоторых дерново-подзолисто-глеевых и перегнойно-глеевых почвах пониженных аккумулятивных элементов ландшафта содержится в 10-100 раз больше тяжелых металлов, чем в почвах водоразделов.

Нередко, спасая водоемы от отравления, почвы сами становятся непригодной средой обитания. Особенно это касается почв с повышенной способностью к аккумуляции вредных соединений. Возникает проблема выявления таких почв, чтобы при посевах сельскохозяйственных культур избегать потенциально опасных земель. Следует также отметить, что, несмотря на большие возможности почвенного покрова как защитного барьера акваторий, он во многих случаях уже не справляется с этой функцией из-за сильно возросших антропогенных нагрузок на природу.

Опасность техногенного загрязнения почв и водоемов усугубляется длительным пребыванием многих вредных соединений в среде, которое нередко измеряется многими годами и десятилетиями. Например, до сих пор в окрестностях Хиросимы и Нагасаки почвы содержат повышенное количество продуктов радиоактивного распада.

Почва и воздушный океан

Воздушный океан – самая непостоянная и изменчивая сфера Земли. Нередко всего лишь за несколько часов могут происходить резкие изменения погоды. Воздушные массы из теплых широт могут быстро проникнуть на север, а холодный полярный воздух – распространиться к югу. Непрерывная изменчивость атмосферных явлений помогает легко убедиться в сильном влиянии воздушного океана на другие геосферы.

Куда менее очевидна зависимость самой газовой оболочки от взаимодействующих с ней природных компонентов. Так, трудно представить, каким образом она зависит от почвенного покрова Земли. Однако накопленные факты говорят о том, что такая зависимость существует, причем формы ее многообразны.

По значению в первую очередь выделяется влияние почвы на состав атмосферы.Связано это прежде всего с постоянной деятельностью почвенных микроорганизмов, а также с высокой пористостью (достигающей 60 % и более) и биохимической активностью почвы, облегчающими обмен почвенного и атмосферного воздуха – дыхание почвы. Дыхание – обязательное условие нормальной жизни почв. Масштабы его поразительны и достигают 1–4 тыс. л/га за час. В верхнем горизонте непереувлажненной почвы воздух может полностью обновляться за 1 ч. Водоемы лишены такой возможности, газообмен в них с такой скоростью немыслим.

Воздействие почвенного дыхания на состав газовой оболочки связано с существенным отличием почвенного воздуха от атмосферного. Так, для воздуха почвы характерно значительно меньшее содержание кислорода и в 10-100 раз большее – углекислого газа. Своеобразие почвенного воздуха определяют и находящиеся в нем летучие органические вещества.

С почвой тесно связан и круговорот различных газообразных элементов. Так, в круговороте азота на почву выпала важная миссия возврата этого элемента из атмосферы в состав литосферы путем фиксации его с помощью почвенных микроорганизмов. В результате образуются не только запасы нитратов и нитритов в самой почве, но и богатые залежи натриевой селитры.

С участием почвенных микроорганизмов осуществляется удержание водорода и углеводородов и тем самым ограничивается попадание их в космическое пространство. По мнению В.И. Вернадского, данная функция почвы предохраняет планету от разрушения.

Важную роль играет почва в круговороте углерода, имеющего исключительное значение для жизни на Земле. Прежде всего почва участвует в изъятии части углерода из атмосферы, которое происходит в результате образования и захоронения в осадочной оболочке не только морских, но и континентальных органогенных пород. Устранение избытка углерода в атмосфере – важное условие улучшения ее состава.

Необходимо, однако, отметить, что чрезмерное снижение количества углерода в атмосфере нежелательно, поскольку оно может вызвать ослабление фотосинтеза и похолодание климата вследствие снятия парникового эффекта от CO ₂. Поэтому большое значение имеют процессы возврата углерода в атмосферу, в которых почва принимает участие путем частичного возврата связанного углерода при разложении органического вещества, поступающего ежегодно на ее поверхность с растительным опадом. При аэробном разложении освобождается в виде углекислоты около 40 % органического вещества, а остальное ассимилируется микроорганизмами.

Таким образом, благодаря сбалансированности двух противоположных процессов – консервации углерода атмосферы и систематического возврата его в воздушный океан – выполняется одно из условий нормального функционирования основных оболочек Земли.

Из числа других функций необходимо отметить поглощение и отражение почвой солнечной радиации, от чего во многом зависит энергетика нижних слоев атмосферы.

Различные почвы обладают неодинаковой отражательной способностью. Так, пахотные черноземы отражают всего 5–7% солнечной радиации, в то время как исходные бурые суглинки – 18–19 %, пахотные подзолы и солончаки – соответственно до 30 и 35 %. Распашка и освоение почв приводят к тому, что поверхность Земли по отражательным способностям становится все более пестрой, что усиливает изменчивость тепло-обеспеченности приповерхностных слоев воздушной оболочки.

Другая функция, заслуживающая внимания, – участие почвы в формировании и регулировании влагооборота атмосферы. Во многом благодаря задержанию почвенным покровом атмосферных осадков становится возможным их испарение и повторное выпадение на землю. Хотя осадки, образующиеся за счет испарения с суши, незначительны (основное влагопоступление идет с океана), роль их велика. От них во многом зависит относительная влажность воздуха, заметно влияющая на общее количество осадков. Например, при относительной влажности ниже 40 % осадки малы, но они быстро увеличиваются при повышении влажности воздуха до 50–55 % и более. Осадки за счет местных источников влаги могут оказаться спасительными в период летних засух.

Таким образом, благодаря почве не только увеличивается общее количество водяного пара в атмосфере, но и происходит выравнивание процесса снабжения водой природных ландшафтов. Это особенно важно для неустойчивых растительных сообществ, к которым, в частности, относятся реликтовые леса в засушливых регионах.

Человеческая деятельность, повсюду преобразующая лик Земли, заметно изменила и влияние почвы на влагооборот в атмосфере. Сведение лесов и широкая распашка земель, вызывавшие усиление поверхностного стока, заметно ослабили водорегулирующую способность почв, что привело к снижению общей увлажненности многих районов земного шара и нарушению водного баланса. Чаще стали наблюдаться экстремальные явления – засухи, наводнения и др.

Снижение устойчивости современного климата требует самого пристального к себе внимания. М.И. Будыко (1977) отмечает, что если солнечная постоянная снизится на 4 %, то по всей Земле может распространиться снежный и ледяной покров. При увеличении солнечной постоянной на 2 % будет происходить таяние льдов, что чревато серьезными глобальными последствиями. Необходимы тщательное изучение всех причин возможного нарушения современного климата и учет всех факторов, от которых он зависит, в том числе и климатообразующей роли почв.

Почва является также источником поступления твердого вещества и микроорганизмов в атмосферу. Основным механизмом попадания пылеватого материала в воздушную оболочку оказывается дефляция – развевание почв под действием сильных порывов ветра. Особенно большие массы вещества поднимаются в атмосферу во время бурь. Страдают прежде всего почвы, не защищенные растительным покровом. Одна из наиболее сильных бурь смела с Великих Равнин США около 300 млн т почвенного мелкозема, в результате чего пострадало примерно 4 млн га земель. Дальность переноса попавших в атмосферу частиц зависит от их размеров и мощности воздушного потока. Наиболее мелкие из них могут облетать вокруг земного шара.

Находящееся в атмосфере пылеватое вещество оказывает разнообразное воздействие на процессы, в ней происходящие. Некоторые эффекты имеют положительный характер. Так, мелкие твердые частицы служат центрами конденсации паров влаги и способствуют выпадению дождей. В жарких районах запыленность атмосферы снижает поступление солнечного тепла к поверхности Земли, уменьшая тем самым ее перегрев.

Однако чрезмерное поступление твердого вещества в атмосферу, которое сейчас нередко наблюдается в связи с активным вмешательством человека в природные процессы, чревато многими отрицательными последствиями. Прежде всего происходит существенная потеря почвенного плодородия в результате развевания гумусового горизонта. В местах невысокой теплообеспеченности запыленность воздуха в результате снижения притока солнечной радиации к поверхности Земли усугубляет недостаточное снабжение ландшафтов теплом.

Большой интерес представляет поступление в атмосферу микроорганизмов. Английский исследователь Ф. Грегори, обобщивший материалы по данной проблеме в монографии «Микробиология атмосферы» (1964), отмечает, что источником большей части бактерий в атмосфере служит почва, мелкие сухие частицы которой подхватываются ветром и поднимаются в воздух. Микробы могут попадать в воздух и иным путем – из водоемов при образовании брызг, с поверхности растений и т. д., однако почвенный источник рассматривается как основной.

Состав микрофлоры воздуха разнообразен. В приземных слоях атмосферы обнаружено около 1200 видов бактерий и актиномицетов. Кроме того, в воздушные массы попадают споры грибов, мхов, папоротников и пыльца 100 тыс. видов цветковых растений. При распылении почвы в воздух попадают и простейшие животные, и их цисты, а также яйца некоторых беспозвоночных.

Таким образом, воздушная оболочка Земли далеко не механическая смесь газов, имеющая повсюду одинаковый состав. В процессе длительной эволюции она превратилась в важную среду обитания многочисленных видов растений, животных с их различными газообразными продуктами жизнедеятельности. Кроме того, эта среда выполняет роль распространителя микроскопических форм жизни, которые с воздушными потоками могут переноситься на расстояния от нескольких метров до десятков, сотен и даже тысяч километров. Согласно гипотезе Аррениуса, возможно даже проникновение спор некоторых организмов в космическое пространство.

Оживление литосферы

Известно, что под литосферой понимается верхняя твердая оболочка Земли, представленная различными минералами. Ее нижняя граница находится на глубине от нескольких километров в глубоководных зонах океанических областей до сотни километров в континентальной части планеты.

Рассматривая конкретные формы влияния почвообразовательного процесса на литосферу, следует отметить, что верхняя часть литосферы – кора выветривания (область наибольшего разнообразия и сложности био-геохимических процессов) теснейшим образом связана с жизнью покрывающей ее почвы.

Почва оказывается главным поставщиком активных соединений, которые преобразуют монолитные породы в мелкозем коры выветривания на глубину до 100 м и более. Именно в результате почвообразовательного процесса образуются основные агенты выветривания – гумусовые кислоты, простые органические кислоты, биогенные щелочи и др. Они в сочетании с физическим выветриванием (растрескиванием пород при колебаниях температуры) и деятельностью микроорганизмов и являются главным двигателем процесса корообразования. Кроме того, благодаря почве обеспечивается проникновение в различные горизонты коры выветривания атмосферной влаги. Так создаются предпосылки для образования подвижного фонда химических элементов, участвующих в различных природных процессах.

Кроме того, выветривание приводит к резкому возрастанию (в тысячи раз) доли раздробленного тонкодисперсного вещества, обладающего огромной активной поверхностью, на которой развертываются разнообразные физико-химические процессы.

В ходе преобразования литосферы почва выполняет и другую важную функцию, являясь источником вещества для образования минералов. Так, мобилизованный при почвообразовании из кристаллических решеток первичных минералов кремнезем может в дальнейшем выпадать из раствора, образуя гель, переходящий постепенно в опал – халцедон – вторичный кварц.

Известны также новообразования коагелей глинозема (алюминия), коллоидального гидроксида железа, минералов, содержащих фосфор, марганец, а также легкорастворимых солей, глинистых минералов и др.

Велика роль почвы в формировании и эволюции пород. Осадочные породы континентов тесно связаны с почвенной оболочкой, поскольку масса вещества, идущая на их образование, прошла через почвообразовательный процесс. И морские осадочные породы в определенной мере сопряжены с почвенным покровом Земли. Во-первых, тонкодисперсное твердое вещество, изъятое из почвенной оболочки водными потоками, частично достигает морей и океанов. Во-вторых, растворимые элементы, мобилизованные при почвообразовании и попавшие в морские водоемы, могут поступать в отложения в результате осаждения или после предварительного их извлечения морскими организмами, скелеты которых – раковины и панцири, как отмечал Б.Б. Полынов, слагают мощные толщи подводных осадков.

Прямо или косвенно почвенная оболочка Земли влияет и на формирование полезных ископаемых,в частности болотной и озерной руды, обогащенной железом, марганцем и другими элементами. Кроме того, массы торфа в случае погребения на значительную глубину в зонах опускания земной коры превращаются постепенно в различные виды угля.

В коре выветривания может происходить формирование полезных ископаемых и за счет высвобождения из исходной породы самородных металлов и устойчивых минералов.

Почвообразование оказывает определенное воздействие и на жизнь более глубокой части литосферы благодаря энергетическому обмену между различными ее слоями.

Почвенный покров Земли выполняет по отношению к литосфере и функцию защитного барьера,охраняющего ее от чрезмерной эрозии.

В случае нарушения почвенного покрова происходит ускоренная эрозия поверхности, которая может привести не только к полному уничтожению плодородного слоя, но и к принципиальному изменению направленности процессов в верхней части литосферы. Характерной особенностью данных процессов является то, что в движение вовлекается не только грубый материал массивных пород, но и химические элементы, мобилизованные из кристаллических решеток. Одно из условий данной мобилизации – химическое выветривание материала под действием различных почвенных агентов.

При ускоренной эрозии мелкозем подвергается механическому сносу с поверхности Земли. Последствия этого процесса самые различные: чрезмерное заиление водоемов, снижение доступных элементов питания для наземных и водных организмов, уменьшение исходного материала для минералов и полезных ископаемых. На последнее обстоятельство обратил внимание Н.М. Страхов, который показал, что если химическая дифференциация вещества на поверхности. планеты выражена слабо, то образование полезных ископаемых в верхних слоях земной коры подавлено. Особенно это заметно в полярных районах, скованных льдами, где нет сколько-нибудь ценных полезных ископаемых, кроме таких элементарно простых, как строительные материалы.

В связи с широким хозяйственным освоением почвенного покрова во взаимоотношениях почвы и коры выветривания наметились существенные изменения. Прежде всего произошло значительное ослабление противоэрозионной функции почв. Распашка земель и уничтожение естественной растительности на обширных пространствах привели к резкому возрастанию сноса с поверхности Земли огромного количества мелкозема в моря и океаны. Причем во многих случаях сносу подвергались не только верхние плодородные слои почвы, но и более глубокие горизонты, вплоть до материнской породы. Антропогенная эрозия в XX в. достигла грандиозных размеров и превысила 10 млрд т вещества в год. По мнению некоторых исследователей, она составляет не менее 50 % общей денудации суши. Отрицательные последствия приняли общепланетарный характер, поскольку эрозия не только приводит к существенному снижению почвенного плодородия, но и может вызвать негативные изменения в процессах развития литосферы в связи с нарушением исторически сложившихся взаимосвязей ее с почвенной оболочкой Земли.