Реферат: Особенности почвы как природного образования. Понятие о гумосфере как аккумуляторе энергии

На данном этапе становления биосферы растения во многих отношениях были сходны с водными предками, и длительное время сохраняли потребность в постоянном обильном увлажнении среды своего обитания. Роль фактора, стабилизировавшего водообеспечение, выполняло органическое вещество, которое по своей природе обладает большой способностью поглощать и удерживать воду. Эта особенность органического вещества послужила предпосылкой использования создаваемых самими же растениями запасов мертвых остатков в качестве субстрата – почвы.

Атмоземный этап развития биосферы продолжался около 200 млн. лет. За это время организмы адаптировались к жизни в условиях воздушного окружения и были подготовлены к переселению на литосферную оболочку суши. Однако растительность атмоземного периода имела слаборазвитую корневую систему, приспособленную к функционированию в условиях влажных органогенных почв. Дальнейшее совершенствование растений, прежде всего корневых систем, происходило в течении литоземного этапа. Появилась новая форма почвообразования - автоморфное. Путь к нему шел постепенно, через ряд гидроморфных и полугидроморфных почв, с постепенным уменьшением содержания перегноя, увеличением количества гуминовых кислот. По всей видимости, наиболее поздно сформировавшимися были пустынные биомы, для которых характерен наименее развитый почвенный покров.

Из выше сказанного следует вывод о том, что на протяжении всей истории биосферы между живой и неживой природой, живыми организмами и продуктами метаболизма экосистем существовала тесная связь, взаимозависимость. Для процесса почвообразования, также как и для жизни в целом, характерно рассеяние энтропии, то есть её уменьшение. В то же время происходит повышение упорядоченности, количество информации в почвенных системах в ходе развития растёт.

Наибольшую роль в уменьшение энтропии почвенных систем вносят гумусовые вещества – аккумулятор энергии Солнца, а также микроорганизмы, которые даже аналитически невозможно отделить в процессе анализа органического вещества.

Наиболее энергоемки и термодинамически устойчивы молекулы гуминовых кислот. Они состоят из ароматических конденсированных ядер и многофункциональных периферических алифатических цепей с общей системой сопряженных связей. Подобная система является довольно устойчивой, ядро состоит из 5-6-ти бензольных колец (по И. Д. Комисарову). Алифатическая периферия – переменный компонент, которые может быть, а может и не быть в составе молекулы. В процессе почвообразования к ранее сформированным ароматическим матрицам могут присоединяться цепи различной длины. В то же время при недостатке органического материала, микроорганизмы способны использовать эти цепи на нужды метаболизма.

Гуминовые кислоты, накапливая солнечную энергию, сами уподобляются в своей геометрии Солнцу. Ароматическое ядро – звезда, алифатические цепи – расходящиеся лучи.

Одним из наиболее специфических почвенных свойств стоит признать наличие специфических органических веществ, они содержаться в любой почве и большинстве парапочв. Эти вещества настолько важны в биосфере, что В. А. Ковда, продолжая учение В. И. Вернадского о биосфере, предложил считать гумусовый слой планеты особой энергетической оболочкой – гумосферой . Растительные остатки, поступая в почву, несут около 17-21 кДж энергии на 1 г сухого вещества. По данным С. А. Алиева, 1 г гуминовой кислоты содержит от 18 до 22 кДж, 1 г фульвокислоты около 19 кДж, 1 г липидов – 35,5 кДж. Почвы, содержащие среднее количество органического вещества 4-6% и имеющие средние запасы гумуса (200-400 т/га), накапливают на 1 га столько энергии, сколько дают 20-30 т антрацита.

Энергия гумуса, это энергия порядка. Она снижает энтропию системы. Расходуется на оструктуривание почв, тем самым, создавая благоприятные условия для произрастающих растений и деятельности звена деструкторов экосистем. Почвенный агрегат является почвенной клеткой, в которой протекают многие элементарные процессы, а в гумусовых горизонтах создаются оптимальные для данных условий условиях водно-воздушного и пищевого режимов. Также оструктуривание почв гумусовыми веществами, имеющими в своих молекулах гидрофобные цепи, способствует противоэрозионной стойкости, в тоже время гидрофильные части молекул вносят вклад в капиллярность, отчего влага быстро впитывается.

Часть энергии гумуса расходуется на преобразования минеральной массы, обеспечение питания растений, беспозвоночных животных и микроорганизмов.

Общие запасы углерода биосферы оцениваются величиной 2-3∙ 10¹² т. Большая часть органического углерода приходится на сушу и в первую очередь на почвенный гумус. В результате фотосинтеза ежегодно связывается около 50∙ 10⁹ т углерода из атмосферы, а при отмирании на поверхность почвы в виде опада поступает около 40∙ 10⁹ . Часть опада минерализуется, но значительная часть по разным источникам от 0,6 до 25∙ 10⁹ т углерода в год превращается в гуминовые вещества.

Если определять теплотворность растения, то наименьшее количество энергии аккумулируется в корнях, наибольшее в листьях. Овингтон и Эйтками, анализируя результаты всех опытов, пришли к выводу, что только 1-2,7 % приходящей солнечной энергии используется экосистемой. В дальнейшем на каждый последующий трофический уровень также передаётся лишь 1% энергии, остальная энергия закрепляется, либо рассеивается.

Происходит ли в почве ежегодное увеличение содержания гумуса, т. е. запасенной энергии? С. Я. Трофимов (2002) выделяет три типа биологического круговорота:

1) аккумулятивный;

2) регрессивный;

3) квазистационарный.

В первом случае экосистема накапливает органическое вещество и энергию вместе в ним, во втором случае органическое вещество срабатывается, а в третьем количество разлагающейся органики = количеству поступающей в почву. Эти типы задаются отношениями гетеротрофного блока экосистемы с автотрофным. Для экосистем предпочтителен третий тип, так как первые два типа не могут существовать продолжительное время.

Если принять во внимание, что глобальные цифры свидетельствуют о выводе углерода из атмосферы, то верно есть на планете несбалансированные экосистемы. Существование же их говорит о том, что планетарные условия меняются, вызывая адекватные реакции биосферы.

Интересные данные о запасах энергии в экосистемах приводятся В. Р. Волобуевым (1974).

Таблица 1 – Энергия, связанная с основными компонентами характерных почвенно-растительных систем (в верхнем 3-х метровом слое почвогрунтов сечением 1 см² ) и растительном веществе

Зональный тип биогеоценоза и почва	Энергия компонентов в приземном слое и почве, кал
	Затраченная на минеральные преобразования	Аккумулиро-ванная в гумусе	Аккумулиро-ванная в раститель-ном сообществе	Всего
Тундровый, глеево-тундровая	1230	6000	450	7680
Таежный, подзолистая	2460	6800	14250	23510
Влажнотропический, красноземная	12350	9200	71250	9280
Степной, чернозем	5040	20000	2250	27290
Сухостепной, каштановая	2100	8000	1500	11000
Полупустынный, серозем	3920	4000	750	2670

Из табл. 1 хорошо видны принципиальные различия энергетических показателей исследуемых почв. Так, чернозем характеризуется преобладающей аккумуляцией энергии в гумусе (88 % от суммы энергии в гумусе и растительном веществе), тогда как во влажнотропическом сообществе доля энергии гумуса составляет лишь 11%, а главным аккумулятором энергии оказывается растительность.

Эти данные хорошо согласуются выдающимся и устойчивым плодородием черноземов, так же как и краткостью периода высокой производительности почв из-под только что сведенных влажнотропических лесов, т. е. пока в почве сохраняются некоторые органические остатки и элементы биогенной аккумуляции (Волобуев В. Р., 1974).

Энергия гумуса способствует снижению затрат при с/х производстве. Почвы с высоким содержанием гумуса быстрее просыхают весной и раньше пригодны к обработке, требуют меньше затрат на механическую обработку. Эксплуатационные расходы на высокогумусных почвах сокращаются при возрастании производительности почвообрабатывающих агрегатов. Увеличение содержания органического вещества ведёт к снижению равновесной плотности почв, что создаёт условия для минимализации обработок при повышении их интенсивности.

В заключении отметим, что почвенный покров «ответствен» за постоянное функционирование биоценозов, он является необходимым условием существования жизни. Именно почвенные условия определяют самое первое звено глобальных трофических цепей – продуцирование растительной биомассы за счет её синтеза из элементов, находящихся в почве и атмосфере, и использованием солнечной энергии. Все дальнейшие звенья – вторичны по отношению к этой первооснове жизни на планете. Одновременно почвенный покров «ответственен» за последнее звено трофических цепей. В почвах аккумулируются продукты конечного метаболизма живых организмов, основной формой этой аккумуляции является почвенный гумус (Соколов И. А., 2004).

Литература

Бахнов В. К. Роль древнейших болот планеты в становлении современной биосферы // Болота и биосфера: Материалы Первой Научной Школы (23-27 сентября 2002 г.). Томск: Издательство Томского государственного педагогического университета, 2003. – С. 72-81

Волобуев В. Р. Введение в энергетику почвообразования. – М.: Наука, 1974. – 128 с.

Почвоведение, ч. 1 (под ред. В. А. Ковды, Б. Г. Розанова). М.: Высшая школа, 1988. – с. 124-126

Соколов И. А. Теоретические проблемы генетического почвоведения. – Новосибирск: «Гуманитарные технологии», 2004. – 288с.