Вся электронная библиотека      Поиск по сайту

 

Биогеохимия почвы

Глава II. БИОСФЕРА, ЕЕ КОМПОНЕНТЫ И ФУНКЦИИ

 

В.А. Ковда

В.А. Ковда

 

Смотрите также:

 

Почва и почвообразование

 

Почвоведение. Типы почв

 

Книги Докучаева

докучаев 

Фитоценология

 

Химия почвы

 

Происхождение жизни

 

Геология

геология

Основы геологии

 

Геолог Ферсман

 

Черви и почвообразование

дождевые черви

 

Дождевые черви

 

Вернадский. Биосфера

биосфера

 

Геохимия - химия земли

 

Минералогия

минералы

 

Земледелие. Агрохимия почвы

 

Справочник агронома

 

Удобрения

 

Происхождение растений

растения

 

Ботаника

 

Биология

биология

 

Эволюция биосферы

 

Земледелие

 

зелёные растения

 

Геоботаника

 

Общая биология

 

Биографии биологов, почвоведов

Биографии почвоведов

 

Эволюция

 

 

НАЧАЛО И ПЕРВЫЕ ЭТАПЫ ФОРМИРОВАНИЯ БИОСФЕРЫ

 

Видимо, наиболее ранними организмами еще бескислородной планеты были примитивные одноклеточные, использовавшие кислород, абиотическую органику и энергию, связанные в материале космического происхождения. В интересном обзоре развития жизни в докембрии (Кордэ, 1974) упоминаются находки, слои остатков бактерий, синезеленых водорослей, живших 2,7—3,1 млрд. лет назад. Поэтому допустимо предполагать, что доклеточные и бактериальные формы жизни возникли еще раньше (древнее 3,2 млрд. лет). Возможно, что и первые фотосинтезирующие организмы появились тогда же (табл. 5).

 

Субстратом жизни долгое время был океан, затем его мелководья и прибрежные зоны. Но синезеленые водоросли и лишайники могли уже существовать на голых скалах суши. Синезеленые водоросли (точнее, бактерии) и их возможные спутники оставили ископаемые следы существования даже в осадочных породах возраста 3,5 млрд. лет (Западная Австралия) . Но их процветание приходится на более поздний период: 600 млн. — 2 млрд. лет назад (Peat, Diver, 1982). Они существуют и поныне и обитают там, где не могут существовать высшие растения (сухость, засоленность и др.).

 

Развитие и обильные формы жизни и массы живого вещества сложились значительно позже, 1,0—1,5 млрд. лет назад, в основном в Мировом океане. Живое вещество, т.е. совокупность всех форм жизни и видов организмов, выступило новой могучей и возрастающей во времени геологической силой коренного преобразования планеты, ускоренного саморазвития и воспроизводства.

 

Появление развитой жизни было началом формирования биосферы. Оно отмечено в осадочных породах скоплениями углисто-графитовых отложений, палеонтологических остатков, возрастанием величины отношения легких изотопов и более тяжелых изотопов углерода (12С/13С 92-94 вместо 87,9) и серы (S32/S34 > 22). Подтверждением раннего развития биосферы ряд авторов законно считают изотопные отношения 12С и 13С (Алексеев, Денисенко, 1^77) в углеводородах больших глубин земной коры в сравнении с мантией. Обогащение биогенных продуктов (осадков, углей, почв, гумуса черноземов) более легкими изотопами углерода и серы прослеживается через всю историю послекембрийских осадочных пород и особенно в современных биогенных осадках и почвах.

 

Глубоким изменениям подвергались гидросфера и литосфера Земли. Началось заметное уменьшение в атомсфере концентрации углекислоты и стала возрастать концентрация кислорода. Образовались огромные толщи известняков и доломитов. Восстановительная среда в литосфере и гидросфере сменилась окислительной. Соответственно изменились условия миграции и осаждения соединений железа, марганца, серы, азота.

 

300-500 млн. лет назад растительность стала завоевывать сушу. В силуре, девоне происходила глубокая биологизация суши. Начал развиваться почвообразовательный процесс. Фотосинтетическая и почвообразующая деятельность древесных привела к формированию в земной коре колоссальных запасов энергии в виде каменного угля, углистых и органогенных сланцев, нефти, горючих газов, значительному снижению содержания в атмосфере углекислоты, накоплению в атмосфере кислорода и молекулярного азота. В третичную эпоху биосфера и суша приобрели тот вид, который застал человек, появившийся на грани третичной и четвертичной эпох. Эволюция жизни и планеты в целом привели к тому, что различные организмы и их популяции приспособлены к условиям среды, а сама среда (атмосфера, гидросфера, педосфера, оболочка осадочных пород) преобразована жизнью в биосферу. То же следует сказать и о человеке, приспособленность которого к условиям среды оказалась особенно поразительной и эффективной, как и его воздействие на природу.

 

Таблица 5, Основные этапы формирования биосферы Земли, лет назад

Время сгущения межзвездного вещества и образования планеты Земля          4,5-5 • 109

Стадия безжизненного геологического развития            4,5-3- 109

Появление автотрофных бактерий, синезеленых водорослей в водах суши и океане; начало примитивного скального и подводного почвообразования       3-2,5 • 109

Начало фотосинтеза, развитие водорослей, лишайников, мхов, формирование первоначальной биосферы и усложни ние примитивного почвообразования  1,5-1,0 • 109

Развитие и господство лесной растительности на суше, формирование кислородной атмосферы, мощных ал- литных кор выветривания, болотно-аккумулятивного и кислого почвенного покрова; развитая биосфера  0.5-0,3- 109

Остепнение суши, появление травянистой растительности, оформление современного лика материков, природных зон, биосферы, развитого почвообразования, постепенное похолодание, сухость          100-30- 10*

Ледниковые и межледниковые эпохи, появление человека      2-3- 106

Последниковая эпоха          10—20 f 103

Агрикультура и техногенно-индустриальная эпоха       Сов р.-20 • 103

 

Исходя из учения о биосфере В.И. Вернадского и новых фактов и представлений биосферу „Земли необходимо определить как открытую сложную многокомпонентную саморегулирующую, связанную с космосом систему живого вещества и минеральных соединений, образующую внешнюю оболочку планеты. Главными компонентами биосферы как особой оболочки планеты являются: 1) потоки космической энергии, электромагнитные и гравитационные поля, космическое вещество, поступающие на Землю; 2) биомасса живой растительности, способной путем фотосинтеза и роста фиксировать и преобразовывать космическую энергию в химическую потенциальную энергию и хранить ее в виде органических соединений; 3) почвенный покров, обеспечивающий существование растительности (механическая опора, корнеобитание, водное, углекислотное, азотное, минеральное питание, тепловой режим, накопление запасов энергии в виде детрита и гумуса); 4) биомасса живущих на почве и в почве консументов (животных, простейших, микроорганизмов), потребляющих фитомассу и доводящих ее до полной минерализации; 5) водная оболочка (гидросфера); 6) атмосфера; 7) литосфера (оболочка биогенных осадочных пород).

 

Биосфера является не только областью, в которой на планете Земля возникла и развивалась жизнь во всем многообразии ее форм. Живое вещество за время своего существования глубоко изменило первоначальную природу планеты, биологизировало ее. Жизнь как бы сама приспосабливала среду и оптимизировала условия. В стратосфере возник озоновый экран, защищающий живые существа от гибельного воздействия ультрафиолетовых лучей и других космических излучений. Выветривание, почвообразование, делювиальные и аллювиальные наносы закрыли органо-минеральными покровами мелкозема монолитные бесплодные и безводные скалы, создав рыхлые горизонты, благоприятные по физическим и химическим свойствам для существования растений, особенно их корневых систем, и животных (экологические ниши). Фотосинтез растений явился механизмом накопления активной биохимической энергии в массах органического вещества, в форме почвенного гумуса, в виде ископаемых горючих, как бы гарантирующих удовлетворение запросов организмов на случай стрессовых условий и неблагоприятных периодов.

 

Ограниченность ресурсов азотно-углеродного, водного, воздушного, минерального питания живое вещество преодолело путем создания почвенного покрова, неосинтеза высокодисперсных минералов, обеспечивающих в почвах физико-химическую поглотительную способность (сорбция соединений азота, фосфора, кальция, калия), и еще более эффективным путем, биогенной аккумуляции гумусо-органических соединений макроэлементов (С, N, Р, Са, S, К) и микроэлементов (I, Zn, Си, Со, Se и др.) в прижизненных выделениях, в опаде, подстилках, корнях, в поверхностных почвенных горизонтах, подпочвенных, грунтовых, речных водах. Надо иметь в виду, что масса прижизненных выделений в почву в десятки и сотни раз превосходит вес биомассы организмов. По своему биогеохимическому значению в поддержании жизни на планете почвенный покров сравним с озоновым экраном в стратосфере.

 

Возник и показал свою исключительную экологическую роль механизм "сотрудничества" (биогеохимической, биоэнергетической кооперации - симбиоза) между растениями, животными, насекомыми, низшими беспозвоночными, микроорганизмами, с образованием так называемых пищевых цепей. Растительное органическое вещество, биофильные элементы, его слагающие, энергия, связанная в фитомассе прижизненно и посмертно, многократно последовательно потребляются популяциями травоядных, грибов, хищников, паразитов, некрофагов, сапрофагов до полной минерализации исходной органики и до неосинтеза гумусовых веществ и биогенных минералов в почвах. Каждое из этих бесчисленных звеньев использует продукты или отходы, «созданные на предыдущем звене пищевой цепи с коэффициентом не менее 3—5—10% и как бы готовит запас органики, биофилов и энергии для последующего звена. Этот механизм в биосфере позволяет "обходиться" абсолютно небольшими запасами энергии и химических соединений.

 

Пищевые цепи, их звенья и последовательная реализация на суше складываются и осуществляются на поверхности почвы и в основном внутри почвы, которая служит как бы главным хранителем биоэнергетических ценностей, созданных фотосинтезом в биосфере системой растения-почвы. Первичным и наиболее активным структурным компонентом, слагающим биосферу, являются экологические системы (биогеоценозы).

 

Экосистемы — это совокупность локальных устойчивых популяций растений и животных, обитающих в условиях однородного местного рельефа, почв, микроклимата, связанных между собой общим потоком космической энергии, пищевыми цепями и общей историей происхождения.

 

Благодаря этому в природных ненарушенных экосистемах складывается биогеохимический круговорот и последовательность многократного повторного вовлечения в ткани живого вещества главных биофильных элементов и соединений: энергия, вода, органика, углекислота, кислород, азот, фосфор, сера, кальций, калий и т.д. Эти локальные циклические процессы являются "почти замкнутыми", так как экосистема отдает за пределы лишь малую часть (5—10%) своего вещества. Пищевые цепи обеспечивают длительное удержание внутри экосистем энергии, связанной фотосинтезом, и резерва биофильных элементов (С, N, К, S, Са, Mg и др.), необходимых для новых поколений живого вещества. На этой основе слагаются главные звенья биогеохимического круговорота суши.

 

Биогеоценозы (экосистемы), сложившиеся в процессе длительной эволюции, приспособления видов и популяций между собой и к условиям среды, становятся весьма слаженными (интегрированными), устойчивыми образованиями, способными путем саморегулирования противостоять как изменениям в среде, так и изменениям в численности компонентов экосистемы. Это положение должно быть распространено на сложные экосистемы, охватывающие ландшафты, природные зоны, а также и на биосферу в целом.

 

Но есть пределы этой устойчивости и саморегулирования. Если изменения в среде (почва, грунтовые воды, тектоника, климат) выходят за пределы периодических колебаний, к которым приспособлены организмы, то слаженность экосистемы необратимо нарушается. Еще более глубокие последствия происходят в экосистемах, когда под влиянием естественных явлений (оледенения, тектонические движения, перемещение устьев рек и др.) или ошибочных действий человека в экосистеме и в биологических цепях популяций организмов выпадает один или несколько элементов. Экосистема переживает катастрофические изменения и коренную перестройку. Та часть связанной энергии и биофильных элементов, которая при эрозионном или промывном водном режиме местности была вырвана из экосистемы, поступает в биогеохимический цикл вещества ландшафта, бассейна, континента, мигрируя с водными или воздушными массами. Миграция веществ в горизонтальном направлении (водная или воздушная) является важнейшим звеном в механизме самоуправления биосферы условиями жизни и элементами питания организмов. Общеизвестна роль пресных речных вод на поймах, в дельтах и эстуариях в создании ландшафтов самой высокой биопродуктивности Земли. То же можно сказать о ветровом притоке элементов минерального питания в таежные или влаж- нотропические ландшафты кислых болотных почв и лесных экосистем.

 

Жизнь, живое вещество, биосфера, благодаря отмеченным выше процессам, и используя непрерывность поступления космической энергии, развивались по принципу "самоуправляемого расширенного воспроизводства" биомассы, численности организмов, их разнообразия и растущей сложности. В работах ботаников (В.А. Успенский, А.Н. Крииггафович) убедительно показана роль растений в истории планеты и ее биосферы. Так, в девоне существовало около 12 тыс. видов растений, в каменноугольном периоде — до 27 тыс., в пермо-триасе - 43 тыс. и в юре — 60 тыс. Современная флора насчитывает около 300 тыс. видов, а их биомасса достигает триллиона тонн.

 

Объект исследования

Таблица 6. Биомасса Земли

Воздушно-сухая биомасса, т

Вся планета   10,3-1014

Суша  10  -10 В том числе

леса    10а1-101Я

травы  lO10-!*)11

животные      ** Ю9

микроорганизмы      108 ~9

 

Многими исследователями, начиная с В.И. Вернадского, установлено, что биосфера и ее структурные компоненты (биогеоценозы-экосистемы) накопили за время существования автотрофных организмов огромные запасы энергии в виде ископаемых горючих, сланцев, торфов, гумуса почв и органических остатков, живого вещества.

 

При этом эволюция биосферы как открытой системы была направлена на создание все более сложных и более многочисленных организмов, а также на преобразование самой планеты Земля.

 

После классических работ В.И. Вернадского (1960, L965, 1978) эти идеи и обобщения получили признание и развитие в публикациях исследователей второй половины XX в. (Goldsmith, 1981).

 

Таким образом, биосфера как открытая самоуправляющая сложная автотрофная система оказалась в состоянии не только обеспечивать космической энергией свои потребности, но и аккумулировать значительные ресурсы энергии. Экосистемы и организмы развивались и приспосабливались к условиям планеты, менявшимся за минувшие миллиарды лет. Но вместе с этим они активно воздействовали на условия планеты. За время биогенной истории планеты сложился современный состав атмосферы и гидросферы; возник защитный озоновый экран, сформировалась оболочка осадочных пород и почвенный покров суши и мелководий. Все эти компоненты биосферы незаменимы и являются необходимыми частями целого, т.е. биосферы, обеспечивая существование и развитие автотрофных и гетеротрофных организмов, а в историческую эпоху — и человечества.

 

Техносфера и теногенные индустриально-городские системы являются гетеротрофными и могут существовать в современную эпоху только при использовании энергии и биомассы, накапливаемой автотрофными системами биосферы. Именно поэтому техногенные системы разрушают биосферные автотрофные экосистемы, замещая их в пространстве. Нельзя сомневаться в том, что человечество в не столь отдаленном будущем перейдет на более высокий уровень, т.е. на автотрофное — прямое получение нужной ему энергии путем трансформации энергии Солнца. Уже созданы фотопреобразующие аппараты, позволяющие получать электроэнергию, используя солнечный свет с коэффициентом 1—7% с помощью селеновых или кремниевых устройств (Flavin, 1982). Эти аппараты на 1 — 1,5 порядка эффективнее, чем в среднем природный фотосинтез. Вероятно, это лишь начало и в будущем будут достигнуты более высокие коэффициенты преобразования.

 

Сходные взгляды высказывают многие зарубежные исследователи. В частности, Гольдшмидт (Goldsmith, 1981) в функциях (в экодинами- ке) биосферы называет четыре главные закономерности:

1)        сохранение и максимальное использование всего того, что захватывается организмами экосистем;

2)        достижение экосистемами во времени состояния зрелости и устойчивости во взаимоотношениях со средой;

3)        организованность и самоуправляемость экосистем в поддержании взаимодействия и соответствия с колебаниями в среде;

4)        спонтанное саморазвитие в направлении более сложного и эффективного состояния.

 

К этому необходимо добавить способность изменять среду (конечно, в определенных пределах), приспосабливая ее к функциям экосистем и биосферы. Надо также добавить и принцип расширенного воспроизводства биомассы, условий и факторов ее синтеза, рассмотренный выше.

 

Техногенные системы расположены в биосфере, но они не обладают большинством свойств и функций, которые свойственны природным экоситсемам. Агороэкосистемы в значительной мере подобны природным экосистемам, но они утратили свойство саморегулирования—самоуправления. При сознательном управлении агроэкосистемами, однако, следует максимально использовать закономерности и условия высокой биопродуктивности, выработанные биосферой.

 

 

 

К содержанию книги: Ковда В.А. Биогеохимия почвенного покрова

 

 

Последние добавления:

 

Глазовская. Почвоведение и география почв

 

Сукачёв: Фитоценология - геоботаника

 

Сукачёв. БОЛОТОВЕДЕНИЕ И ПАЛЕОБОТАНИКА

 

ГЕОХИМИЯ ЛАНДШАФТА

 

Жизнь в почве  Агрохимик и биохимик Д.Н. Прянишников

 

 Костычев. ПОЧВОВЕДЕНИЕ  Полынов. КОРА ВЫВЕТРИВАНИЯ

 

Тюрюканов. Биогеоценология. Биосфера. Почвы

 

Почвоведение - биология почвы

 

Происхождение и эволюция растений