Круговорот вещества и энергии в почве

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

 

по почвоведению на тему:

«Круговорот вещества и  энергии в почве»

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

 

 

Проверил:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

В настоящее время круговорот веществ является одной из важнейших теоретических концепций, как в почвоведении, так и биогеохимии. Исследование в этой области касается различных уровней организации наземных экосистем – от живых организмов и популяций - до биогеоценозов и биосферы в целом¹. В области биологического круговорота исследования можно рассматривать как развитие системы взглядов на современные или прошлые процессы, происходящие в биосфере или смежных оболочках, при которых, естественным образом, живым организмам уделяется центральное место.

Согласно мнению выдающегося естествоиспытателя В.И. Вернадского, именно в биогенном токе атомов, который существует в биосфере между живыми организмами и косной материей, заключается основной механизм устойчивости биосферы². Но, чтобы понять данный механизм, нужно разобраться в связях, в круговоротах химических веществ,  и понять их сущность.

В данной работе перед  нами стояла цель охарактеризовать основные круговороты веществ, протекающие в почве.

Для решения поставленной цели были определены следующие задачи:

1. Дать определение понятий «почва», «круговорот веществ»;
2. Перечислить и проанализировать основные круговороты веществ, присущие почве;
3. Дать качественную и количественную характеристику элементов почвы.

 

1. Понятие о почве и круговороте веществ

 

 

1. Понятие «почва»

Почвой называют верхний, рыхлый слой земной коры, измененный под  влиянием климатических условий (воды, тепла, света, воздуха), растительных и животных организмов, а также под воздействием человека³. 

Особое природное образование, обладающее рядом свойств, присущих живой и неживой природе; состоит из генетически связанных горизонтов, возникающих в результате преобразования поверхностных слоев литосферы под совместным воздействием воды, воздуха и организмов⁴.

Наряду с понятием  «почва» целесообразно рассмотреть такое понятие, как «почвообразование».

Почвообразовательный  процесс (почвообразование) – это сложный природный процесс преобразования материнской горной породы в почву, ее становления и эволюции под воздействием комплекса факторов.

По своей природе почвообразование – это биофизико-химический процесс.

Общая схема почвообразования состоит из следующих основных стадий⁵:

1) привнесение химических  элементов и соединений с атмосферными  осадками, почвенными животными и растениями в почвообразующую породу;

2)элементарные процессы содействуют преобразованию, перемещению и аккумуляции химических элементов по профилю почвы;

3) частичный вынос  химических элементов за пределы  почвенного профиля с участием атмосферных осадков.

Первая стадия – привнесение химических элементов и соединений с атмосферными осадками, почвенными животными и растениями в почвообразующую породу. Одноклеточные организмы поселяются на породе, добывают из нее труднодоступные элементы и связываю азот. Все это создает условия для поселения более сложных растительных организмов. 

2 стадия – преобразование, перемещение и аккумуляция химических  элементов по профилю почвы и формирование генетических горизонтов.  
При взаимодействии минеральных и органических веществ, образуется сложная система органо-минеральных соединений.

3 стадия – частичный  вынос химических элементов за  пределы почвенного профиля с  участием атмосферных осадков.  Эта стадия начинается когда почва уже сформирована (наличие определенного состава и свойств почвы).

Характерной чертой почвообразовательного процесса является перераспределение части минеральных и органических веществ по вертикальному профилю с помощью воды и корневых систем растений и возникновение генетических горизонтов.

Под влиянием факторов почвообразования протекают разнообразные процессы, которые можно объединить в следующие  основные группы:

1) обмен веществами и энергией между почвой и природными телами;

2) процессы превращения веществ и энергии, происходящие в самом почвенном теле без перемещения веществ;

3) процессы передвижения  веществ и энергии в почве⁶.

К первой группе относятся: многосторонний обмен газами, влагой и твёрдыми частицами в системе атмосфера — почва — растительность (надземные органы); двусторонний обмен газами и влагой с растворёнными в ней веществами в системе почва — грунт (породы, залегающие под почвой, включая почвообразующую и подстилающую); многосторонний обмен тепловой энергией в системе атмосфера — растительность — почва — грунт; двусторонний обмен зольными веществами, соединениями азота, CO₂ и O₂ в системе почва — высшая растительность.

Вторая группа включает огромное количество весьма разнообразных  процессов: разложение органических соединений и синтез гумусовых веществ; образование и распад органо-минеральных соединений, т. е. процессы, связанные с круговоротом углерода (разложение углеводов, дубильных веществ, лигнина и др.); процессы, связанные с круговоротом азота — Аммонификация, Нитрификация и Денитрификация, фиксация атмосферного азота; разложение и превращение первичных и вторичных минералов и синтез вторичных.

Третья группа: передвижение почвенного воздуха под влиянием меняющихся давления и температуры; диффузное передвижение газов и водяного пара, передвижение почвенного раствора под действием силы тяжести, капиллярных, сорбционных и осмотических сил; передвижение почвенной массы роющими животными, под влиянием давления корней и др.

 

 

 

2. Понятие «круговорот веществ»

Движение большинства химических элементов осуществляется в виде круговых процессов - круговоротов. Именно эти элементы слагают земную кору, жидкую и газовую оболочки нашей планеты⁷. Их круговороты могут происходить на ограниченном пространстве  и на протяжении небольших отрезков времени, а может охватывать всю наружную  часть планеты и огромные периоды. В природе существует целый ряд круговоротов вещества и энергии.

Выделяют большой и  малый круговороты. Основная характеристика заключается в следующем: большой круговорот веществ в природе (геологический) обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли и осуществляет перераспределение веществ между биосферой и более глубокими горизонтами Земли.

В данной работе мы остановим  свое внимание на малом круговороте веществ.

Малый круговорот веществ (биогеохимический) совершается лишь в пределах биосферы. Сущность его  заключается в образовании живого вещества из неорганических соединений в процессе фотосинтеза и в  превращении органического вещества при разложении вновь в неорганические соединения. Главным источником энергии круговорота является солнечный свет, который обеспечивает фотосинтез⁸.

Ранее, рассматривая понятие «почвообразование», приводилась характеристика трех стадий, к первой из которых относилось привнесение органических веществ в почвообразующую породу.

В данной главе целесообразно  рассмотреть подробнее механизм образования органических веществ  из неорганических, и круговорот химических элементов при этом.

Зеленые растения поглощают  из породы необходимые химические элементы, осуществляют фотосинтез и создают органические вещества.

Органические остатки  отмерших организмов разлагаются микроорганизмами. Из большей части остатков, после  их частичного разложения, синтезируется  новое стойкое вещество – гумус, а остальная часть полностью минерализуется до конечных продуктов разложения – СО₂, Н₂О, ионы. Гумус постепенно накапливается в верхней части породы, придавая ей темную окраску и новые свойства⁹. Одновременно с образованием гумуса идет и процесс его разложения микроорганизмами.

В результате постоянно  идущих процессов синтеза и разложения органического вещества происходит круговорот углерода, азота и элементов зольного питания в системе почва – растение – почва. Его обычно называют малым или биологическим круговоротом веществ. Благодаря биологическому круговороту в верхних слоях почвы накапливаются элементы питания растений N, К, Р, Са, S, и др.

В поверхностных горизонтах накапливаются органическое вещество, азот и фосфор, обменные соединения алюминия, кальция, магния, калия, натрия; во многих случаях происходит потеря силикатных соединений (за исключением кремнезёма в форме кварца).

 

2. Круговороты основных веществ в почвах

 

1. Биотический круговорот

Под биотическим (биологическим) круговоротом понимается циркуляция веществ  между почвой, растениями, животными  и микроорганизмами.

 По определению  Н. П. Ремезова, Л. Е. Родина  и Н. И. Базилевич, биотический  (биологический) круговорот — это поступление химических элементов из почвы, воды и атмосферы в живые организмы, превращение в них поступающих элементов в новые сложные соединения и возвращение их обратно в процессе жизнедеятельности с ежегодным опадом части органического вещества или с полностью отмершими организмами, входящими в состав экосистемы¹⁰.

Микроорганизмы способны быстро размножаться и приспосабливаться  к разным условиям, например, использовать в своем питании всевозможные субстраты — источники углерода. Высшие организмы такими способностями не обладают.

Вначале развиваются  многоклеточные растения (Р) — высшие продуценты. Вместе с одноклеточными они создают в процессе фотосинтеза  органическое вещество, используя энергию  солнечного излучения. В дальнейшем подключаются первичные консументы — растительноядные животные (Т), а затем и плотоядные консументы.

Все организмы занимают определенное место в биотическом  круговороте и выполняют свои функции по трансформации достающихся  им ветвей потока энергии и по передаче биомассы. Всех объединяет, обезличивает их вещества и замыкает общий круг система одноклеточных редуцентов (деструкторов). В абиотическую среду биосферы они возвращают все элементы, необходимые для новых и новых оборотов.

Фотосинтез относится  к мощному естественному процессу, вовлекающему ежегодно в круговорот огромные массы вещества биосферы и определяющему ее высокий кислородный потенциал. Он выступает регулятором основных геохимических процессов в биосфере и фактором, определяющим наличие свободной энергии верхних оболочек земного шара.

За счет углекислоты  и воды синтезируется органическое вещество и выделяется свободный  кислород. Прямыми продуктами фотосинтеза  являются различные органические соединения, а в целом процесс фотосинтеза носит довольно сложный характер¹¹.

В биосфере Земли этот процесс приводит к тому, что количество биомассы живого вещества приобретает  тенденцию к определенному постоянству. Растения Земли ежегодно продуцируют органическое вещество, равное 8% биомассы экосферы. Деструкторы, составляющие менее 1% суммарной биомассы организмов планеты, перерабатывают массу органического вещества, в 10 раз превосходящую их собственную биомассу.

Закон биогенной миграции атомов В. И. Вернадского гласит: «Миграция  химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция), или же она протекает в среде, геохимические особенности которой (О₂, СО₂, Н₂ и т. д.) обусловлены живым веществом, как тем, которое в настоящее время населяет биосферу, так и тем, которое действовало на Земле в течение всей геологической истории»¹².

В. И. Вернадский в 1928—1930 гг. дал представление о пяти основных биогеохимических функциях живого вещества.

Первая функция —  газовая. Большинство газов верхних горизонтов планеты порождено жизнью. Подземные горючие газы являются продуктами разложения органических веществ растительного происхождения, захороненных ранее в осадочных толщах. Наиболее распространенный — это болотный газ — метан (СН₄,).

Вторая функция — концентрационная. Организмы накапливают в своих телах многие химические элементы. Среди них на первом месте стоит углерод. Содержание углерода в углях по степени концентрации в тысячи раз больше, чем в среднем для земной коры.

Третья функция — окислительно-восстановительная. В истории многих химических элементов с переменной валентностью она играет важную роль. Организмы, обитающие в разных водоемах, в процессе своей жизнедеятельности и после гибели регулируют кислородный режим и тем самым создают условия, благоприятные для растворения или же осаждения ряда металлов с переменной валентностью.

Четвертая функция —  биохимическая. Она связана с  ростом, размножением и перемещением живых организмов в пространстве. Размножение приводит к быстрому распространению живых организмов, «расползанию» живого вещества в разные географические области.

Пятая функция — это  биогеохимическая деятельность человечества, охватывающая все возрастающее количество вещества земной коры для нужд промышленности, транспорта, сельского хозяйства. Данная функция занимает особое место в истории земного шара и заслуживает внимательного отношения и изучения¹³.

Таким образом, все живое  население нашей планеты —  живое вещество — находится в  постоянном круговороте биофильных химических элементов. Биологический круговорот веществ в биосфере связан с большим геологическим круговоротом.

Взаимосвязь малого биологического круговорота 
веществ в биосфере с большим геологическим круговоротом.

 

2. Круговорот органических веществ

Растения являются единственным первоисточником органических веществ в почве. Основной функцией их как почвообразователей следует считать биологический круговорот веществ - синтез биомассы за счет углекислого газа атмосферы, солнечной энергии, воды и минеральных соединений, поступающих из почвы. Биомасса растений в виде корневых остатков и наземного опада возвращается в почву. Характер участия зеленых растений в почвообразовании различен и зависит от типа растительности и интенсивности биологического круговорота¹⁴.

Учение о растительных формациях с точки зрения почвоведения было разработано В. Р. Вильямсом. В качестве основных критериев для разделения растительных формаций им были приняты такие показатели, как состав растительных группировок, особенности поступления в почву органического вещества и характер его разложения под воздействием микроорганизмов при различном соотношении аэробных и анаэробных процессов.

Согласно Н. Н. Розову, различают следующие основные группы растительных формаций:

1. деревянистая растительная формация: таежные леса, широколиственные леса, влажные субтропические леса и ливневые тропические леса;
2. переходная деревянисто - травянистая растительная формация: ксерофитные леса, саванны;
3. травянистая растительная формация: суходольные и заболоченные луга, травянистые прерии, степи умеренного пояса, субтропические кустарниковые степи;
4. пустынная растительная формация: растительность суббореального, субтропического и тропического почвенно - климатических поясов;
5. лишайниково - моховая растительная формация: тундра, верховые болота¹⁵.

Для каждой группы растительных формаций, а внутри группы для каждой формации характерен определенный биологический цикл превращения  веществ в почве. Он зависит от количества и состава органического  вещества, а также от особенностей взаимодействия продуктов распада с минеральной частью почвы. Поэтому различия в растительности являются главной причиной почвенного многообразия в природе. Так, под широколиственным лесом и лугово - степной растительностью в одинаковых условиях климата и рельефа и на одних и тех же породах будут формироваться разные почвы.

Распределение растительности подчиняется закону широтной зональности. В каждой природной  зоне продуктивность растительных сообществ  зависит от климатических и почвенных  условий (табл.1).

Таблица 1

Биологический круговорот веществ (по Л. Е. Родину, Н. И. Базилевич)¹⁶

Растительные  сообщества	Органическое  вещество, т/га				Зольные элементы и азот, кг/га
	Биомасса		Ежегодный		В биомассе	Ежегодно
	общая	корней	прирост	опад		потребляется	возвращается  с опадом
Арктические тундры	5	3	1	1	160	38	37
Ельники южной тайги	330	73,5	8,5	5,5	2600	155	120
Березняки	220	50,5	12	7	2100	380	290
Дубравы	400	96	9	6,5	5800	340	255
Луговые степи	25	17	13,7	13,7	1180	682	682
Сухие степи	10	8,5	4,2	4,2	350	161	161
Пустыни полукустарничковые	4,3	3,8	1,2	1,2	180	59	59

 

Таким образом, от типа растительности и интенсивности  биологического круговорота зависят  почвообразовательный процесс и свойства почв¹⁷.

Микроорганизмы  являются тем активным фактором, с  деятельностью которого связаны  процессы разложения органических веществ  и превращения их в почвенный  перегной. Микроорганизмы осуществляют фиксацию атмосферного азота. Они выделяют ферменты, витамины, ростовые и другие биологические вещества. От деятельности микроорганизмов зависит поступление в почвенный раствор элементов питания растений, а, следовательно, плодородие почвы.

Гетеротрофные бактерии используют углерод органических соединений, разлагая органические остатки до простых минеральных соединений.

Автотрофные бактерии усваивают углерод из углекислоты воздуха и окисляют недоокисленные минеральные соединения, образующиеся в процессе деятельности гетеротрофов.

Актиномицеты  разлагают клетчатку, лигнин, перегнойные  вещества почвы, участвуют в образовании  гумуса. Они лучше развиваются  в почвах с нейтральной или  слабощелочной реакцией, богатых  органическим веществом и хорошо обрабатываемых.

Грибы - сапрофиты - гетеротрофные организмы. Они встречаются во всех почвах. Имея ветвящийся мицелий, грибы густо переплетают органические остатки в почве. В аэробных условиях они разлагают клетчатку, лигнин, жиры, белки и другие органические соединения. Грибы участвуют в минерализации гумуса почвы.

Наиболее активные почвообразователи из числа беспозвоночных - дождевые черви. Начиная с Ч. Дарвина, многие ученые отмечали их важную роль в почвообразовательном процессе.

Дождевые черви  распространены практически повсеместно как в окультуренных, так и в целинных почвах. Их количество колеблется от сотен тысяч до нескольких миллионов на 1 га. Перемещаясь внутри почвы и питаясь растительными остатками, дождевые черви активно участвуют в переработке и разложении органических остатков, пропуская через себя огромную массу почвы в процессе пищеварения.

 

3. Круговорот азота

В отличие от углерода, атмосферный азот не может  напрямую использоваться высшими растениями. Поэтому ключевую роль в биологическом  круговороте азота играют организмы-фиксаторы. Это микроорганизмы нескольких различных групп, обладающие способностью путём прямой фиксации непосредственно извлекать азот из атмосферы и, в конечном счёте, связывать его в почве. К ним относятся:

• некоторые свободноживущие почвенные бактерии;
• симбионтные клубеньковые бактерии (существующие в симбиозе с бобовыми);
• цианобионты, которые также бывают симбионтами грибов, мхов, папоротников, а иногда и высших растений. В результате деятельности организмов - фиксаторов азота он связывается в почвах в нитритной форме (соединения на основе NH3)¹⁸.

Нитритные соединения азота способны мигрировать в  водных растворах. При этом они окисляются и преобразуются в нитратные - соли азотной кислоты HNO3. В этой форме  азотные соединения способны эффективно усваиваться высшими растениями и использоваться для синтеза белковых молекул на основе пептидных связей C-N. Далее, по трофическим цепям, азот попадает в организмы животных.

В окружающую среду (в водные растворы и в почву) он возвращается в процессах выделительной деятельности животных или разложения органического вещества.

Возврат свободного азота в атмосферу, как и его  извлечение, осуществляется в результате микробиологических процессов. Это  звено круговорота функционирует  благодаря деятельности почвенных бактерий-денитрификаторов, вновь переводящих азот в молекулярную форму.

В литосфере, в  составе осадочных отложений, связывается  весьма небольшая часть азота. Причина  этого в том, что минеральные  соединения азота, в отличие от карбонатов, очень хорошо растворимы. Выпадение некоторой доли азота из биологического круговорота также компенсируется вулканическими процессами. Благодаря вулканической деятельности в атмосферу поступают различные газообразные соединения азота, который в условиях географической оболочки Земли неизбежно переходит в свободную молекулярную форму.

Огромное количество азота в связанном виде содержит биосфера: в органическом веществе почвенного покрова (1,5х1011 т), в биомассе растений (1,1х109 т), в биомассе животных (6,1х107 т). В больших количествах азот содержится и в некоторых биогенных ископаемых (селитры). В то же время наблюдается парадокс - при огромном содержании азота в атмосфере вследствие чрезвычайно высокой растворимости солей азотной кислоты и солей аммония, азота в почве мало и почти всегда недостаточно для питания растений. Поэтому потребность культурных растений в азотных удобрениях всегда высока. Поэтому ежегодно в почву вносится по разным оценкам от 30 до 35 млн. тонн азота в виде минеральных удобрений.

 

4. Круговорот углерода

Углерод находится  в природе как в свободном  состоянии, так и в виде

многочисленных  соединений. Свободный углерод встречается  в виде алмаза и графита.

Соединения углерода очень распространены. Кроме ископаемого  угля, в недрах Земли находятся большие скопления нефти, представляющей сложную смесь различных углеродсодержащих соединений, преимущественно углеводородов. Кроме того растительные и животные организмы состоят из веществ, в образовании которых главное участие принимает углерод. Таким образом, этот элемент – один из распространенных на Земле, хотя общее его содержание в земной коре составляет всего около 0,1%¹⁹.

Углекислый газ  поглощается растениями-продуцентами и в процессе фотосинтеза преобразуется в углеводы, белки, липиды и другие органические соединения. Эти вещества с пищей используют животные-консументы. Одновременно с этим в природе происходит обратный процесс. Все живые организмы дышат, выделяя углекислый газ, который поступает в атмосферу. Мертвые растительные и животные остатки и экскременты животных разлагаются (минерализуются) микроорганизмами-редуцентами. Конечный продукт минерализации - углекислый газ - выделяется из почвы или водоемов в атмосферу. Часть углерода накапливается в почве в виде органических соединений (рис.1.).

Рис. 1. Круговорот веществ в природе: 1 – круговорот воды, кислорода и углерода; 2 – круговорот азота

 

3. Понятие энергии в почве

 

Своим существованием географическая оболочка обязана различным видам энергии:

• основные первичные виды энергии - лучистая энергия Солнца и внутренняя теплота Земли;
• вторичные виды энергии, являющиеся результатом трансформации первичных, - химическая энергия, проявляющаяся преимущественно в виде окислительно-восстановительных процессов, и биогенная, источником которой является фотосинтез у растений, хемосинтез у некоторых бактерий, энергия окисления при усвоении пищи животными, процессы размножения и прироста биомассы;
• техногенная энергия, т.е. энергия, создаваемая человеческим обществом в процессе производства, которая сопоставима по величине с природными факторами²⁰.

 Солнечная радиация — основной двигатель всех природных процессов в географической оболочке. Именно благодаря ей текут реки, дуют ветры, зеленеют поля. Солнечная радиация дает 99,8% всей теплоты, попадающей на поверхность Земли. Всего 28% общего потока солнечной радиации, поступающей на верхнюю границу атмосферы, определяет тепловой режим земной поверхности. В среднем для всей поверхности Земли этот приток солнечной теплоты составляет 72 ккал/см² в год.

 Он расходуется  на таяние льдов и испарение  воды, на фотосинтез, а также на  теплообмен между земной поверхностью, атмосферой и водами и между  поверхностью и лежащими под ней слоями почвогрунтов.

 Приблизительно 1/3 общего количества солнечной энергии, поступающей на верхнюю границу атмосферы, отражается в мировое пространство, 13% поглощается озоновым слоем стратосферы, 7% - остальной атмосферой. Следовательно, только половина солнечной энергии достигает земной поверхности. Но из этой половины 7% отражается обратно в мировое пространство, а еще 15%, поглощаясь земной поверхностью, трансформируется в теплоту, которая излучается в тропосферу и в значительной мере определяет температуру воздуха.  
Из общего количества солнечной энергии, поступающей на земную поверхность, растительность суши и моря использует для фотосинтеза в среднем около 1% (в оптимальных условиях увлажнения - до 5%), хотя фотосинтетически активная радиация (которую можно использовать для фотосинтеза) составляет примерно 50% суммарной радиации, поступающей на поверхность Земли.