stringtranslate.com

Педосфера

Педосфера (от древнегреческого πέδον ( pédon )  'земля, земля' и σφαῖρα ( sphaîra )  'сфера') - это самый внешний слой Земли , который состоит из почвы и подвержен процессам почвообразования . Он существует на границе литосферы , атмосферы , гидросферы и биосферы . [ 1] Педосфера - это кожа Земли, которая развивается только при динамическом взаимодействии между атмосферой (воздухом в почве и над ней), биосферой (живыми организмами), литосферой (рыхлым реголитом и консолидированной коренной породой ) и гидросферой (водой в почве, на ней и под ней). Педосфера является основой наземной жизни на Земле.

Педосфера выступает в качестве посредника химических и биогеохимических потоков в эти соответствующие системы и из них и состоит из газообразных, минеральных, жидких и биологических компонентов. Педосфера находится в критической зоне, более широком интерфейсе, который включает растительность, педосферу, системы водоносных горизонтов , реголит и, наконец, заканчивается на некоторой глубине в коренной породе, где биосфера и гидросфера перестают вносить существенные изменения в химию на глубине. Как часть более крупной глобальной системы, любая конкретная среда, в которой формируется почва, находится под влиянием исключительно ее географического положения на земном шаре, поскольку климатические, геологические, биологические и антропогенные изменения происходят с изменениями долготы и широты.

Педосфера лежит под растительным покровом биосферы и над гидросферой и литосферой. Процесс почвообразования (педогенез) может начаться без помощи биологии, но значительно ускоряется при наличии биологических реакций, где он образует почвенную углеродную губку . [2] Формирование почвы начинается с химического и/или физического распада минералов для формирования исходного материала, который покрывает коренной субстрат. Биология ускоряет этот процесс, выделяя кислотные соединения, которые помогают разбивать горную породу. Конкретными биологическими пионерами являются лишайники , мхи и семенные растения, [ 3] но происходит много других неорганических реакций, которые разнообразят химический состав раннего слоя почвы. После того, как накапливаются продукты выветривания и разложения , связное тело почвы позволяет жидкостям перемещаться как вертикально, так и горизонтально через профиль почвы , вызывая ионный обмен между твердой, жидкой и газообразной фазами. С течением времени основная геохимия почвенного слоя будет отклоняться от первоначального состава коренной породы и эволюционировать в химию, которая будет отражать тип реакций, происходящих в почве. [4]

Литосфера

Первичные условия развития почвы контролируются химическим составом породы, на которой будет находиться почва. Типы пород, которые формируют основу профиля почвы, часто являются либо осадочными (карбонатными или кремнистыми), магматическими или метамагматическими ( метаморфизованными магматическими породами) или вулканическими и метавулканическими породами. Тип породы и процессы, которые приводят к ее выходу на поверхность, контролируются региональной геологической обстановкой конкретной изучаемой области, которая вращается вокруг базовой теории тектоники плит , последующей деформации , поднятия , оседания и осаждения .

Метамагматические и метавулканические породы образуют крупнейший компонент кратонов и содержат много кремнезема . Магматические и вулканические породы также содержат много кремнезема, но в неметаморфизованных породах выветривание ускоряется, а мобилизация ионов более распространена. Породы с высоким содержанием кремнезема производят кремниевую кислоту как продукт выветривания. Существует несколько типов пород, которые приводят к локальному обогащению некоторых биологически ограничивающих элементов, таких как фосфор (P) и азот (N). Фосфатный сланец (<15% P2O5 ) и фосфорит ( >15% P2O5 ) образуются в бескислородных глубоководных бассейнах, которые сохраняют органический материал. [5] Зеленокаменные породы (метабазальт), филлит и сланец выделяют до 30–50% азотного пула. [6] Толстые последовательности карбонатных пород часто отлагаются на окраинах кратонов во время повышения уровня моря. Широко распространенное растворение карбонатов и эвапоритов приводит к повышению уровня Mg 2+ , HCO −
3, Sr 2+ , Na + , Cl − и SO2−
4ионы в водном растворе. [7]

Выветривание и растворение минералов

Процесс формирования почвы доминирует в химическом выветривании силикатных минералов, которому способствуют кислотные продукты пионерских растений и организмов, а также поступления угольной кислоты из атмосферы. Углекислота образуется в атмосфере и слоях почвы в результате реакции карбонизации . [4]

Это доминирующая форма химического выветривания, способствующая разрушению карбонатных минералов (таких как кальцит и доломит ) и силикатных минералов (таких как полевой шпат ). Разложение натриевого полевого шпата, альбита , угольной кислотой с образованием каолинитовой глины происходит следующим образом: [4]

Доказательством этой реакции в полевых условиях будет повышенный уровень бикарбоната ( HCO−
3), ионы натрия и кремния в сточных водах.

Распад карбонатных минералов: [4] [7]

Дальнейшее растворение угольной кислоты (H 2 CO 3 ) и бикарбоната ( HCO−
3) производит газ CO 2 . Окисление также является основным фактором распада многих силикатных минералов и образования вторичных минералов ( диагенез ) в раннем профиле почвы. Окисление оливина (FeMgSiO 4 ) высвобождает ионы Fe, Mg и Si. [8] Mg растворим в воде и переносится стоком , но Fe часто реагирует с кислородом, осаждая Fe 2 O 3 ( гематит ), окисленное состояние оксида железа. Сера , побочный продукт разложения органического материала, также будет реагировать с железом, образуя пирит (FeS 2 ) в восстановительных средах. Растворение пирита приводит к низким уровням pH из-за повышенных ионов H + и дальнейшего осаждения Fe 2 O 3 [4], в конечном итоге изменяя окислительно-восстановительные условия среды.

Биосфера

Вклады из биосферы могут начинаться с лишайников и других микроорганизмов , которые выделяют щавелевую кислоту . Эти микроорганизмы, связанные с сообществом лишайников или независимо населяющие скалы, включают сине-зеленые водоросли , зеленые водоросли , различные грибы и многочисленные бактерии. [9] Лишайники долгое время считались пионерами развития почвы, как предполагает следующее заявление Исодзаки 1997 года:

Первоначальное преобразование горных пород в почву осуществляется пионерными лишайниками и их преемниками, мхами, у которых волосовидные ризоиды берут на себя роль корней, превращая поверхность в мелкую пыль. [10]

Однако лишайники не обязательно являются единственными пионерными организмами или самой ранней формой почвообразования, поскольку было задокументировано, что семенные растения могут занимать территорию и колонизировать ее быстрее, чем лишайники. Кроме того, эоловое осаждение (ветрообразующее) может приводить к высоким темпам накопления осадка. Тем не менее, лишайники, безусловно, могут выдерживать более суровые условия, чем большинство сосудистых растений, и хотя у них более медленные темпы колонизации, они образуют доминирующую группу в альпийских регионах .

Органические кислоты, выделяемые корнями растений, включают уксусную и лимонную кислоту . Во время разложения органического вещества фенольные кислоты выделяются из растительного материала, а гуминовая кислота и фульвовая кислота выделяются почвенными микробами. Эти органические кислоты ускоряют химическое выветривание, соединяясь с некоторыми продуктами выветривания в процессе, известном как хелатирование . В почвенном профиле эти органические кислоты часто концентрируются в верхней части профиля, в то время как угольная кислота играет большую роль в нижней части профиля или ниже в водоносном горизонте. [4]

По мере того, как почвенная колонна развивается дальше в более толстые накопления, более крупные животные приходят, чтобы заселить почву и продолжают изменять химическую эволюцию своей соответствующей ниши . Земляные черви аэрируют почву и преобразуют большие объемы органического вещества в богатый гумус , улучшая плодородие почвы . Мелкие роющие млекопитающие запасают пищу, выращивают молодняк и могут впадать в спячку в педосфере, изменяя ход эволюции почвы. Крупные млекопитающие-травоядные над землей переносят питательные вещества в форме богатых азотом отходов и богатых фосфором рогов, в то время как хищники оставляют богатые фосфором груды костей на поверхности почвы, что приводит к локальному обогащению почвы.

Окислительно-восстановительные условия в почвах болот

Круговорот питательных веществ в озерах и пресноводных водно-болотных угодьях в значительной степени зависит от окислительно-восстановительных условий. [4] Под несколькими миллиметрами воды гетеротрофные бактерии метаболизируют и потребляют кислород. Поэтому они истощают почву кислородом и создают необходимость в анаэробном дыхании . Некоторые анаэробные микробные процессы включают денитрификацию , сульфатредукцию и метаногенез и отвечают за высвобождение N 2 (азота), H 2 S ( сероводорода ) и CH 4 ( метана ). Другие анаэробные микробные процессы связаны с изменениями в степени окисления железа и марганца. В результате анаэробного разложения почва хранит большое количество органического углерода, поскольку почвенная углеродная губка остается нетронутой. [4]

Восстановительный потенциал описывает, каким образом химические реакции будут протекать в почвах с дефицитом кислорода, и контролирует круговорот питательных веществ в затопленных системах. Восстановительный потенциал используется для выражения вероятности того, что среда получит электроны [4] и, следовательно, станет восстановленной. Например, если в системе уже много электронов (бескислородный, богатый органикой сланец ), она восстановлена. В системе она, скорее всего, отдаст электроны части с низкой концентрацией электронов или окисленной среде, чтобы уравновесить химический градиент. Окисленная среда имеет высокий окислительно-восстановительный потенциал, тогда как восстановленная среда имеет низкий окислительно-восстановительный потенциал.

Окислительно-восстановительный потенциал контролируется степенью окисления химических веществ, pH и количеством O 2 в системе. Окислительная среда принимает электроны из-за присутствия O 2 , который действует как акцептор электронов: [4]

Это уравнение будет иметь тенденцию смещаться вправо в кислых условиях. Более высокие окислительно-восстановительные потенциалы обнаруживаются при более низких уровнях pH. Бактерии, гетеротрофные организмы, потребляют кислород при разложении органического материала. Это истощает почву кислородом, тем самым уменьшая окислительно-восстановительный потенциал. При высоком окислительно-восстановительном потенциале окисленная форма железа, трехвалентное железо (Fe 3+ ), будет обычно откладываться в виде гематита . В условиях низкого окислительно-восстановительного потенциала скорость разложения уменьшается, а отложение двухвалентного железа (Fe 2+ ) увеличивается.

Используя аналитические геохимические инструменты, такие как рентгеновская флуоресценция или индуктивно-связанная масс-спектрометрия, можно измерить две формы Fe (Fe 2+ и Fe 3+ ) в древних породах, тем самым определяя окислительно-восстановительный потенциал древних почв. Такое исследование было проведено на породах пермского и триасового периодов (возрастом 300–200 миллионов лет) в Японии и Британской Колумбии. Геологи обнаружили гематит на протяжении всей ранней и средней перми , но начали находить восстановленную форму железа в пирите в древних почвах ближе к концу перми и в триасе. Эти результаты показывают, что условия стали менее богатыми кислородом, даже бескислородными, в конце перми, что в конечном итоге привело к величайшему вымиранию в истории Земли, вымиранию PT . [11]

Разложение в бескислородных или восстановленных почвах также осуществляется серовосстанавливающими бактериями, которые вместо O 2 используют SO2−
4как акцептор электронов и производит сероводород (H 2 S) и углекислый газ в этом процессе: [4]

Газ H 2 S просачивается вверх и реагирует с Fe 2+ и осаждает пирит, действуя как ловушка для токсичного газа H 2 S. Однако H 2 S по-прежнему составляет большую часть выбросов из водно-болотных угодий. [12] В большинстве пресноводных водно-болотных угодий мало сульфата ( SO2−
4) поэтому метаногенез становится доминирующей формой разложения метаногенными бактериями только тогда, когда сульфат истощается. Ацетат , соединение, являющееся побочным продуктом ферментации целлюлозы , расщепляется метаногенными бактериями с образованием метана (CH 4 ) и углекислого газа (CO 2 ), которые выбрасываются в атмосферу. Метан также высвобождается при восстановлении CO 2 теми же бактериями. [4]

Атмосфера

В педосфере можно с уверенностью предположить, что газы находятся в равновесии с атмосферой. [7] Поскольку корни растений и почвенные микробы выделяют CO2 в почву, концентрация бикарбоната ( HCO−
3) в почвенных водах намного больше, чем в равновесии с атмосферой, [13] высокая концентрация CO 2 и наличие металлов в почвенных растворах приводит к более низким уровням pH в почве. Газы, которые выходят из педосферы в атмосферу, включают газообразные побочные продукты растворения карбоната, разложения, окислительно-восстановительных реакций и микробного фотосинтеза . Основными источниками поступления из атмосферы являются эоловая седиментация, осадки и диффузия газа. Эоловая седиментация включает все, что может быть унесено ветром или остается взвешенным в воздухе, и включает в себя широкий спектр аэрозольных частиц, биологических частиц, таких как пыльца, и частиц пыли. Азот является наиболее распространенным компонентом в дожде (после воды), поскольку водяной пар использует аэрозольные частицы для зарождения капель дождя. [4]

Почва в лесах

Почва хорошо развита в лесу, о чем свидетельствуют толстые слои гумуса, богатое разнообразие крупных деревьев и животных, которые там живут. Лесные почвы могут образовывать толстую почвенную углеродную губку. В лесах осадки превышают эвапотранспирацию , что приводит к избытку воды, которая просачивается вниз через слои почвы. Медленные скорости разложения приводят к образованию большого количества фульвокислоты , что значительно усиливает химическое выветривание. Нисходящая просачивание в сочетании с химическим выветриванием выщелачивает Mg, Fe и алюминий (Al) из почвы и переносит их вниз, процесс, известный как оподзоливание . Этот процесс приводит к заметным контрастам во внешнем виде и химии слоев почвы. [4]

Почва в тропиках

Тропические леса получают больше инсоляции и осадков в течение более длительных вегетационных периодов, чем любая другая среда на Земле. При таких повышенных температурах, инсоляции и осадках биомасса чрезвычайно продуктивна, что приводит к производству до 800 граммов углерода на квадратный метр в год (8 тонн C/гектар/год). [4] Более высокие температуры и большее количество воды способствуют более высоким темпам химического выветривания. Повышенные темпы разложения приводят к тому, что меньшее количество фульвокислоты просачивается и выщелачивает металлы из зоны активного выветривания. Таким образом, в резком контрасте с почвой в умеренных лесах, тропические леса имеют мало или вообще не имеют оподзоливания и, следовательно, не имеют выраженных визуальных и химических контрастов со слоями почвы. Вместо этого подвижные металлы Mg, Fe и Al осаждаются в виде оксидных минералов, придавая почве ржаво-красный цвет. [4]

Почва на лугах и в пустынях

Осадки на лугах равны или меньше эвапотранспирации и заставляют почву развиваться в условиях относительной засухи. [4] Выщелачивание и миграция продуктов выветривания, таким образом, уменьшаются. Большое количество испарения вызывает накопление кальция (Ca), а другие крупные катионы флоккулируют глинистые минералы и фульвокислоты в верхнем профиле почвы. Низкое количество осадков и высокий уровень эвапотранспирации ограничивают нисходящую фильтрацию воды и органических кислот, снижая химическое выветривание и развитие почвы. Глубина максимальной концентрации глины увеличивается в областях повышенного количества осадков и выщелачивания. Когда выщелачивание уменьшается, кальций осаждается в виде кальцита (CaCO 3 ) в нижних слоях почвы, слое, известном как каличе .

Пустыни ведут себя подобно лугам, но находятся в постоянной засухе, поскольку осадки меньше, чем эвапотранспирация. Химическое выветривание протекает медленнее, чем на лугах, и под слоем каличе может находиться слой гипса и галита . [4] Для изучения почв в пустынях почвоведы использовали концепцию хронопоследовательности, чтобы связать время и развитие слоев почвы. Было показано, что фосфор очень быстро выщелачивается из системы, а уровень фосфора в почве снижается с возрастом. [14] Кроме того, накопление углерода в почвах уменьшается из-за более медленных скоростей разложения. В результате этого скорость циркуляции углерода в биогеохимическом цикле снижается. [ необходима цитата ]

Ссылки

  1. ^ Элисса Левин, 2001, Педосфера как хаб
  2. ^ Джене, Уолтер, Regenerate Earth, дата обращения 2022 г.
  3. ^ Купер, Р. (1953). «Роль лишайников в формировании почвы и сукцессии растений». Экология . 34 (4): 805–807. Bibcode :1953Ecol...34..805C. doi :10.2307/1931347. JSTOR  1931347.
  4. ^ abcdefghijklmnopqr Шлезингер, WH; Бернхардт, ES (2013). Биогеохимия: анализ глобальных изменений (3-е изд.). Oxford: Academic Press. ISBN 978-0123858740.
  5. ^ Боггс, С., младший, 1995, Принципы осадконакопления и стратиграфии. Prentice Hall, Нью-Джерси, США
  6. ^ Холлоуэй, Дж.; Дальгрен, Р. (1999). "Геологический азот в наземном биогеохимическом цикле". Геология . 27 (6): 567. Bibcode :1999Geo....27..567H. doi :10.1130/0091-7613(1999)027<0567:GNITBC>2.3.CO;2.
  7. ^ abc Фор, Г., 1998, Принципы и применение геохимии, 600 стр., Прентис-Холл, Аппер Сэдл Ривер, Нью-Джерси.
  8. ^ Грандстафф, Д., 1986, Скорость растворения форстеритового оливина из гавайского пляжного песка: Скорость химического выветривания горных пород и минералов, стр. 41–59.
  9. ^ Чен, Дж.; Блюм, Х.-П.; Бейер, Л. (2000). «Выветривание пород, вызванное колонизацией лишайниками — обзор». CATENA . 39 (2): 121–146. Bibcode : 2000Caten..39..121C. doi : 10.1016/S0341-8162(99)00085-5.
  10. ^ Клементс, Ф. Э. и Шелфорд, В. Э., 1939, Биоэкология. John Wiley, Нью-Йорк.
  11. ^ Исодзаки, И. (1997). «Пермо-триасовая граница супераноксии и стратифицированный суперокеан: записи из Lost Deep Sea». Science . 276 (5310): 235–238. doi :10.1126/science.276.5310.235. PMID  9092467.
  12. ^ Келли, Д.; Смит, Н. (1990). «Органические соединения серы в окружающей среде. Биогеохимия, микробиология и экологические аспекты». Достижения в области микробной экологии . Том 11. С. 345–385. doi :10.1007/978-1-4684-7612-5_9. ISBN 978-1-4684-7614-9.
  13. ^ Пиньоль, Х.; Альканьис, Х. М.; Рода, Ф. (1995). «Выделение углекислого газа и pCO 2 в почвах трех горных лесов Quercus ilex ». Биогеохимия . 30 (3): 191–215. Bibcode : 1995Biogc..30..191P. doi : 10.1007/BF02186413. S2CID  91670150.
  14. ^ Lajtha, K.; Schlesinger, WH (1988). «Биогеохимия фосфорного цикла и доступности фосфора в хронологическом порядке пустынных почв». Ecology . 69 (1): 24–39. Bibcode :1988Ecol...69...24L. doi :10.2307/1943157. JSTOR  1943157.