stringtranslate.com

Педосфера

Педосфера (от древнегреческого πέδον ( pédon )  «почва, земля» и σφαῖρα ( sphaîra )  «сфера») — самый внешний слой Земли , состоящий из почвы и подверженный процессам почвообразования . Он существует на стыке литосферы , атмосферы , гидросферы и биосферы . [1] Педосфера является оболочкой Земли и развивается только тогда, когда существует динамическое взаимодействие между атмосферой (воздух в почве и над ней), биосферой (живые организмы), литосферой (рыхлый реголит и консолидированная коренная порода ) и гидросферой ( вода в почве, на ней и под ней). Педосфера является основой наземной жизни на Земле.

Педосфера действует как посредник химических и биогеохимических потоков в соответствующие системы и из них и состоит из газообразных, минеральных, жидких и биологических компонентов. Педосфера находится внутри критической зоны, более широкой границы, которая включает растительность, педосферу, системы водоносных горизонтов , реголит и, наконец, заканчивается на некоторой глубине в коренных породах, где биосфера и гидросфера перестают вносить существенные изменения в химический состав на глубине. Как часть более широкой 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 ниже растительного покрова биосферы и выше гидросферы и литосферы. Процесс почвообразования (педогенез) может начаться без помощи биологии, но значительно ускоряется при наличии биологических реакций, в результате которых образуется почвенная углеродная губка . [2] Почвообразование начинается с химического и/или физического разрушения минералов с образованием исходного материала, покрывающего коренную породу. Биология ускоряет этот процесс, выделяя кислотные соединения, которые помогают расщеплять камни. Особыми пионерами биологии являются лишайники , мхи и семенные растения [3] , но происходит множество других неорганических реакций, которые разнообразят химический состав раннего слоя почвы. Как только продукты выветривания и разложения накапливаются, связное тело почвы обеспечивает миграцию жидкостей как вертикально, так и латерально 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 развиваться в сторону химического состава, отражающего тип реакций, происходящих в почве. [4]

Литосфера

Основные условия развития почвы определяются химическим составом породы, на которой будет находиться почва. Типы пород, образующие основу почвенного профиля, часто представляют собой осадочные (карбонатные или кремнистые), магматические или метамагматические ( метаморфизованные магматические породы) или вулканические и метавулканические породы. Тип горной породы и процессы, которые приводят к ее обнажению на поверхности, контролируются региональной геологической обстановкой конкретной изучаемой области, которая вращается вокруг основной теории тектоники плит , последующей деформации , поднятия , опускания и отложения .

Метагматические и метавулканические породы образуют самый крупный компонент кратонов и богаты кремнеземом . Магматические и вулканические породы также богаты кремнеземом, но в неметаморфизованных породах выветривание происходит быстрее и мобилизация ионов становится более распространенной. Породы с высоким содержанием кремнезема производят кремниевую кислоту как продукт выветривания. Есть несколько типов горных пород, которые приводят к локализованному обогащению некоторых биологически ограничивающих элементов, таких как фосфор (P) и азот (N). Фосфатные сланцы (< 15 % P 2 O 5 ) и фосфориты (> 15 % P 2 O 5 ) образуются в бескислородных глубоководных бассейнах, сохраняющих органический материал. [5] Зеленокамни (метабазальты), филлиты и сланцы выделяют до 30–50% пула азота. [6] Толстые толщи карбонатных пород часто отлагаются на окраинах кратонов во время повышения уровня моря. Широкое растворение карбонатов и эвапоритов приводит к повышенному содержанию Mg 2+ , HCO.−
3, Sr 2+ , Na + , Cl − и SO2−
4ионы в водном растворе. [7]

Выветривание и растворение минералов

В процессе почвообразования преобладает химическое выветривание силикатных минералов, чему способствуют кислые продукты первопроходцев растений и организмов, а также поступление углекислоты из атмосферы. Углекислота образуется в атмосфере и слоях почвы в результате реакции карбонизации . [4]

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

Доказательством этой реакции в полевых условиях может быть повышенный уровень бикарбоната ( HCO−
3), ионы натрия и кремнезема в водном стоке.

Распад карбонатных минералов: [4] [7]

Дальнейшее растворение угольной кислоты (H 2 CO 3 ) и бикарбоната ( HCO−
3) производит газ CO 2 . Окисление также вносит основной вклад в распад многих силикатных минералов и образование вторичных минералов ( диагенез ) в раннем профиле почвы. Окисление оливина (FeMgSiO 4 ) приводит к высвобождению ионов Fe, Mg и Si. [8] Mg растворим в воде и выносится со стоками , но Fe часто реагирует с кислородом, образуя в осадок Fe 2 O 3 ( гематит ), окисленное состояние оксида железа. Сера , побочный продукт разложения органического материала, также вступает в реакцию с железом с образованием пирита (FeS 2 ) в восстановительной среде. Растворение пирита приводит к низкому уровню pH из-за повышенного содержания ионов H + и дальнейшего осаждения Fe 2 O 3 [4], что в конечном итоге изменяет окислительно-восстановительные условия окружающей среды.

Биосфера

Вклад биосферы может начинаться с лишайников и других микроорганизмов , выделяющих щавелевую кислоту . К этим микроорганизмам, связанным с лишайниковым сообществом или самостоятельно населяющим горные породы, относятся сине-зеленые водоросли , зеленые водоросли , различные грибы и многочисленные бактерии. [9] Лишайники уже давно считаются пионерами освоения почв, о чем свидетельствует следующее заявление Исодзаки 1997 года:

Первоначальное превращение горных пород в почву осуществляют лишайники-первопроходцы и их преемники — мхи, у которых волосовидные ризоиды берут на себя роль корней, расщепляющих поверхность на мелкую пыль. [10]

Однако лишайники не обязательно являются ни единственными организмами-первопроходцами, ни самой ранней формой почвообразования, поскольку было документально подтверждено, что семенные растения могут занимать определенную территорию и колонизироваться быстрее, чем лишайники. Кроме того, эоловая седиментация (генерируемая ветром) может вызывать высокие темпы накопления отложений. Тем не менее, лишайники, безусловно, могут выдерживать более суровые условия, чем большинство сосудистых растений, и, хотя скорость их колонизации более медленная, они образуют доминирующую группу в альпийских регионах .

Органические кислоты, выделяемые из корней растений, включают уксусную кислоту и лимонную кислоту . При разложении органического вещества из растительного вещества выделяются фенольные кислоты , а почвенными микробами – гуминовые и фульвокислоты . 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, тогда как угольная кислота играет большую роль ближе к нижней части профиля или ниже в водоносном горизонте. [4]

По мере того, как столб почвы развивается дальше, образуя более толстые скопления, более крупные животные заселяют почву и продолжают изменять химическую эволюцию своей соответствующей ниши . Дождевые черви аэрируют почву и превращают большое количество органических веществ в богатый гумус , улучшая плодородие почвы . Мелкие роющие млекопитающие запасают пищу, растут молодняком и могут впадать в спячку в педосфере, изменяя ход эволюции почвы. Крупные травоядные млекопитающие переносят питательные вещества над землей в виде 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 водно-болотных угодий

Круговорот питательных веществ в озерах и пресноводных водно-болотных угодьях во многом зависит от окислительно-восстановительных условий. [4] Под слоем воды в несколько миллиметров гетеротрофные бактерии метаболизируют и потребляют кислород. Поэтому они истощают почву кислородом и создают потребность в анаэробном дыхании . Некоторые анаэробные микробные процессы включают денитрификацию , сульфатредукцию и метаногенез и ответственны за выделение N 2 (азота), H 2 S ( сероводорода ) и CH 4 ( метана ). Другие анаэробные микробные процессы связаны с изменением степени окисления железа и марганца. В результате анаэробного разложения почва сохраняет большое количество органического углерода, поскольку углеродная губка почвы остается неповрежденной. [4]

Потенциал восстановления 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 окружающая среда получит электроны [4] и, следовательно, станет восстановленной. Например, если в системе уже много электронов (бескислородный сланец , богатый органикой ), она восстанавливается. В системе он, скорее всего, будет отдавать 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 почвы кислорода, тем самым уменьшая окислительно-восстановительный потенциал. При высоком окислительно-восстановительном потенциале окисленная форма железа, трехвалентное железо (Fe 3+ ), обычно откладывается в виде гематита . В условиях низкого окислительно-восстановительного потенциала скорость разложения снижается, а отложение двухвалентного железа (Fe 2+ ) увеличивается.

С помощью аналитических геохимических инструментов, таких как рентгеновская флуоресценция или масс-спектрометрия с индуктивной связью, две формы Fe (Fe 2+ и Fe 3+ ) можно измерить в древних породах, тем самым определяя окислительно-восстановительный потенциал древних почв. Такое исследование было проведено в перми по породам триаса (возрастом 300–200 миллионов лет) в Японии и Британской Колумбии. Геологи находили 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 позволяют предположить, что в поздней перми условия стали менее богатыми кислородом, даже бескислородными, что в конечном итоге привело к величайшему вымиранию в истории Земли — PT- вымиранию . [11]

Разложение в бескислородных или восстановленных почвах также осуществляется сероредуцирующими бактериями, которые вместо О 2 используют SO.2−
4в качестве акцептора электронов и при этом выделяют сероводород (H 2 S) и углекислый газ: [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 значительную долю выбросов из почв водно-болотных угодий. [12] В большинстве пресноводных водно-болотных угодий мало сульфатов ( SO2−
4), поэтому метаногенез становится доминирующей формой разложения метаногенными бактериями только тогда, когда сульфат истощен. Ацетат , соединение, которое является побочным продуктом ферментации целлюлозы , расщепляется метаногенными бактериями с образованием метана (CH 4 ) и углекислого газа (CO 2 ), которые выбрасываются в атмосферу. Метан также выделяется 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 CO 2 в почву, концентрация бикарбоната ( HCO−
3) в почвенных водах значительно больше, чем в равновесии с атмосферой, [13] высокая концентрация CO 2 и наличие металлов в почвенных растворах приводят к снижению уровня pH в почве. Газы, которые выходят из педосферы в атмосферу, включают газообразные побочные продукты растворения, разложения карбонатов, окислительно-восстановительных реакций и микробного фотосинтеза . Основными поступлениями из атмосферы являются эоловые отложения, осадки и диффузия газа. Эоловые отложения включают в себя все, что может быть унесено ветром или остается во взвешенном состоянии в воздухе, а также широкий спектр аэрозольных частиц, биологических частиц, таких как пыльца, и частиц пыли. Азот является наиболее распространенным компонентом дождя (после воды), поскольку водяной пар использует частицы аэрозоля для зарождения дождевых капель. [4]

Почва в лесах

Почва в лесу хорошо развита , о чем свидетельствуют толстые слои перегноя, богатое разнообразие крупных деревьев и животных, обитающих там. Лесные почвы могут образовывать толстую почвенную углеродную губку. В лесах количество осадков превышает суммарное испарение , что приводит к избытку воды, которая просачивается вниз через слои почвы. Медленные темпы разложения приводят к образованию большого количества фульвокислоты , что значительно усиливает химическое выветривание. Просачивание вниз в сочетании с химическим выветриванием выщелачивает Mg, Fe и алюминий (Al) из почвы и переносит их вниз - процесс, известный как оподзоление . Этот процесс приводит к резким контрастам внешнего вида и химического состава почвенных слоев. [4]

Почва в тропиках

Тропические леса получают больше инсоляции и осадков в течение более продолжительного вегетационного периода, 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 углерода на гектар в год). [4] Более высокие температуры и большее количество воды способствуют более высокой скорости химического выветривания. Повышенные скорости разложения приводят к тому, что меньшее количество фульвокислоты просачивается и вымывает металлы из зоны активного выветривания. Таким образом, в отличие от почв в лесах умеренного пояса, тропические леса практически не оподзолены и, следовательно, не имеют заметных визуальных и химических контрастов со слоями почвы. Вместо этого подвижные металлы Mg, Fe и Al осаждаются в виде оксидных минералов, придающих почве ржаво-красный цвет. [4]

Почва на лугах и в пустынях

Осадки на лугах равны или меньше суммарного испарения и приводят к тому, что развитие почвы происходит в условиях относительной засухи. [4] Таким образом, выщелачивание и миграция продуктов выветривания уменьшаются. Большое количество испарений приводит к накоплению кальция (Ca) и других крупных катионов, которые флокулируют глинистые минералы и фульвокислоты в верхних слоях почвы. Небольшое количество осадков и высокий уровень эвапотранспирации ограничивают проникновение воды и органических кислот вниз, уменьшая химическое выветривание и развитие почвы. Глубина максимальной концентрации глины увеличивается на участках повышенного выпадения осадков и выщелачивания. Когда выщелачивание уменьшается, кальций осаждается в виде кальцита (CaCO 3 ) на нижних уровнях почвы, в слое, известном как калише .

Пустыни ведут себя так же, как луга, но живут в условиях постоянной засухи, поскольку количество осадков меньше, чем суммарное испарение. Химическое выветривание протекает медленнее, чем на лугах, и под слоем калише может находиться слой гипса и галита . [4] Для изучения почв пустынь почвоведы использовали концепцию хронопоследовательности, чтобы связать время и развитие почвенных слоев. Было показано, что фосфор очень быстро вымывается из системы и поэтому уменьшается с возрастом. [14] Кроме того, накопление углерода в почве уменьшается из-за более медленной скорости разложения. В результате скорость циркуляции углерода в биогеохимическом цикле снижается. [ нужна цитата ]

Рекомендации

  1. ^ Элисса Левин, 2001, Педосфера как центр
  2. ↑ Джене, Уолтер, Regenerate Earth, по состоянию на 2022 г.
  3. ^ Купер, Р. (1953). «Роль лишайников в почвообразовании и сукцессии растений». Экология . 34 (4): 805–807. дои : 10.2307/1931347. JSTOR  1931347.
  4. ^ abcdefghijklmnopqr Шлезингер, WH; Бернхардт, ES (2013). Биогеохимия: анализ глобальных изменений (3-е изд.). Оксфорд: Академическая пресса. ISBN 978-0123858740.
  5. ^ Боггс, С.-младший, 1995, Принципы седиментации и стратиграфии. Прентис Холл, Нью-Джерси, США
  6. ^ Холлоуэй, Дж.; Дальгрен, Р. (1999). «Геологический азот в земном биогеохимическом круговороте». Геология . 27 (6): 567. Бибкод : 1999Geo....27..567H. doi :10.1130/0091-7613(1999)027<0567:GNITBC>2.3.CO;2.
  7. ^ abc Фор, Г., 1998, Принципы и применения геохимии, 600 стр., Прентис-Холл, Аппер-Седл-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 горных пород, вызванное колонизацией лишайников — обзор». КАТЕНА . 39 (2): 121–146. Бибкод : 2000Caten..39..121C. дои : 10.1016/S0341-8162(99)00085-5.
  10. ^ Клементс, Ф.Е. и Шелфорд, В.Е., 1939, Биоэкология. Джон Уайли, Нью-Йорк.
  11. ^ Исодзаки, Ю. (1997). «Пермско-триасовая граница Супераноксия и стратифицированный Суперокеан: записи из затерянных глубоководных глубин». Наука . 276 (5310): 235–238. дои : 10.1126/science.276.5310.235. ПМИД  9092467.
  12. ^ Келли, Д.; Смит, Н. (1990). «Органические соединения серы в биогеохимии, микробиологии и экологии окружающей среды». Достижения микробной экологии . Том. 11. С. 345–385. дои : 10.1007/978-1-4684-7612-5_9. ISBN 978-1-4684-7614-9.
  13. ^ Пиньоль, Дж.; Альканьис, Х.М.; Рода, Ф. (1995). «Выбросы углекислого газа и pCO 2 в почвах трех горных лесов Quercus ilex ». Биогеохимия . 30 (3): 191–215. дои : 10.1007/BF02186413. S2CID  91670150.
  14. ^ Лайта, К.; Шлезингер, WH (1988). «Биогеохимия круговорота фосфора и доступности фосфора в хронопоследовательности пустынной почвы». Экология . 69 (1): 24–39. дои : 10.2307/1943157. JSTOR  1943157.