Литосфера и педосфера. Их происхождение

ЛИТосфера. Педосфера. ИХ Происхождение и Свойства

 

 

Согласно современной теории происхождения возраст нашей планеты и того, что называют литосферой – геологической оболочкой Земли, оценивается приблизительно в 4,5 млрд лет. Возраст самых древних пород, известных сегодня науке, составляет порядка 3,8 млрд лет. Исследование образцов древнейших пород показало также, что на начальных этапах развития планеты имел место внутренний разогрев ее недр.

Изучение космического вещества и сопоставление его с минеральным веществом Земли указывает на то, что первичными «кирпичиками» вещества Земли могли быть:

- космическая пыль;

- метеоритное вещество (твердые породы);

- кометное вещество (лед).

Считают, что планеты солнечной системы образовались из остывшего газопылевого облака и первоначально были холодными. Затем начался «разогрев» недр планеты за счет:

- дифференциации вещества Земли (переход тяжелых компонентов в ядро и вытеснение легких элементов на поверхность);

- радиоактивного распада элементов первичного вещества Земли;

- действия приливных сил Луны (а может быть и двух земных спутников).

Температура разогрева была достаточной для плавления пород и их дегазации.

Этот процесс происходит и сейчас при извержениях вулканов. Он также как и раньше сопровождается плавлением и дегазацией.

 

На первых порах понятие континент и суша были различны. Пространство между первичной гидросферой и первичными континентами (континентальной корой) было сушей на океанической коре. Первичная земная кора была тонкой и состояла из базальтов, чем походила на современную океаническую. Континентальной коры тогда еще не существовало, а океан покрывал только часть «океанической» коры. Около 150 млн лет тому назад существовали единый материк Пангея и единый океан - Пантласс.

Процесс дегазации шел через разломы земной коры (рифтовые долины), которые обозначали границы литосферных плит. Разогрев земной коры, дегазация приводили в движение литосферные плиты. Плиты раздвигались со стороны одних границ и сталкивались, сжимались, наползали одна на другую - со стороны других. При "погружении" плиты вместе с образовавшимися на ней наносами под другую плиту она плавилась в недрах Земли. Это положило начало формированию континентальной коры.

 

Континентальная кора легче океанической и представляет собой «пену» или «шлак» переплавившейся вместе с наносами океанической коры. В настоящее время зоны «раздвижки» и зоны «поддвига» литосферных плит также существуют. Зоны «поддвига» характеризуются сейсмическими и вулканическими явлениями, вызванные погружением тяжелых океанических плит под легкие континентальные. Благодаря этому процессу мы имеем:

- нынешние континенты Земли;

- многообразие рельефа Земли.

Самые древние предания о происхождении океана и суши хорошо согласуются с современной теорией происхождения геосферы. В частности в них говорится о том, что первичными были океаническая кора и океан и только потом возникла суша (континентальная кора).

Древний Вавилон: Суша поднялась из вод океана и представляет собой гору, окруженную водой.

Индийский эпос: Первоначально существовала вода, из которой поднялся цветок лотоса, чьи лепестки образовали различные части света.

Древняя Греция: Вода - первооснова всего. Земля плавает в волнах (Фалес). Рассматривались также идеи об изменчивости континентов на примере гибели Атлантиды (Геродот).

Ветхий завет библии (Бытие, гл.1):

-В начале сотворил бог небо и землю. Земля же была безвидна и пуста, и тьма над бездною; и Дух божий носился над водою...(день первый)...

И сказал бог: да соберется вода, которая под небом, в одно место , и да явится суша...

И назвал Бог сушу землею, а собрание вод назвал морями. И увидел бог, что это хорошо. (день третий).

Западная Европа: Согласно Декарту Земля состоит из нескольких оболочек:

- огненного ядра;

- зоны обломков с большими пустотами, в которых скапливается соленая и пресная вода;

- водная оболочка;

- поверхностная оболочка из камня, глины, песка и грязи.

Согласно Лейбницу земная кора - это шлак ее расплавленных недр.

 

Почвенный покров геосферы образует особую оболочку - педосферу, образование которой происходило на Земле с момента возникновения жизни. Процесс этот зависит от многих факторов, основными из которых являются:

- почвообразующие породы- субстрат, на котором образуются почвы. От характера материнских пород зависят физические свойства почвы (пористость, водоудерживающая способность и т. п.) Они определяют водный и тепловой режимы, интенсивность перемещения веществ, минералогический и химический составы, тип почвы и т. п.

- растительность - зеленые растения как основные создатели первичных органических веществ. Поглощая из атмосферы углекислоту, из почвы - воду и минеральные вещества, используя энергию света, они создают органические соединения, пригодные для питания животных. С помощью животных, бактерий, физических и химических воздействий органическое вещество разлагается, превращаясь в гумус. Зольные вещества наполняют минеральную часть почвы.

- животные организмы- выполняют функцию преобразования органического вещества в почву. Почвенные животные делятся на 2 группы: биофаги, питающиеся живыми организмами и сапрофаги, питающиеся мертвыми органическими веществами (основная масса организмов).

- микроорганизмы- разлагают сложные органические и минеральные вещества на более простые, которые могут использоваться в последствии самими микроорганизмами и высшими растениями. Деятельность почвенных микроорганизмов зависит от кислотности почвы, ее теплового режима, растительности и т. п.

- климат - непосредственно влияет на тепловой и водный режимы почвы, а следовательно, на биологические и физико-химические почвенные процессы.

- рельеф- перераспределяет по поверхности тепло и влагу.

- время - продолжительность процесса почвообразования. Абсолютный возраст почв в различных местах Земли различен и составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч лет.

- хозяйственная деятельность человека - доминирующий фактор в разрушении почв, уменьшения их плодородия и т. п.

 

Достаточно часто понятия педосфера (почва) и литосфера (земля) отождествляют, что является не совсем правильным.

Литосфера (земля)- это важнейшая часть окружающей природной среды, характеризующаяся пространством рельефа, почвенным покровом, растительностью, водами, являющаяся главным средством производства в сельском и лесном хозяйствах, а также пространственным базисом для размещения всех отраслей народного хозяйства.

Педосфера (почва)- это особая органо-минеральная естественно- историческая природная многофазная структурная система, обладающая плодородием, возникшая в поверхностном слое выветривания горных пород в результате воздействия живых организмов на органические и минеральные субстраты, разложения мертвых организмов, влияния природных вод и атмосферного воздуха, в различных условиях климата, рельефа и времени в гравитационном поле Земли.

Сравнивая определения понятий земля и почва, нетрудно заметить, что второе есть часть первого. По В.И.Вернадскому почва представляет собой переходное состояние в природе - биокостное тело.

Люди познакомились с верхним слоем земной коры (почвой) более 7000 лет тому назад с момента перехода к земледелию. Однако, наука о почве сложилась только в конце XIX века, благодаря В. В. Докучаеву - основоположнику современного почвоведения, создателю учения о зонах природы, почвенных зонах и факторах почвообразования.

В III веке до н. э. в Китае, Греции, Риме делались попытки оценить почвы. Морий Порций Катон написал книгу «Земледелие применительно к территории Рима», основной мыслью которой было то, что главным источником питания растений является вода.

В XVII - XVIIII веках (И. Глауберг, М. В. Ломоносов, Р. Вудворд) высказана и экспериментально доказана мысль о том, что почва снабжает растения питательными веществами. В частности Ломоносов говорил, что почва - продукт воздействия растений на горные породы, перегной - результат биологических процессов, а питание растений - воздушное, водное и минеральное.

В XIX веке появилась «гумусовая» теория А. Тэера, по которой растения питаются только органическими веществами и водой почв. Ошибочная по содержанию эта теория все же сыграла свою положительную роль в деле изучения органических удобрений и разработки многопольных севооборотов.

Тогда же Ю. Либих сформулировал теорию питания растений, согласно которой растения усваивают из почвы минеральные вещества, из перегноя - только углерод в виде углекислоты Отсюда следует, что почвы подвержены истощению и для их восстановления ее необходимо пополнять минеральными удобрениями. Применение минеральных удобрений А. К. Тимирязев назвал «величайшим приобретением науки». Окончательно оформил основные постулаты учения о почве В. В. Докучаев на рубеже XIX и XX веков.

По своему составу почва (педосфера) состоит из твердой (минеральной и органической), жидкой и газообразной фаз.

Процесс почвообразования происходит сверху вниз, с постепенным затуханием интенсивности процесса. Так например, в умеренной зоне он за­тухает на глубинах 1,5-2,0 м. В силу этого для всех почв характерно уменьшение содержания органических веществ и живых организмов от верхних горизонтов почв к нижним.

Интенсивность и характер почвообразователь­ного процесса отражаются в почвенном профиле, в котором выделяют три основных горизонта: перегнойно-ак­кумулятивный, гумусовый (А), вмывания (В) и мате­ринская порода (С, Д).

Более детальная вертикальная структура почвы представлена на рис. 4.1:

 

Д

Рис. 4.1. Обобщенный почвенный профиль

 

- горизонт А₁ - верхний темноокрашенный слой, содержащий гумус. Именно в нем аккумулиро­ваны основные питательные вещества для корневой системы растений и почвенная биота. Именно он имеет для биогенных процессов наибольшее значение;

- горизонт А₂ - элювиальный слой, который имеет обычно пепельный, светло-серый или желтовато-серый цвет. В нем протекают процессы выщелачивания и вымывания солей, ор­ганических коллоидов и других питательных веществ;

- горизонт В - иллювиальный слой, обычно плотный, бурой или коричневой окраски, обогащенный минералами в коллоидно-дисперсном состоянии, которые переносятся, (вмываются)в него из горизонта А₂ .Здесь органические вещест­ва перерабатываются редуцентами в минеральные формы и проис­ходит накопление карбонатов, гипса, глинистых минералов и др. минеральных соединений;

- горизонт С - измененная почвообразующими процессами материнская порода;

- горизонт Д - исходная материнская порода.

 

Твердая часть почвы состоит из минеральных и органических веществ. По дисперсности минеральные вещества делят на 2 группы:

- с диаметром более 0,001 мм - обломки пород и минералов;

- с диаметром менее 0,001 мм - частицы выветривания глинистых минералов, органических соединений и т. п.

Полидисперсность частиц почвы обуславливает ее рыхлость и пористость, которая составляет в среднем 40 -60 %.

В состав минеральной части почвы входят: Si, Al, Fe, K, Na, Mg, Ca, P, S и др. элементы, которые в основном находятся в окисленном состоянии, а также в виде солей угольной, серной, фосфорной, хлористо-водородной и др. кислот.

В состав твердой части почвы входят также и органические вещества ( в основном в гумусе), где содержатся углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера и др. элементы. Многие элементы растворены в почвенной влаге.

 

Свойства педосферы

 

а) Плодородие - основа жизни растений, животных, человека; регулятор плотности жизни на Земле.

б) Регулирование большого геологического и малого биогенного круговоротов на земной поверхности (как педосфера).

в почвах аккумулируются элементы питания, возвращающиеся посредством малого биогенного круговорота снова в почву;

одновременно из почвы атмосферными осадками элементы частично выносятся в мировой океан, где образуют осадочные породы, которые в продолжении геологической истории могут снова выйти на поверхность (большой геологический круговорот).

в) Изменение своих параметров (характеристик) в вертикальном и горизонтальном направлениях:

- в вертикальном направлении - это определенные генетические горизонты (А1 - Д), каждый из которых характеризуется своими морфологическими, физическими, химическими и биологическими свойствами;

- в горизонтальном направлении - это постепенная смена типов почв между соседними территориями.

г) Аккумуляция энергии, биомассы и полезных ископаемых.

 

Кфизическим свойствам почвы относятся: влажность, температура, структура и пористость.

Влажность,а точнее доступная влажность для растений, зависит от сосущей силы корневой системы растений и физического состояния самой воды.

Доступность влаги зависит от водоудерживающей способности почв. Сила удерживающей способности тем выше, чем почва глинистее и чем она суше. При очень низкой влажности, если и остаётся, то только недоступная для растений прочно связанная вода, и растение погибает.

Температурапочвы зависит от внешней температуры, но, благодаря низкой теплопроводности почвы, температурный режим довольно стабилен и уже на глубине 0,3 м амплитуда колебания температуры менее 2^оС (Новиков, 1979), что важно для почвенных животных – нет необходимости перемещаться вверх-вниз в поисках более комфортной температуры. Суточные колебания ощутимы до глубины 1 м. Летом температура почвы ниже, а зимой – выше, чем воздуха.

 

Структура и пористость почвы обеспечивают ее хорошую аэрацию. В ней активно перемещаются черви, особенно в глинистой, суглинистой и песчаной, увеличивая пористость. В плотных почвах затрудняется аэрация, и кислород может стать лимитирующим фактором, однако большинство почвенных организмов способны жить и в плотных глинистых почвах.

К химическим свойствам почвы относятся: кислотность, химический состав, состав обменных катионов.

К биологическимсвойствам почвы относятся: растительные и животные организмы, населяющие почву.

Почва состоит из твердой, жидкой и газообразной компонент и содержит живые макро – и микроорганизмы (растительные и животные).

Твердая компонента преобладает в почве и представлена минеральной и органическими частями. Больше всего минералов первичных, оставшихся от материнской породы, меньше – вторичных, образовавшихся в результате разложения первичных, - это глинистые минералы коллоидных размеров, соединения кремния, алюминия, железа, калия, магния, фосфора, а также минералы соли: карбонаты, сульфаты, галоиды и др., выпадающие в осадок из почвенных вод. Процентное содержание в почве способных растворяться в воде минералов солей характеризует ее степень засоления. Органическая часть представлена гумусом – сложным органическим веществом, образовавшимся в результате физико-химического разложения отмершей органики. Гумус играет ключевую роль в плодородии почвы благодаря питательным веществам, которые он содержит, в том числе и биогенным элементам. Содержание гумуса в почвах колеблется от десятых долей процента до 20 – 22%. Самые богатые гумусом почвы – черноземы, они же и самые плодородные. В состав гумуса входят: клетчатка, белки, смолы, жиры, дубящие вещества.

Почвенная биота представлена фауной и флорой. Фауна: дождевые черви, мокрицы, земляные клещи, нематоды и др. перераспределяют гумус и биогенные элементы, повышая ее плодородие. Огромную роль играют дождевые черви, вес которых может превышать вес пасущегося скота (их до пяти миллионов особей на гектар черноземной пашни). Они, по мнению Ч.Дарвина, пропускают через свой кишечник за несколько лет весь пахотный слой. Флора – это грибы, бактерии, водоросли и др., перерабатывают органику до исходных неорганических составляющих (деструкторы).

Жидкая компонента почв, вода, может быть свободной, связанной, капиллярной и парообразной. Свободная вода перемещается по порам под действием силы тяжести, связанная адсорбируется поверхностью частиц и образует на них пленку, капиллярная удерживается в тонких порах под действием менисковых сил, а парообразная находится в той части пор, которая свободна от воды. Наиболее доступной для корневой системы растений является свободная и капиллярная формы воды, труднодоступная – связанная (пленочная) вода, а парообразная влага большой роли не играет. Отношение

массы всей воды в почве к массе ее твердой компоненты, обычно выраженное в процентах, именуют влажностью почвы.

Всю жидкую компоненту почв называют почвенным раствором. Он может содержать нитраты, бикарбонаты, фосфаты, сульфаты и другие соли, а также водорастворимые органические кислоты, и соли, сахара, но преимущественно в свободной и капиллярной воде, в связанной воде вещества трудно растворимы. Концентрация раствора зависит от влажности почвы.

Состав и концентрацию почвенного раствора определяют реакцию среды, показателем которой является величина рН. Наиболее благоприятной для растений и почвенных животных является нейтральная среда (рН=7).

Структура и пористость определяют доступность для растений и животных питательных веществ. Частицы почв, связанные между собой силами молекулярной природы, образуют структуру почвы. Между ними образуются пустоты, называемые порами. Пористость – это доля объема пор в объеме почвы, которая может достигать 50% и более.

Реакция среды – очень важный фактор для многих животных и растений. В сухом климате преобладают нейтральные и щелочные почвы, во влажных районах – кислые. Многие злаки дают лучший урожай на нейтральных и слабощелочных почвах (ячмень, пшеница), каковыми обычно являются черноземы (табл. 1).

 

Сильно повышают кислотность почвы следующие антропогенные процессы:

 

1. Кислотные дожди;

2. Разложение некоторых удобрений (напр. мочевины);

3. Кислотные сбросы сточных вод некоторых промышленных и агропромышленных предприятий (производство минеральных удобрений, животноводческие комплексы и др.);

4. Кислотно-бытовые сбросы.

 

Засоленныминазывают почвы с избыточным содержанием водорастворимых солей (хлоридов, сульфатов, карбонатов). Они возникают вследствие вторичного засоления почв при испарении грунтовых вод, уровень которых поднялся до почвенных горизонтов. Среди засоленных почв выделяют солончаки и солонцы, в последних преобладают карбонаты натрия. Почвы эти щелочные – рН, соответственно, равен восьми и девяти. (табл.2)

Флора и фауна засоленных почв весьма специфичны. Растения здесь весьма устойчивы не только к концентрации, но и к составу солей, но разные растения приспособлены по – разному. Солеустойчивые растения называют галофитами. Один из галофитов так и называется солерос и может выдерживать концентрацию солей свыше 20%. В то же время дождевые черви даже при не высокой степени засоления длительный срок выдержать его не могут. Засоление почв приводит к падению урожайности сельхозкультур.

 

Таблица 1