Земная кора имеет также слоистое строение:
1) верхний слой с низкими параметрами температуры и давления - кора выветривания (осадочный слой, содержащий осадочные породы - например, песок, глину, известковые образования и др.) мощностью на суше 0,5-0,8 км, включает и дно гидросферы (например, ил толщиной 1-1,5 км). Самый тонкий (в среднем 1-1,5 м) поверхностный слой и важнейший в биосфере - почва.
2) гранитовый слой (более плотный), который на дне океана сильно истончается и даже может отсутствовать;
3) базальтовый слой (еще с большей плотностью).
Химический состав земной коры определяется содержанием в ней, прежде всего, 8 наиболее распространенных элементов (в массовых %, по Вернадскому и Ферсману): кислород (О)- 49,5, кремний (Si) - около 26, алюминий (Al) - 7,4, железо (Fe) - 4, кальций (Са) - 3, натрий (Na) - 2,6, калий (К) - 2,4, магний (Mg) - 1,9. Важнейшим составляющим литосферы и гидросферы является почва.
3.2.1.1. Общая характеристика почв
Почва - самый верхний тончайший слой суши, образовавшийся под влиянием живых организмов, климатических процессов (выветривания - воздействия ветра и осадков, колебания температур и др.), сейсмических и механических процессов из материнских (земных) горных пород.
Плодородная почва - важнейший для человека ресурс, так как это залог производства почти всех продуктов питания. 95 % продовольствия человек получает от земель и только 5 % из океана. Обилие земельных и водных ресурсов - главное условие процветания цивилизации.
Толщина почвенного покрова невелика (например, толщина наиболее плодородных почвенных образований - черноземов на равнинах в среднем 1-1,5 м), хотя с увеличением высоты (по отношению к уровню моря) почвенный покров истончается, а порой и отсутствует, и тем самым материнская порода выходит на земную поверхность. Современный состав почвенного покрова Земли: 28 % приходится на леса, 17 % - луга, 10 % - пашни, 45 % - остальную сушу. Структура почвы - это совокупность агрегатов (комочков почвы), обладающих различной величиной, формой и определенными физико-химическими свойствами. Так, высокоплодородные тучные глинистые черноземы имеют хорошо выраженную водопрочную комковато-зернистую структуру. Упрощенная схема строения почвы может быть выражена следующим образом (рис. 3.1.):
_____________________________________________
самый тонкий слой - подстилка
---------------------------------------------------------------------
слой перегноя
______________________________________________
слой вымывания
______________________________________________
слой накопления минеральных солей
______________________________________________
подпочва
______________________________________________
Рис. 3.1. Упрощенная схема строения почвы
Собственно к почве обычно относят средние три слоя. Чем больше слоев (более мощный горизонт), тем выше обычно плодородие почвы. Почва (по Вернадскому) - это биокосное вещество. Главные компоненты почвы:
1) минеральные частицы (песок, глина и др.), состоящие, главным образом, из 8 вышеприведенных наиболее распространенных в земной коре химических элементов);
2) детрит - отмершее органическое вещество (остатки от растений, животных и микроорганизмов);
3) множество живых организмов (от растений и животных до детритофагов и редуцентов). Это насекомые, грибы, бактерии, дождевые и другие виды червей, простейшие и др.
Роль большинства этих живых организмов состоит в переводе детрита в гумус (органические вещества во многом определяющие плодородие почвы). Так, в тучных черноземах имеется гумусовый горизонт толщиной 60-70 см, а содержание гумуса может достигать 15 %. Плотность такой почвы, благодаря органическому гумусу, составляет 1,1-1,2 г/см3, в отличие от песчаных почв плотностью свыше 2 г/см3 при малом содержании гумуса. Средний же состав почвы: 93 % минеральных и 7 % органических веществ. Площадь черноземов на нашей планете сейчас составляет примерно 600 млн га. Большая часть их представлена на равнинах. Ведущим специалистом в мире в области почвоведения был русский профессор В.В. Докучаев. Он же подробно изучил черноземы России. Лучшими по показателям были признаны тучные карловские черноземы - Полтавской губернии и воронежские. В качестве идеального образца и сейчас во Франции в метрологическом музее пребывает образец чернозема именно Воронежской губернии. Основные типы почв на территории России это: черноземы, подзолистые, дерново-подзолистые, подзолисто-болотные, серые лесостепные, пойменные, солончаки и др.
3.2.1.2. Свойства почвы как среды обитания
Свойства различных типов почв определяют эдафогенные факторы, которые ниже и рассматриваются.
3.2.1.2.1. Минеральные элементы питания и способность
Для питания растений необходимы такие минеральные, питательные компоненты (иными словами биогены), как нитраты (NO3-), фосфаты (PO43-), калий (K+) и кальций (Ca2+). За исключением соединений азота, которые образуются из атмосферного N2 в процессе круговорота, все биогены изначально входят в химический состав горных пород наряду с “непитательными” элементами, такими как кремний и алюминий. Однако эти биогены недоступны растениям, пока они закреплены в структуре пород. Чтобы ионы биогенов перешли в менее связанное состояние или в водный раствор, порода должна быть разрушена.
Порода, которую называют материнской, разрушается в процессе естественного выветривания.
Выветривание включает процессы:
1) воздействие ветра и воды
2) замерзание и оттаивание;
3) нагревание и охлаждение;
4) абразивное действие песчаных частиц;
5) биологические факторы (растения в мелких трещинах и др.);
6) химическое воздействие.
Когда ионы биогенов высвобождаются, они становятся доступными для питания растениям, но могут также вымываться просачивающейся сквозь почву водой. Последний процесс называется выщелачиванием.
Выщелачивание почв - вымывание из почвы или отдельного ее горизонта растворимых веществ под влиянием нисходящего или бокового тока почвенного раствора. Эти вещества могут выноситься за пределы почвы или накапливаться в одном из ее горизонтов (расположенный параллельно поверхности относительно однородный слой почвы, обособившийся в процессе почвообразования).
Выщелачивание не только снижает плодородие почв, но и способствует загрязнению среды. Способность почвы связывать и удерживать ионы биогенов, чтобы они не выщелачивались и могли поглощаться корнями, называют ионообменной емкостью почвы.
Будучи исходным источником биогенов, выветривание все же слишком медленный процесс, чтобы обеспечить нормальное развитие растений. В естественных системах основной источник биогенов - разлагающиеся детрит и метаболические отходы животных, то есть кругооборот биогенов. Если ионообменная емкость утрачена, то биогены выщелачиваются и плодородие падает.
В агроэкосистемах происходит неизбежное удаление биогенов с собранным урожаем, так как они входят в состав растительного материала. Поэтому их запас постоянно пополняют, внося удобрения:
1) неорганические (химические) смесь минеральных биогенов (нитраты, фосфаты, калийные удобрения и др.);
2) органические (растительные остатки и отходы, например, навоз).
Даже при внесении удобрений ионообменная емкость почвы сохраняет свое жизненно важное значение.
Выщелачивание удобрений наносит экономический ущерб и загрязнение водоемов, а порой приводит к эвтрофикации водоемов, сопровождающейся массовым размножением сине-зеленых водорослей, уменьшением концентрации свободного кислорода в воде и массовой гибелью многих обитателей водоемов, а особенно рыб, изменением видового состава бактерий и т.д.
3.2.1.2.2. Вода и водоудерживающая способность почвы
В листьях растений существуют тонкие поры, через которые происходит поглощение углекислого газа (CO2) и выделение кислорода (O2) в процессе фотосинтеза. Однако они же пропускают пары воды из клеток растения с поверхности листьев в атмосферу. Это явление транспирации, на которую расходуется 99 % всей поглощаемой растениями воды, на фотосинтез же расходуется менее 1 % . Недостаток воды определенно сказывается на росте и развитии растений. Очевидно, что если вода стекает с поверхности, а не впитывается, пользы от этого не будет. Поэтому важна инфильтрация (способность воды просачиваться в глубь почвы и далее). Причем вода, просачивающаяся в нижние слои (ниже 1 – 1,5 м), для многих растений становится недоступной. Для растений важна вода, удерживаемая слоем почвы. Величина этого запаса воды называется водоудерживающей способностью почвы. Даже при редких осадках почвы с хорошей водоудерживающей способностью могут запасти достаточно влаги для поддержания жизни растений.
Кроме этого, запас воды в почве сокращается не только в результате его использования растениями, но и за счет испарения с поверхности почвы. Чтобы его уменьшить, создают растительный покров.
Таким образом, идеальной может считаться такая почва, которая имеет следующие характеристики:
1) инфильтрация - хорошая;
2) водоудерживающая способность - высокая;