Назаренко І.І., Польчина С.М. Нікорич В.А.
Грунтознавство

Малий біологічний кругообіг речовин. Міграційні потоки елементів

10.5. Малий біологічний кругообіг речовин

Для грунтоутворення особливе значення має малий біологічний кругообіг речовин. Він забезпечує цикли біогеохімії. При цьому зольні елементи поглинаються рослинами з грунту. В подальшому вони беруть участь у біохімічних процесах рослин, повертаються знову в грунт після їх відмирання. Частина забирається тваринними організмами і повертається після їх відмирання. Цикли вуглецю, азоту більш складні. Вони зачіпають також атмосферу. Частина елементів звільняється, після відмирання повертається у великий геологічний кругообіг через атмосферу і гідросферу.

Антропогенна діяльність змінює хід біологічного кругообігу речовин за рахунок:
1) зниження природної біоти і заміни її на культуру сільськогосподарських полів;
2) відокремлення і потреби споживання біологічної продукції;
3) внесення добрив;
4) зміни грунтових режимів.

Інтенсивність біологічного кругообігу речовин (елементів) або швидкість його – це час (вегетаційний період, декілька місяців, діб, хвилин), упродовж якого елемент поглинається живим організмом, трансформується і повертається в середовище.

Повернення буває прижиттєве і посмертне. Час (інтенсивність) залежить від виду організму та запасу елемента у середовищі.
У формуванні малого біологічного кругообігу речовин велику роль відіграють живі організми. В першу чергу – мікробні популяції, оскільки біомаса мікробів практично така ж, як і біомаса рослин. Але головне не в кількості маси, а в тій роботі, яку мікроорганізми проводять з мінералізації речовин, особливо у процесах перетворення азоту, заліза, сірки, марганцю. Відмираючи, вони звільняють 6-7% від своєї біомаси різних зольних елементів.
Безхребетні організми переробляють органічні рештки у грунтах і трансформують хімічні елементи у водоймищах. Надземні біогеоценози (лісовий, трав'яний) – найважливіший фактор формування біологічного кругообігу речовин. Щорічно на суші в процесі фотосинтезу зеленими рослинами залучається 35 млрд. т СО2 з атмосфери; 10 млрд. т повертається в атмосферу в результаті дихання; 25 млрд. т після відмирання рослин надходить у грунт і використовується для утворення гумусу та його акумуляції.

Об'єм, або ємність біологічного кругообігу речовин (елемента) – це маса елемента, яка поглинається організмом з навколишнього середовища одиницею площі за певний час.

Біологічний кругообіг речовин складається з циклів окремих елементів.
Цикли азоту. 75% N зосереджено в атмосфері в молекулярній формі (N ). Живі організми (рослини) поглинають азот у вигляді NH4+, NО3-, з участю якого утворюють білки. Після відмирання рослин іде трансформація азотовмісних сполук через амоніфікацію, нітрифікацію, денітрифікацію. Нітрати захоплюються рослинами, частина їх іде на утворення гумусу. Решта азоту вимивається з грунту. У гумусі азот складає 3-5-10%. Втрата з грунту азоту веде до забруднення водоймищ.
Цикли вуглецю. СО2 в атмосфері міститься до 0,03%. Найбільше вуглецю в живій речовині – 18%. Він є основою життя. Розраховано, що рослинний покрив суші засвоює весь вуглець атмосфери за 3-4 роки. Для гумусосфери цикл вуглецю складає 300-400 років. У процесі дихання рослин частина вуглецю повертається в атмосферу. Після відмирання рослин частина вуглецю закріплюється в гумусі, в осадових породах (карбонати), частина повертається до атмосфери. Викиди вуглецю при спалюванні нафти, газу, вугілля, складають від 6 до 10% об'єму біогеохімічного циклу.
Вирубка лісів, руйнування лісових підстилок, осушення торф'яників, посилене розорювання земель, зменшення планктону у водоймищах у зв'язку з їх забрудненням скоротили об'єми фотосинтезу на планеті. Це зумовило посилення надходження СО2 в атмосферу. Виробництво будівельних матеріалів також підсилює концентрацію CO, в атмосфері (одержання цементу). Існують суттєві відмінності між біологічними кругообігами в природних і антропогенних екосистемах. Установлено, що за останні сто років чорноземи втратили одну третину своїх гумусових запасів. Головні причини цього: інтенсивні прийоми землеробства (меліорація, хімізація, механізація), ерозія грунтів.
У природних екосистемах гуміфікується незначна частка залученого до фотосинтезу вуглецю атмосфери. Значна частина його повертається в атмосферу при диханні організмів і при мінералізації мертвої органічної речовини.

Живі організми утворюють інтенсивні потоки хімічних елементів. Вони проводять велику геохімічну роботу, беруть участь у процесах вивітрювання і грунтоутворення. Грунти є компонентами біосфери й об'єктами дії живої речовини. В ньому зосереджена зоо-фауна, мікроорганізми, корені рослин. У гумусному горизонті жива речовина складає 40% маси грунту. Жива речовина у грунтах виконує такі функції:
- газообмінну: метаболізм, дихання і обмін СО2, NH3, H2О;
- окиснення: процес вивітрювання суттєво змінює сполуки таких елементів як Мn, С, N, S, Р;
- відновлення: денітрифікація, десульфофікація;
- концентрації і акумуляції хімічних елементів із розсіяного стану: карбонати, фосфати;
- синтезу і мінералізації гумусу, гумінових і фульвокислот грунту, грунтового покриву.

10.6. Міграційні потоки елементів

Поведінка будь-якого елемента в конкретних екосистемах біосфери та їх грунтах визначається комплексом міграційних параметрів:
- хімічними властивостями елемента і його сполук;
- роллю у технобіогеохімічних процесах (біофільністю, технофільністю, геохімічною активністю, міграційною здатністю у розчинах);
- співвідношенням між його біологічним, геологічним і техногенними циклами.

У цілому баланс елемента в екосистемі може бути як позитивним, так і негативним. Утворюються зони концентрації тих чи інших елементів і зони збіднення, що відображається на хімізмі грунтів і грунтового покриву загалом.
Під міграцією речовин на земній поверхні розуміють усі форми їх переміщення, розподілу і накопичення. Міграція речовин відбувається в міграційних потоках. Потоки проходять під впливом: сили тяжіння – гравітаційний потік; руху повітряних мас – еоловий потік; руху води – водний потік; потреб в елементах живлення організмами і повернення їх в середовище – біологічний циклічний потік; переміщення організмів по території – біогенний потік; переміщення великих мас речовин людиною в їх господарській діяльності – антропогенний, або техногенний потік.

У природі перевагу має водний потік. Залежить він від ступеня дисперсності речовин, розчинності. Б.Б.Полинов встановив 5 груп міграції речовин при елювіальному вивітрюванні і грунтоутворенні з відносним значенням їх щодо геохімічної рухливості (п):
- що енергійно виносяться (Сl, Вr, І, S) – 10n
- що легко виносяться (Са, Na, К, Mg) – n
- рухливі (SiО2 P, Mn) – 0,1n
- слабко рухливі (Fe, Al, Ті) – 0,01n
- інертні (SiО2 кварцу) – 0n

В.А.Ковда виділив групи речовин за їх педохімічною рухливістю і розробив педогеохімічну класифікацію грунтових вод (табл. 12). Крім водного потоку, важливе значення у міграції речовин у природі має атмосферний перенос речовин вітром і техногенний кругообіг речовин (дерево, вугілля, нафта, зерно).

Таблиця 12. Педогеохімічна рухливість головних продуктів Грунтоутворення (В.А. Ковда, 1973) (доступно при скачуванні повної версії книжки)

Скачати повну версію книжки (з малюнками, картами, схемами і таблицями) одним файлом