Биоэкологическая оценка окружающей среды города Алматы

Тема лекции 1 – Общая схема почвообразовательного процесса.

Почвообразовательный процесс относится к категории биофизико-химических процессов. Агентами почвообразования являются живые организмы и продукты их жизнедеятельности, вода, кислород воздуха и углекислота. Наиболее важные слагаемые почвообразовательного процесса: 1) превращение (трансформация) минералов горной породы, из которой образуется почва (а в дальнейшем и самой почвы); 2) накопление в ней органических остатков и их постепенная трансформация; 3) взаимодействие минеральных и органических веществ с образованием сложной системы органоминеральных соединений; 4) накопление (аккумуляция) в верхней части почвы ряда биофильных элементов, и прежде всего элементов питания; 5) передвижение продуктов почвообразования с током влаги в профиле формирующейся почвы.

В результате биологического круговорота веществ, процесса синтеза и разрушения органического вещества почвообразующая порода непрерывно взаимодействует с растениями и животными, с продуктами их жизнедеятельности, а также с продуктами разложения органических остатков. Эти процессы в совокупности приводят к постепенному формированию почвы и составляют сущность почвообразовательного процесса.

Процессы, связанные с образованием и жизнью почвы, включаются в сложные круговороты вещества и энергии на Земле, главные из которых геологический, биологический и биогеохимический. Характерная черта любых почв – наличие в них сложной системы разнообразных минерально-гумусовых соединений, образование которых является глобальным следствием взаимодействия продуктов биологического происхождения с компонентами горных пород. Вещественный состав почв формируется в результате их длительного функционирования и эволюции. Для всех почв характерна сложная пространственная организация и дифференциация признаков, свойств и процессов. Выделяют следующие уровни структурной организации почвы: атомно-ионный, молекулярный, коллоидный и кристаллохимический, агрегатный микроагрегатный подуровень, горизонтный, профильный, ассоциативный.

Генезис любой почвы состоит из трех последовательных стадий.

1. Начало почвообразования, называемое иногда первичным почвообразовательным процессом.

2. Стадия развития почвы, на которой субстрат материнской породы последовательно приобретает характерные почвенные признаки. Отсутствие равновесия с факторами почвообразования на данной стадии – причина развития почвообразовательного процесса.

3. Стадия сформированной (зрелой) почвы, на которой преобладают циклические обратимые процессы. На данной стадии свойства почвы и уровни биопродуктивности соответствующих биогеоценозов относительно стабильны вследствие близости почвы к равновесию с факторами среды.

В условиях сельскохозяйственного использования почв стадия зрелого равновесия смещается, что приводит к их изменению. Грамотное использование почвенного покрова с учетом законов почвообразования и их проявления в конкретных условиях, проведение специальных почвоулучшающих мероприятий приводит в условиях культурного сельскохозяйственного производства к расширенному воспроизводству плодородия почв.

Почвообразовательный процесс начался с появлением жизни на поверхности суши, с воздействия на горную породу простейших организмов. Первичными организмами, которые могли принять участие в почвообразовании, были бактерии и водоросли. С их воздействием на горную породу начался первичный почвообразовательный процесс. Отмирающие первичные микроорганизмы обогащали выветривающуюся горную породу органическим веществом и создавали необходимые условия для развития других групп организмов. Совокупность всех изменений в почве от начала ее образования (ноль-момент) до сегодняшнего дня называют эволюцией почвы. В общей эволюции почв выделяют иногда фазу саморазвития (созревания) почвы, при которой почва развивается в условиях относительно стабильного климата, геологических и геоморфологических факторов, в силу несоответствия наземной экосистемы, составной частью которой является почва, данным фактором.

В результате почвообразовательного процесса из материнской породы формируется почва. Она приобретает ряд важных свойств и признаков, в ней возникают новые вещества, которых не было в почвообразующей породе. Почва расчленяется на генетические горизонты и приобретает только ей присущие внешние, или морфологические, признаки. Таким образом, почва отличается от почвообразующей породы не только плодородием, но и морфологическими признаками. По ним можно отличить почву от породы, одну почву от другой, а также приблизительно судить о направлении и степени выраженности почвообразовательного процесса.

К главным морфологическим признакам почвы относятся: строение почвенного профиля, мощность почвы и отдельных ее горизонтов; окраска; механический состав; структура; сложение; новообразование и включения.

Контрольные вопросы:

1. Каковы место и значение почвы в природных системах биосферы?

2. Каковы общие черты и различия биологического и биогеохими­ческого круговорота веществ? 3. В чем сложность почвы как при­родного образования и объекта исследований? 4. Каковы уровни структурной организации почв? 5. Каковы основные стадии почво­образовательного процесса и их характерные особенности? 6. Как разделяются почвенные процессы по степени сложности? Что такое режимы почвообразования? 7. В чем сущность полигенетичности почв? 8. Дайте характеристику энергетике почвообразования и укажите слагающие его энергетического баланса. 9. Что такое эволюция почв? 10. Какие главные морфологические признаки ха­рактеризуют почву?

Тема лекции 2 – Происхождение и состав минеральной части и органического вещества почвы.

Основы учения о факторах почвообразования заложены В.В.Докучаевым, который установил, что почва как особое природное тело формируется в результате тесного взаимодействия следующих факторов — климата, расти­тельности, почвообразующих пород, рельефа местности и возраста страны (времени). Сочетание факторов почвообра­зования — это комбинации экологических условий развития почвообразовательного процессам почв. Изучение каждого фактора почвообразования предусматривает его характе­ристику по определенным параметрам и оценку его роли в почвообразовании.

Наряду с указанными пятью природными факторами почвообразования выделяется еще шестой;— производствен­ная деятельность человека, оказывающая как прямое, так и косвенное влияние на почвообразование и почвенный покров.

Горные породы, из которых формируется почва, называют почвообразующими, или материнскими. Почвообразующая порода является материальной основой почвы и передает ей свой механический, минералогический и химический состав, а также физические, химические, физико-химические свойства, которые в дальнейшем посте­пенно изменяются в различной степени под воздействием почвообразовательного процесса. Почвообразующие породы различаются по происхож­дению, составу, строению и свойствам.

Твердая оболочка Земли, или литосфера, состоит из магматических, метаморфических и осадочных пород.

К главным почвообразующим породам от­носятся рыхлые осадочные породы. На них почти повсеме­стно развиваются почвы. В зависимости от генезиса, условий формирования четвертичные осадочные породы характеризуются различным составом, строением, сложением и свойствами, что суще­ственно отражается на почвообразовании и плодородии формирующихся почв.

Элювиальные породы, или элювий,— продукты выветри­вания коренных пород, оставшиеся на месте образования. Элювий формируется в горных областях и на равнинных плато.

Делювиальными породами, или делювием, называют­ся наносы, отложенные на склонах дождевыми и талыми во­дами. Делювий откладывается в виде пологого шлейфа.

Пролювий формируется в горных странах, у подножия гор в результате деятельности временных водных и селевых потоков значительной силы. Пролювий характеризуется плохой сортированностью, включением крупнообломочного материала.

Аллювиальные породы, или аллювий, представляют со­бой осадки, отложенные при разливе рек (пойменный ал­лювий). К аллювиальным породам относятся также донные отложения рек (русловый аллювий). Русловый аллювий обычно сложен песками различной зернистости.

Для познания природы почвенных процессов важней­шее значение имеют климатические показатели, характе­ризующие температурные условия и увлажнение, посколь­ку с ними тесно связаны водно-температурный режим почв и биологические процессы. К таким показателям в первую очередь должны быть отнесены агроклиматические пока­затели вегетационного периода, когда в почве протекают наиболее активные процессы. Поскольку почвенные процес­сы не прекращаются полностью после вегетации, опре­деленное значение имеют и среднегодовые (общие) климати­ческие показатели и показатели межвегетационного периода (осень, зима).

Большую роль при формировании почв играют распре­деление осадков по сезонам года, интенсивность выпадения осадков, определяющая их промачивающую и размываю­щую силу, относительная влажность воздуха и сила ветра также по сезонам. Все эти явления влияют на многие особенности биологических и почвенных процессов и обуслов­ливают развитие водной и ветровой эрозии почв. Климат оказывает прямое и косвенное влияние на почвообразование. Прямое влияние проявляется в непосредственном воздей­ствии элементов климата (увлажнение почвы осадками и ее промачивание, нагревание и охлаждение и т. п.), кос­венное через воздействие климата на растительный и живот­ный мир.

В почвообразовании участвуют 3 группы организмов — зеленые растения, микроорганизмы и животные, образую­щие на суше сложные биоценозы. При совместном воздей­ствии организмов в процессе их жизнедеятельности, а также за счет продуктов жизнедеятельности осуществляют­ся важнейшие звенья почвообразования — синтез и разру­шение органического вещества, избирательная концентра­ция биологически важных элементов, разрушение и новооб­разование минералов, миграция и аккумуляция веществ и другие явления, составляющие сущность почвообразова­тельного процесса и определяющие формирование глав­ного свойства почвы — плодородия.

Вместе с тем функции каждой из этих групп как почвообразователей различны.

Процесс почвообразования протекает во времени. Каждый новый цикл почвообразования (сезонный, годичный, много­летний) вносит определенные изменения в превращения ор­ганических и минеральных веществ в почвенном профиле. Поэтому фактор времени («возраст страны», по В. В. Доку­чаеву) имеет огромное значение в формировании и разви­тии почв. Абсолютный возраст — время, прошедшее с начала формирования почвы до настоящего времени. Он колеблется от нескольких лет до миллионов лет. Относительный возраст характеризует ско­рость почвообразовательного процесса, быстроту смены одной стадии развития почвы другой. Он связан с влиянием состава и свойств пород, условий рельефа на скорость и на­правление почвообразовательного процесса.

Производственная деятельность человека — специфический мощный фактор воздействия на почву (обработка, удобре­ния, мелиорация и т. п.) и на весь комплекс окружающих условий развития почвообразовательного процесса (расти­тельность, элементы климата, гидрологию). Это фактор соз­нательного, направленного воздействия на почву, вызываю­щий изменение ее свойств и режимов (реакции при извест­ковании, питательного режима при внесении удобрения, водно-воздушного и окислительно-восстановительного ре­жимов при осушительных и оросительных мелиорациях ит. п.) значительно более быстрыми темпами, чем это проис­ходит под воздействием природного почвообразования.

Профиль пахотной каштановой почвы

Профиль светло-серой лесной почвы

Контрольные вопросы:

1. Дайте характеристику видам выветривания и типам коры вывет­ривания. 2. Укажите и охарактеризуйте главные почвообразующие породы. 3. Каково значение почвообра­зующих пород в генезисе почв и формировании их плодородия? 4. Назовите группировку и дайте характеристику климата по тем­пературным условиям, увлажнению. 5. В чем заключается прямое и косвенное влияние климата на почвообразование? 6. Что такое макро-, мезо- и микрорельеф? 7. В чем выражается влияние рельефа на почвообразование и плодородие почв? 8. Что такое растительные формации с точки зрения почвоведения? 9. Какими показателями характеризуется растительность как фактор почвообразования? 10. Какие основные функции осуществляют микроорганизмы при почвообразовании и формировании почвенного плодородия? 11. Почему биологический фактор — ведущий в развитии природного почвообразовательного процесса? 12, Перечислите главные группы животных, участвующих в почвообразовании, и в чем проявляется их роль в его развитии? 13. Раскройте понятие «время как фактор почвообразования». 14. В чем проявляется роль производственной деятельности человека в развитии почвообразовательного процесса и плодородия почв? 15. В чем проявляется взаимосвязь факторов, почвообразования?

Тема лекции 3 – Химический состав почв.

Почва состоит из минеральных, органических и органоминеральных веществ. По химическому составу она сущест­венно отличается от исходных почвообразующих пород.

Главные особенности химического состава почвы — при­сутствие органических веществ ив их составе специфической группы — гумусовых веществ, разнообразие форм соедине­ний отдельных элементов и непостоянство (динамичность) состава во времени.

Источник минеральных соединений почвы — горные по­роды, из которых слагается твердая оболочка земной ко­ры — литосфера. Органические вещества поступают в поч­ву в результате жизнедеятельности растительных и живот­ных организмов, населяющих почву. Взаимодействие мине­ральных и органических веществ создает сложный комплекс органоминеральных соединений почв.

Минеральная часть составляет 80—90 % и более массы почв и только в органогенных почвах снижается до 10 % и менее.

В составе почв обнаружены почти все известные химиче­ские элементы. Средние цифры, показывающие содержание отдельных элементов в литосфере и почвах, по предложению академика А. Е. Ферсмана стали называть кларками (в честь американского геохимика Ф. У. Кларка, впервые вы­числившего в 1889 г. средний химический состав земной коры).

Литосфера состоит почти наполовину из кислорода (47,2 %), более чем на четверть из кремния (27,6 %), далее идут алюминий (8,8 %), железо (5,1 %), кальций, натрий, к; 1лий, магний (до 2—3 % каждого). Восемь названных эле­ментов составляют более 99 % общей массы литосферы. Та­кие важнейшие для питания растений элементы, как угле­род, азот, сера, фосфор, занимают десятые и сотые доли процента. Еще меньше в земной коре микроэлементов.

Химический состав рыхлых пород обусловливается как химическим составом продуктов выветривания первичной горной породы, так и теми изменениями, которые претер­пели продукты выветривания при отложении. При этом процентное содержание отдельных химических элементов или их окисей может быть вызвано как абсолютным изме­нением количества каждого из них, так и относительным за счет уменьшения или увеличения других элементов.

Содержание кремнезема в рыхлых породах почти всегда выше, чем в магматических, но сильно колеблется в зависи­мости от генетического типа почвообразующей породы, ее механического состава. Увеличение количества Si0₂ связано с обогащением рыхлых пород кварцем в процессе выветри­вания, а также переотложением продуктов выветривания их сортировкой.

Обогащение кварцем происходит не только вследствие разрушения других минералов, но и в результате новообра­зования вторичного кварца из кремнезема, отщепляющего­ся при выветривании.

В песчаных породах содержится более 90 % кремнезема, в суглинистых и глинистых его количество снижается до 50—70 %, а содержание А1₂0₃, Fe₂0₃ и других окисей воз­растает.

По содержанию щелочноземельных и щелочных основа­ний почвообразующие породы делятся на засоленные, кар­бонатные и выщелоченные. По Антипову-Каратаеву (1958), в выщелоченных породах содержится не более 1—3 % каж­дого из окисей кальция, магния, натрия, калия. Карбонат­ные содержат значительное количество (до 15—20 %) кар­бонатов кальция (СаС0₃). В засоленных породах наряду с карбонатами кальция много сульфатов и хлоридов кальция, магния и натрия.

Химический состав почвообразующей породы отражает в известной мере ее механический и минералогический со­став. Песчаные породы, богатые кварцем, состоят преиму­щественно из кремнезема. Чем тяжелее механический состав породы, тем больше в ней высокодисперсных вторичных минералов, а следовательно, меньше кремнезема, больше полутораокисей алюминия, железа, химически связанной воды, в породах сиаллитного типа больше также окисей калия и магния.

Химические элементы находятся в почвах в различных сое­динениях.

Кислород. Входит в большинство первичных и вторичных минералов почв, является одним из основных элементов ор­ганических веществ и воды.

Кремний. Наиболее распространенное соединение крем­ния в почвах — кварц (Si0₂). Кремний входит также в сос­тав силикатов. При их разрушении в результате выветри­вания и почвообразования кремнезем переходит в раствор в форме анионов орто- и метакремниевых кислот [(8Ю₄)⁴~ и (SiOa)^a~l, силикатов натрия и калия, частично в форме золя. Одна часть растворенного кремнезема вымывается из почвы, другая осаждается (при кислой реакций) в виде гелей (SiOa*AiHaO) — аморфных осадков, которые, теряя воду, могут переходить в кварц вторичного происхожде­ния.

Взаимодействуя с основаниями полутораокисями, ис­тинно растворенный и коллоидный кремнезем образует вторичные силикаты.

Алюминий находится в почвах в составе первичных и вторичных минералов в форме органоминеральных комп­лексов и в поглощенном состоянии (в кислых почвах). При разрушении первичных и вторичных минералов, содержа­щих алюминий, освобождается его гидроокись, значитель­ная часть которой при выветривании остается на месте (как малоподвижная) и лишь частично переходит в раствор в ви­де золя. При слабощелочной реакции гидроокись алюминия полностью выпадает в виде коллоидных осадков — гелей (А1₂0₃-яН₂0), переходящих при кристаллизации во вто­ричные минералы — гиббсит (А1₂0₃'ЗН₂0), бемит (А1₂0₃- Н₂0).

В кислой среде (рН<5) гидроокись алюминия становит­ся более подвижной и алюминий появляется в почвенном растворе в виде ионов А1(ОН)?, А1(ОН)²⁺, что отрицатель­но сказывается на ростё растений.

Водорастворимая и коллоидная гидроокись алюминия, взаимодействуя с органическими кислотами, образует под­вижные комплексные соединения, в форме которых может перемещаться по профилю почвы.

Железо — элемент, необходимый для жизни растений, без него не образуется хлорофилла. В почвах оно встречает­ся в составе первичных и вторичных минералов-силикатов, в виде гидроокисей и окисей, простых солей, в поглощенном состоянии, а также в составе органоминеральных комплек­сов.

Только в сильнокислой среде (рН<3) подвижность гид­роокиси железа увеличивается и в почвенном растворе появляются ионы железа Fe³⁺. В восстановительных усло­виях окисное железо переходит в закисное с образованием растворимых соединений FeC0₃, Fe(HC0₃)₂, FeS0₄, доступ­ных растениям. Повышенная растворимость соединений же­леза угнетает растения. На почвах нейтральных и щелочных с ярко выраженными окислительными процессами растения могут испытывать недостаток железа, что внешне прояв­ляется как хлороз.

Азот входит в состав всех белковых веществ, содержится в хлорофилле, нуклеиновых кислотах, фосфатидах и многих других органических веществах живой клетки. Основная масса азота почв сосредоточена в органическом веществе. Количество азота находится в прямой зависимости от со­держания в почве органического вещества, и прежде всего гумуса. В большинстве почв этот элемент составляет ¹/₄₀— Vго гумуса. Накопление азота в почве обусловлено биоло­гической аккумуляцией его из атмосферы. В почвообразую­щих породах азота очень мало.

Азот доступен растениям главным образом в форме ам­мония, нитратов, нитритов, которые образуются при разло­жении азотистых органических веществ. Нитриты практи­чески не содержатся в почве. Аммонийный и нитратный азот — основная форма азотистых соединений, которыми питаются растения.

Фосфор входит в состав многих органических соедине­ний, без которых невозможна жизнедеятельность организ­мов. Растения содержат десятые доли процента Р₂0₅ на сухое вещество. Поглощаясь в больших количествах расте­ниями, фосфор аккумулируется в верхних горизонтах поч­вы. Валовое содержание его в черноземах составляет 0,35 % и более.

Сера входит в белковые вещества, эфирные масла. По­требность растений в ней небольшая, обычно меньше, чем в фосфоре. Биологическая аккумуляция серы в верхних горизонтах почвы зависит от условий почвообразования. Валовое содержание S0₃ в верхних горизонтах почв колеб­лется в широких пределах — от 0,01 до 2 % и более.

Калий осуществляет важные физиологические функции в организмах. Потребляется растениями в больших количе­ствах, особенно такими культурами, как картофель, корне­плоды, травы, табак.

Валовое содержание калия (КгО) в почвах относитель­но высокое. В почвах тяжелого механического состава оно составляет 2 % и более. Значительно меньше калия в лег­ких почвах.

Многие элементы в почвах и биологических объектах содер­жатся в микроколичествах (<Сп«10~³ %). Они составляют особую группу микроэлементов. К ним относятся бор (В), марганец (Мп), молибден (Мо), медь (Си), цинк (Zn), ко­бальт (Со), йод (J), фтор (F) и др.

Значение микроэлементов. Микроэлементы играют важ­ную физиологическую и биохимическую роль в жизни рас­тений, животных и человека. Они входят в состав фермен­тов, гормонов, витаминов. Установлено наличие тесной связи между содержанием микроэлементов в почвах и со­стоянием и урожайностью растений, продуктивностью животных и здоровьем человека. Недостаточное или избы­точное содержание витаминов вызывает нарушение нор­мальной деятельности организмов и развитие различных заболеваний.

Контрольные вопросы:

1. В чем обнаруживается сходство и различие почв и пород по химическому составу? 2. Какие элементы преобладают в почвах? Укажите формы их соединений и подвижность. 3. Каково валовое содержание азота, фосфора, калия, серы, кальция, магния в почвах? Укажите формы их соединений и подвижность. 4. Как влияет Химический состав почв и пород на почвообразование? 5. Расска­жите о микроэлементах, их значении для питания растений. 6. Чем вызывается естественная и искусственная радиоактивность почв?

Тема лекции 4 – Почвенные коллоиды и поглотительная способность почвы.

Важнейшая особенность почвы — ее гетерогенность и многофазность. Благодаря этим свойствам большинство про­цессов, протекающих в почвах, включая питание растений, миграцию и аккумуляцию вещества, формирование ха­рактерных признаков твердой фазы почвы и др., связано «с перераспределением вещества между фазами почвы. Поглощение газов, паров и растворенных веществ твердыми те- тми и жидкостями называется сорбцией.

О существовании сорбционных свойств почвы, прояв­ляющихся, например, в поглощении газов, паров воды или растворение веществ твердой фазой почвы, знали давно. Однако современные представления о сорбционных про­цессах в почве и о ее поглотительной способности, развитые и работах К. К. Гедройца, Г. Вигнера, С.Матсона, Е. Н. Ганона (в 20—30-е годы) и в более поздних исследованиях Д. II. Соколовского, А. Ф. Тюлина, И. Н. Антипова-Каратаева, С. Н. Алешина, Н. И. Горбунова, Д. Ди-Глерия, Ф. Колли и др., сформировались благодаря развитию представлению физической и коллоидной химии. Для понимания роли коллоидов в образовании и функционировании почвы особое знание имеют такие разделы коллоидной химии как учение о коллоидных системах; теория молекулярно-кинетических явлений; учение о поверхностных явлениях и теория устойчивости, коагуляции и стабилизации коллоидных систем.

Почва — сложная полидисперсная система, состоящая из частиц различной величины. Почвенные коллоиды пред­ставлены частицами, диаметр которых лежит в пределах 0,0001—0,0200 нм. Их количество в почве различно — от 1—2 до 30—40 % к массе почвы. Однако даже при незна­чительном содержании в почве частиц коллоидного размера именно они главные носители сорбционных свойств почвы. Причины этого: 1) почвенные коллоиды даже при неболь­шом содержании представляют основную долю общей по­верхности твердой фазы почвы; 2) физическая и химическая природа поверхностей почвенных коллоидов благоприят­ствует протеканию на них разнообразных сорбционных про­цессов. К минеральным коллоидам относят глинистые минералы, коллоидные формы кремнезема и полутораоксиды.

Поверхность глинистых минералов может нести отрица­тельный заряд вследствие нарушения связей на краях крис­таллов, изоморфных замещений в сетках тетраэдров и окта­эдров. Эти механизмы образования заряженных поверх­ностей проявляются в различной степени у различных гли­нистых минералов. Благодаря наличию отрицательного заряда глины способны к обменному погло­щению катионов. Отрицательный заряд у кристаллических глинистых минералов не зависит от рН. Коллоиды, несущие только отрицательный заряд, называют ацидоидами, а не­сущие только положительный заряд — базоидами.

Поверхность аморфных минералов, в частности минера­лов группы оксидов (гидрооксидов) имеет рН-зависимый мрид (величина и знак заряда). Такие коллоиды называют а м ф о л и то и д а м й; Характер диссоциации амфолитоидов и схема формирования заряда в зависимости от рН рассматривают в курсе химии. При очень кислых условиях некоторые минералы этой группы могут нести положитель­ный заряд. Отрицательный заряд у некоторых амфолитоидов при рН 8 может достигать 20—40 м-экв. на 100 г. Аморфные формы минералов могут играть значительную роль в формировании сорбционных и коллоидных свойств ночи, покрывая пленками кристаллические минералы.

По степени сродства к воде различают гидрофильные (высокое сродство) и гидрофобные (низкое сродство) коллоиды. Гидрофобные свойства почвенным коллоидам, проявляющиеся, в частности, в пониженной смачиваемости, могут придавать органические вещества типа липидов, если они покрывают поверхность почвенных частиц. Известно, что гидрофильность почвенных коллои­дов снижается пр