Кіріспе
Топырақтан тұратын және топырақ түзілу процестеріне ұшырайтын Жердің ең сыртқы қабаты – педосфера. Педосфера топырақтан тұратын және топырақ түзілу процестеріне ұшырайтын Жердің ең сыртқы қабаты болып табылады. Ол литосфера, атмосфера, гидросфера және биосфераның қиылысында орналасқан. Педосфера – Жердің «терісі», ол атмосфера (топырақтағы және одан жоғарыдағы ауа), биосфера (тірі организмдер), литосфера (жиынтықталмаған реголит және консолидацияланған тау жыныстары) және гидросфера (топырақтағы, үстіндегі және астындағы су) арасындағы динамикалық өзара әрекеттесу кезінде ғана қалыптасады. Педосфера – Жердегі құрлықтағы тіршіліктің негізі. Педосфера химиялық және биогеохимиялық ағынның осы жүйелерге кіру және шығуын реттейді және газ, минералдық, сұйықтық және биологиялық компоненттерден тұрады. Педосфера Критикалық аймақтың ішінде орналасқан, ол өсімдіктерді, педосфераны, су жинағыш жүйелерін, реголитті және, соңында, биосфера мен гидросфера химияға маңызды өзгерістер енгізуді тоқтататын тау жыныстарының терең қабатын қамтитын кеңірек интерфейс болып табылады. Ірі жаһандық жүйенің бір бөлігі ретінде, топырақ түзілетін кез келген нақты ортаға оның географиялық орны ғана әсер етеді, себебі климаттық, геологиялық, биологиялық және антропогендік өзгерістер ендік және бойлықтың өзгеруімен бірге жүреді. Педосфера биосфераның өсімдік жамылғысының астында, гидросфера мен литосфераның үстінде орналасқан. Топырақ түзілу процесі (педогенез) биологиялық көмексіз де басталуы мүмкін, бірақ биологиялық реакциялардың қатысуымен айтарлықтай жеделдейді, нәтижесінде топырақ көміртегі шөбі пайда болады. Топырақ түзілуі минералдардың химиялық және/немесе физикалық ыдырауымен басталады, бұл тасты субстратқа жабысатын бастапқы материалды құрайды. Биология бұл процесті тастарды бөлшектеуге көмектесетін қышқыл қосылыстарды бөліп шығару арқылы жеделдетеді. Биологиялық пионерлер – лишайниктер, мүктер және тұқымды өсімдіктер, бірақ топырақтың алғашқы қабатының химиялық құрамын әртараптандыратын көптеген басқа да бейорганикалық реакциялар бар. Ыдырау және декомпозиция өнімдері жиналғаннан кейін, топырақ денесі сұйықтықтардың топырақ профилі арқылы тік және көлденең бағытта қозғалуына мүмкіндік береді, бұл қатты, сұйық және газ фазалары арасында ион алмасуға әкеледі. Уақыт өте келе топырақ қабатының геохимиялық құрамы бастапқы тау жынысының құрамынан ауытқып, топырақта жүретін реакциялардың типін көрсететін химиялық құрамға айналады.
The pedosphere is the outermost layer of the Earth that is composed of soil and subject to soil formation processes. It exists at the interface of the lithosphere, atmosphere, hydrosphere and biosphere. The pedosphere is the skin of the Earth and only develops when there is a dynamic interaction between the atmosphere (air in and above the soil), biosphere (living organisms), lithosphere (unconsolidated regolith and consolidated bedrock) and the hydrosphere (water in, on and below the soil). The pedosphere is the foundation of terrestrial life on Earth. The pedosphere acts as the mediator of chemical and biogeochemical flux into and out of these respective systems and is made up of gaseous, mineralic, fluid and biologic components. The pedosphere lies within the Critical Zone, a broader interface that includes vegetation, pedosphere, aquifer systems, regolith and finally ends at some depth in the bedrock where the biosphere and hydrosphere cease to make significant changes to the chemistry at depth. As part of the larger global system, any particular environment in which soil forms is influenced solely by its geographic position on the globe as climatic, geologic, biologic and anthropogenic changes occur with changes in longitude and latitude. The pedosphere lies below the vegetative cover of the biosphere and above the hydrosphere and lithosphere. The soil forming process (pedogenesis) can begin without the aid of biology but is significantly quickened in the presence of biologic reactions, where it forms a soil carbon sponge. Soil formation begins with the chemical and/or physical breakdown of minerals to form the initial material that overlies the bedrock substrate. Biology quickens this by secreting acidic compounds that help break rock apart. Particular biologic pioneers are lichen, mosses and seed bearing plants, but many other inorganic reactions take place that diversify the chemical makeup of the early soil layer. Once weathering and decomposition products accumulate, a coherent soil body allows the migration of fluids both vertically and laterally through the soil profile, causing ion exchange between solid, fluid and gaseous phases. As time progresses, the bulk geochemistry of the soil layer will deviate away from the initial composition of the bedrock and will evolve to a chemistry that reflects the type of reactions that take place in the soil.
Литосфера
Топырақ дамуының негізгі шарттары топырақ пайда болатын тау жыныстарының химиялық құрамымен анықталады. Топырақ профилінің негізін құрайтын тау жыныстары көбінесе шөгінді (карбонатты немесе кремнийлі), магмалық немесе метагнейлі (метаморфоздық магмалық жыныстар) немесе жанартаулық және метавулканикалық жыныстар болып табылады. Тау жыныстарының түрі және оның жер бетіне шығуына себеп болатын процестер зерттеліп отырған нақты аймақтың аймақтық геологиялық жағдайымен байланысты, бұл пластиналар тектоникасының негізгі теориясы, сонан кейінгі деформация, көтерілу, шөгінді және аккумуляцияға байланысты. Метагнейлі және метавулканикалық жыныстар кратон құрамының ең үлкен бөлігін құрайды және кремнийге бай. Магмалық және жанартаулық жыныстар да кремнийге бай, бірақ метаморфозға ұшырамаған жыныстарда үгілу процесі жылдамдатылады және иондардың жылжуы кеңірек болады. Кремнийге жоғары мөлшерде ие тау жыныстары үгілу нәтижесінде кремний қышқылын түзеді. Фосфор (P) және азот (N) сияқты кейбір биологиялық шектеу элементтерінің жергілікті түрде молайтылуына себеп болатын тау жыныстарының түрлері аз. Фосфатты тақташалар (< 15% P2O5) және фосфорит (> 15% P2O5) органикалық материалды сақтайтын терең сулы бассейндерде қалыптасады. Жасыл тас (метабазальт), филлит және шиста азот қорының 30-50% дейін бөліп шығарады. Карбонатты жыныстардың қалың қабаттары теңіз деңгейінің көтерілуі кезінде кратон шеттерінде жиі шөгінді түзеді. Карбонаттар мен буланушы заттардың кеңінен еруі сулы ерітіндіде Mg2+, HCO3−, Sr2+, Na+, Cl− және SO42− иондарының деңгейінің жоғарылауына әкеледі.
Минералдардың ауа райы мен еріуі
Топырақ түзілу процесінде силикатты минералдардың химиялық тозуы басым рольде болады, оған пионерлік өсімдіктер мен организмдердің қышқыл өнімдері, сондай-ақ атмосферадан түсетін көмір қышқылының әсері көмектеседі. Көмір қышқылы атмосферада және топырақ қабаттарында карбонаттану реакциясы арқылы түзіледі. Магний суда ерігіш және ағыс сумен кетеді, ал темір көбінесе оттегімен реакцияға түсіп, Fe2O3 (гематит) – темір оксидінің тотыққан түрін түзеді. Күкірт, органикалық материалдың ыдырауынан пайда болатын қосалқы өнім, азайтқыш жағдайда темірмен реакцияға түсіп, пирит (FeS2) құрайды. Пириттің еріуі жоғары концентрациядағы H+ иондарына және Fe2O3-тің қосымша жауын-шашын түрінде түсуіне байланысты pH деңгейінің төмендеуіне әкеледі. Лишайлар ұзақ уақыттан бері топырақ дамуының пионерлері ретінде қарастырылып келеді, мысалы, 1997 жылғы Исозакинің мәлімдемесінде айтылғандай:
Тасты топыраққа айналдырудың бастапқы кезеңін пионерлік лишайлар және олардың ізбасарлары – мүктер жүзеге асырады, онда тамыр тәрізді ризоидтары жер бетін ұсақ шаңға айналдыруда тамырлардың қызметін атқарады. Алайда, лишайлар міндетті түрде жалғыз пионерлік организмдер емес, сонымен қатар топырақ түзілуінің ең ерте сатысы да емес, себебі тұқымдық өсімдіктер лишайлардан гөрі бір аумақты алып, оны тез қоныстандыра алады. Сонымен қатар, жел арқылы әкелінетін шөгінділер (эолдық седиментация) шөгінділердің көп мөлшерде жиналуына мүмкіндік береді. Дегенмен, лишайлар көптеген тамырлы өсімдіктерге қарағанда қиын жағдайларға төтеп бере алады, және олардың қоныстану жылдамдығы баяу болғанымен, альпілік аймақтарда басым түр құрайды. Өсімдік тамырларынан бөлінетін органикалық қышқылдарға сірке және лимон қышқылы жатады. Органикалық заттардың ыдырауы кезінде өсімдіктерден фенол қышқылы, ал топырақ микроорганизмдерінен гумин және фульво қышқылы бөлінеді. Бұл органикалық қышқылдар химиялық тозу процесін жеделдетеді, тозу өнімдерінің кейбіреулерімен бірігіп, келаттану деп аталатын процеске қатысады. Топырақ профилінде бұл органикалық қышқылдар көбінесе профильдің жоғарғы жағында шоғырланады, ал көмір қышқылы профильдің төменгі жағында немесе сулы горизонтта үлкен рөл атқарады. Аноксиялық немесе азайтқыш топырақтағы ыдырауды күкіртті азайту бактериялары да жүзеге асырады, олар О2 орнына SO42− электронды қабылдағыш ретінде пайдаланады және процесте сутек сульфиді (H2S) және көмірқышқыл газын өндіреді. Көптеген тұщы сулы батқылық жерлерде сульфаттың (SO42−) мөлшері аз болғандықтан, метаногенез метаногенді бактериялар арқылы ыдыраудың басым түріне айналады, бірақ бұл сульфат толыққан соң ғана болады. Ацетат, ашытылған целлюлозаның қосалқы өнімі, метаногенді бактериялармен метанға (CH4) және көмірқышқыл газына (CO2) дейін ыдырайды, олар атмосфераға шығарылады. Метанды сол бактериялар CO2-ні азайту кезінде де бөліп шығарады. Топырақтағы ерітінділердегі CO2-нің жоғары концентрациясы және металдардың болуы топырақтағы pH деңгейінің төмендеуіне әкеледі. Педосферадан атмосфераға шығатын газдар карбонаттың еріуінен, ыдыраудан, тотығу-тотықсыздану реакцияларынан және микробиологиялық фотосинтезден туындаған газ тәрізді қосалқы өнімдерді қамтиды. Атмосферадан түсетін негізгі факторлар – эолдық шөгінділер, жауын-шашын және газ диффузиясы. Эолдық шөгінділер желмен көтеріліп, ауада ұзақ уақыт ілініп тұратын кез келген нәрсені қамтиды, оған аэрозоль бөлшектері, тозаң сияқты биологиялық бөлшектер және шаң бөлшектері кіреді. Жаңбырдағы судан кейін азот ең көп кездесетін құрауыш болып табылады, себебі су буы жаңбыр тамшыларын ядроландыру үшін аэрозоль бөлшектерін пайдаланады. Сонымен қатар, топырақтағы көміртегінің жиналуы ыдырау жылдамдығының төмендеуіне байланысты азаяды. Нәтижесінде биогеохимиялық циклдағы көміртегі айналымының жылдамдығы төмендейді.