Введение
Педосфера – это внешний слой Земли, состоящий из почвы и подверженный процессам почвообразования. Она существует на границе литосферы, атмосферы, гидросферы и биосферы. Педосфера – это «кожа» Земли, которая формируется только при динамическом взаимодействии атмосферы (воздуха в почве и над ней), биосферы (живых организмов), литосферы (несцементированного реголита и сцементированного коренного основания) и гидросферы (воды в почве, на ней и под ней). Педосфера – основа наземной жизни на Земле. Она выступает посредником в химических и биогеохимических потоках в эти системы и обратно, и состоит из газообразных, минеральных, жидких и биологических компонентов. Педосфера находится в пределах Критической зоны – более широкой области контакта, включающей растительность, педосферу, системы водоносных горизонтов, реголит и, в конечном итоге, заканчивающейся на определенной глубине в коренной породе, где биосфера и гидросфера перестают оказывать существенное влияние на химию на глубине. Как часть более крупной глобальной системы, любая конкретная среда, в которой формируется почва, определяется исключительно ее географическим положением на земном шаре, поскольку климатические, геологические, биологические и антропогенные изменения происходят с изменением долготы и широты. Педосфера располагается ниже растительного покрова биосферы и выше гидросферы и литосферы. Процесс почвообразования (педогенез) может начаться и без участия биологических организмов, но значительно ускоряется в их присутствии, приводя к формированию почвенного углеродного «губчатого» слоя. Формирование почвы начинается с химического и/или физического разрушения минералов, образующих начальный материал, покрывающий коренное основание. Биологические организмы ускоряют этот процесс, выделяя кислотные соединения, способствующие разрушению горных пород. Первопроходцами в этом процессе часто являются лишайники, мхи и семенные растения, но происходит множество других неорганических реакций, которые разноображают химический состав раннего почвенного слоя. После накопления продуктов выветривания и разложения, сформировавшийся почвенный горизонт обеспечивает миграцию жидкостей как вертикально, так и латерально по почвенному профилю, вызывая ионный обмен между твердой, жидкой и газообразной фазами. Со временем геохимический состав почвенного слоя будет отклоняться от первоначального состава коренной породы и эволюционировать к химическому составу, отражающему типы реакций, происходящих в почве.
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
Основные условия развития почвы определяются химическим составом горной породы, на которой она формируется. Типы пород, составляющие основу почвенного профиля, часто бывают осадочными (карбонатными или кремнистыми), магматическими или метаосадочными (метаморфизованные магматические породы), а также вулканическими и метавулканическими породами. Тип породы и процессы, приводящие к её обнажению на поверхности, контролируются региональной геологической обстановкой конкретной изучаемой территории, которая обусловлена теорией тектоники плит, последующей деформацией, поднятием, опусканием и отложением. Метаосадочные и метавулканические породы составляют основную часть кратонов и характеризуются высоким содержанием кремнезёма. Магматические и вулканические породы также богаты кремнезёмом, но в неметаморфизованных породах выветривание протекает быстрее и мобилизация ионов происходит более интенсивно. Породы с высоким содержанием кремнезёма в процессе выветривания образуют кремниевую кислоту. Лишь немногие типы пород приводят к локальному обогащению биологически лимитирующими элементами, такими как фосфор (P) и азот (N). Фосфатные сланцы (< 15% P2O5) и фосфориты (> 15% P2O5) формируются в аноксичных глубоководных бассейнах, где сохраняется органическое вещество. Зеленый камень (метабазальт), филлит и сланец высвобождают до 30–50% азотного пула. Мощные толщи карбонатных пород часто отлагаются на кратонных окраинах при повышении уровня моря. Широко распространенное растворение карбонатов и эвапоритов приводит к увеличению концентрации ионов Mg2+, HCO3−, Sr2+, Na+, Cl− и SO42− в водном растворе.
Взвешивание и растворение минералов
Процесс образования почвы определяется химическим выветриванием силикатных минералов, которому способствуют кислые продукты пионерных растений и организмов, а также поступление углекислоты из атмосферы. Углекислота образуется в атмосфере и почвенных слоях в результате реакции карбонизации. Магний растворим в воде и выносится с поверхностным стоком, но железо часто реагирует с кислородом, образуя осадок Fe2O3 (гематит) – окисленную форму оксида железа. Сера, являющаяся побочным продуктом разложения органических веществ, также реагирует с железом, образуя пирит (FeS2) в восстановительной среде. Растворение пирита приводит к снижению pH из-за повышенной концентрации ионов H+ и последующего осаждения Fe2O3. Лишайники долгое время считались пионерами почвообразования, что подтверждается следующим заявлением Изозаки 1997 года:
Первичное превращение горной породы в почву осуществляют лишайники-пионеры и их преемники – мхи, в которых волосовидные ризоиды выполняют роль корней, разрушая поверхность на мелкую пыль. Однако лишайники не всегда являются единственными пионерными организмами и не представляют собой самую раннюю форму почвообразования, поскольку зафиксировано, что семенные растения могут заселять территорию и колонизировать ее быстрее, чем лишайники. Кроме того, эоловая седиментация (воздушная) может приводить к высоким темпам накопления осадочного материала. Тем не менее, лишайники способны выдерживать более суровые условия, чем большинство сосудистых растений, и хотя их скорость колонизации ниже, они составляют доминирующую группу в альпийских регионах. Органические кислоты, выделяемые корнями растений, включают уксусную и лимонную кислоты. В процессе разложения органического вещества из растительных остатков высвобождаются фенольные кислоты, а почвенные микробы выделяют гуминовые и фульвокислоты. Эти органические кислоты ускоряют химическое выветривание, образуя комплексы с некоторыми продуктами выветривания в процессе, известном как хелатирование. В почвенном профиле эти органические кислоты часто концентрируются в верхней его части, в то время как углекислота играет более важную роль в нижней части профиля или ниже, в водоносном горизонте. Разложение в анаэробных или восстановленных почвах также осуществляется сероредуцирующими бактериями, которые вместо O2 используют SO42− в качестве акцептора электронов, производя сероводород (H2S) и углекислый газ. В большинстве пресноводных водно-болотных угодий содержание сульфата (SO42−) невелико, поэтому метаногенез становится доминирующей формой разложения, осуществляемой метаногенными бактериями только после истощения сульфата. Ацетат, являющийся побочным продуктом ферментации целлюлозы, расщепляется метаногенными бактериями с образованием метана (CH4) и углекислого газа (CO2), которые высвобождаются в атмосферу. Метан также выделяется при восстановлении CO2 теми же бактериями. Высокая концентрация CO2 и присутствие металлов в почвенных растворах приводят к снижению pH почвы. Газы, покидающие педосферу и поступающие в атмосферу, включают газообразные продукты растворения карбонатов, разложения, окислительно-восстановительных реакций и микробного фотосинтеза. Основными поступлениями из атмосферы являются эоловая седиментация, осадки и диффузия газов. Эоловая седиментация включает в себя все, что может подниматься ветром или оставаться во взвешенном состоянии в воздухе, включая широкий спектр аэрозольных частиц, биологических частиц, таких как пыльца, и пылевых частиц. Азот является наиболее распространенным компонентом дождя (после воды), поскольку водяной пар использует аэрозольные частицы в качестве ядер конденсации для образования дождевых капель. Кроме того, накопление углерода в почвах замедляется из-за более медленной скорости разложения. В результате снижается скорость циркуляции углерода в биогеохимическом цикле.