Почва как источник твердого вещества и микроорганизмов, поступающих в атмосферу.

Роль почв как источника твердого вещества, поступающего в атмосферу, известна давно. Наиболее яркой формой ее прояв­ления оказывается попадание в различные слои воздуха частиц почвенного мелкозема в результате его развевания — дефляции (табл.

Таблица 43

Распределение переносимого мелкозема в почвоветровом потоке (Кальянов, 1976)

вием эолового фактора (Орлова, 1983).

О масштабах воздушного переноса вещества в историческом аспекте свидетельствуют также многометровые толщи эоловых отложений, широко распространенных в различных районах земного шара.

Попавший в атмосферу материал может переноситься на

Попадающие в атмосферу частицы почвенного мелкозема оказывают разнообразные воздействия на процессы, происхо­дящие в ней. Общая их оценка затруднительна, поскольку они слагаются из эффектов, имеющих зачастую неоднозначное зна­чение для климата и биосферы. Существует мнение, что нали­чие некоторого количества пылеватого материала способствует выпадению дождей, поскольку частички пыли оказываются центрами конденсации паров влаги. Это обстоятельство может иметь положительное значение, когда образование осадков за­труднено (например, в тундровой зоне), а общее их количество сравнительно невелико.

Другой эффект от запыленности воздуха — сильное сниже­ние притока солнечной радиации к земной поверхности — может также обладать определенным положительным действием (например, в районах, страдающих от сильного перегрева ниж­них слоев атмосферы и почвенного покрова).

В то же время попадание в воздушную оболочку большого количества мелкозема часто оказывается причиной многих сти­хийных бедствий: засыпание песком, переносимым бурями, по­селений, водоемов, почв и растительности; развевание плодо­родного слоя земель; ухудшение качества воздуха. Поэтому в целом запыление атмосферы — процесс нежелательный, осо­бенно когда он достигает экстремальных размеров. Прежде всего к пагубным результатам приводит ветровая эрозия почв, которая из-за расширения площади распаханных угодий замет­но усугубляет общую эродированность земель.

Известно, к каким печальным последствиям привела акти­визация ветровой и водной эрозии в Соединенных Штатах Аме­рики при освоении почвенного покрова. Переселенцы из Европы стали хищнически эксплуатировать целинные земли, применяя непригодную для местных условий агротехнику. В результате при освоении земельного фонда из 167 млн. га пахотных почв 20 млн. га было полностью разрушено, 20 млн. га почти разру­шено, на 80 млн. га было потеряно более половины или четвер­ти верхнего плодородного слоя. Другими словами, около 75% земель оказалось серьезно поврежденным.

В связи с ранимостью почв и склонностью их к развеванию возникает настоятельная необходимость строгого соблюдения противодефляционных мероприятий и учета противоэрозионной устойчивости различных почв, определяемой многими состав­ляющими (Кузнецов, 1983).

Обычно считают, что к наиболее ветроэродируемым землям относятся почвы легкого механического состава. Эти разности в случае их распашки действительно активно развеваются. При несоблюдении противодефляционных мер разрушение легких почв ветровой эрозией за несколько лет использования воз­растает в 5—10, а в некоторых случаях — в 10—15 раз (Гаель, 1968).

Ряд исследователей обращают внимание на то, что слабой устойчивостью к ветровой эрозии отличаются многие почвы. Так, американский исследователь Чепил полагает, что активно эродируются не только легкие, но и тяжелые почвы, в которых обилие илистой фракции способствует образованию многочис­ленных микроагрегатов, легко передвигающихся ветром. Более устойчивыми оказываются почвы среднего мехсостава (цит. по: Цыганенке, 1972). Однако единого ряда ветроэродируемости почв вывести нельзя, поскольку в зависимости от конкретных природных условий и свойств почв он будет сильно варьировать.

Особый интерес представляет проблема поступления в атмо­сферу микроорганизмов почвы.

Идея о населенности воздуха мельчайшими организмами была высказана еще Лукрецием около 2000 тыс. лет назад. На­дежное же экспериментальное обоснование ее появилось в прошлом веке.

Ф. Грегори (1964) в книге «Микробиология атмосферы» раз­деляет вывод Микеля о том, что источником большей части бактерий, присутствующих в атмосфере, служит почва, мелкие сухие частицы которой подхватываются ветром и поднимаются в воздух. Это положение сохраняет свою силу до настоящего времени. Однако оно дополняется данными о том, что источни­ком других микроорганизмов, например грибных спор, являет­ся не только почва. Так, микроорганизмы могут попадать в воздух из вод океанов при образовании брызг, с дикорастущих растений и другим путем.

Следует отметить, что микробы, попавшие в атмосферу с восходящими токами воздуха, поднимаются часто на значи­тельную высоту. Например, при изучении микрофлоры воздуха под Москвой Е. Н. Мишустиным (1923) было отмечено, что ле­том и осенью количество бактерий на высоте 500 м составляло 2000—3000 на 1 м³, причем при сильном ветре оно возрастало до 7000—8000. С высотой содержание бактерий заметно снижа­лось, однако на высоте 2000 м над центром Москвы оно было еще значительным и в среднем составляло 650 на 1 м³. В окру­жающей загородной зоне на этой же высоте количество бакте­рий было в 4—5 раз меньше.

Уэстон отметил, что в воздухе над районом Кембриджа (Анг­лия) на высоте 3000 м бактерии и грибы встречаются в изоби­лии, однако выше они попадаются уже редко. Существенно, что внутри облаков содержание микроорганизмов было выше, чем над облаками или под ними.

Характерной особенностью воздушного распространения микроорганизмов является не только подъем на значительную высоту, но и возможность переноса на большие расстояния (табл.

Таблица 44

Распространение спор Puccinia graminis (по Stakman, Hamilton; Грегори, 1964)

зи источника. К сожалению, вопрос о многокилометровых пе­реносах микробов изучен пока недостаточно и ряд его аспектов находится пока в стадии рабочих гипотез. Однако такие факты, как обнаружение микроорганизмов в различных типах воздуш­ных масс, в том числе арктических и полярных, свидетельству­ют о реальности дальних перемещений в атмосфере многих микроорганизмов, которые могут распространяться на расстоя­ния от нескольких метров кончая десятками, сотнями и даже тысячами километров (Влодовец, 1979).

Говоря об общем значении воздушного распространения микроорганизмов, в том числе почвенного происхождения, не­обходимо отметить, что, по данным Ф. Грегори, существует не­сколько аспектов этого явления.

Прежде всего в ряде случаев реально распространение воз­душным путем возбудителей некоторых заболеваний растений, животных и человека. Еще отец медицины Гиппократ полагал, что эпидемические заболевания у людей могут возникать при вдыхании воздуха.

Благодаря воздушному переносу зачатков возможно также освоение организмами новых территорий.

Следует отметить также, что с постоянным обменом различ­ных экосистем микробами в определенной мере связано отсут­ствие ярко выраженной зональной смены микрофлоры почв раз­

ом

личных природных зон (Красильников, 1958), поскольку благо­даря повсеместному распространению воздушным путем микро­организмов фактор географической изоляции, столь важный для животных и растений, для бактерий и грибов практически не имеет значения (Заварзин, 1979).

Следует также обратить внимание на то, что воздушные мас­сы становятся на тот или иной срок средой для многих перено­симых ими микроскопических форм. В приземных слоях возду­ха отмечено около 1200 видов бактерий и актиномицетов, в воз­дух попадают споры 40 000 видов грибов, мхов, печеночников, папоротников и близких к ним форм и пыльца 100 000 видов цветковых растений (табл. 45). Все это свидетельствует о важ­ности аэробиологии — науки, изучающей вопросы воздушной миграции, выживаемости организмов в газообразной оболочке Земли и источников их поступления в нее.

Таблица 45

Содержание пыльцевых зерен и спор на 1 м³ воздуха в березово-дубовом лесу (Грегори, 1964)

В качестве самостоятельной глобальной функции выделяет­ся также участие почвы в регулировании газового режима био­сферы. Так, почва — важнейшее условие осуществления фото­синтеза с образованием свободного кислорода на суше, а опо­средованно (через снабжение акваторий элементами питания, мобилизованными при почвообразовании — выветривании) — и в океане.

Прямое участие почвы в преобразовании состава атмосфе­ры и регулировании ее газового режима определяется прежде всего деятельностью почвенных микроорганизмов, в результате которой в воздушную оболочку, с одной стороны, поступают различные газообразные продукты, а с другой — поглощаются те или иные ее компоненты (Заварзин, 1979; Звягинцев, 1979).

Это достигается прежде всего за счет того, что благодаря большой порозности (до 60% и более) и биохимической актив­ности почва постоянно обменивается газами с нижними слоями атмосферы. Образно говоря, почва постоянно вдыхает и выды­хает окружающий воздух, существенно изменяя его состав, и если ее лишить возможности дышать, то «нормальная жизнь» большинства почв довольно скоро прекратится.

Установлено, что запасов О₂ в почве хватит лишь на 12— 48 ч (в некоторых случаях на 100 ч). Потребление кислорода почвой, так же как и для многих живых организмов, — обяза­тельное условие успешного ее функционирования. Оно достигав ет огромных размеров и составляет 1000—4000 л/га за 1 ч. Примерно в таких же количествах выделяется из почвы угле­кислый газ (Звягинцев, 1979). Есть данные, что если почва не переувлажнена, то за 1 ч в ней может происходить полное об­новление воздуха до глубины 20 см (Рассел, 1955).

Сильное увлажнение почвы приводит к резкому уменьшению газообмена (в тысячи и сотни тысяч раз). Резкое уменьшение газообмена при переувлажнении, когда почва по многим свой­ствам приближается к водной среде, — наглядное подтвержде­ние определенных преимуществ почвенной оболочки перед гид­росферой по части влияния на круговорот газов в атмосфере.

Для понимания характера влияния почвы на состав атмо­сферы важно то, что почвенный воздух существенно отличается от атмосферного. В нем в 10—100 раз больше углекислого га­за и во много раз меньше кислорода. Содержание азота отли­чается не существенно. Кроме того, в почвенном воздухе всег­да содержится ряд микрогазов и летучих органических веществ. Поэтому «выдыхание» почвой воздуха обусловливает соответ­ствующие изменения в газовом составе атмосферы.

Особое значение имеет участие почвы в круговороте углеро­да, который занимает исключительное место в жизни биосферы. Так, выход углерода из жизненного цикла вследствие его кон­сервации в органогенных образованиях при их захоронении в осадочных породах оказывается важной составной частью меха­низма биосферы, поскольку, как справедливо подчеркивал В. И. Вернадский, в основном этим путем создается возмож­ность для существования в биосфере свободного кислорода. По его мнению, должно существовать простое, еще неизвест­ное числовое соотношение между количеством свободного кис­лорода нашей планеты и массой каменного угля, битумов, неф­ти, карбонатов, в ней существующих.

Ранее уже было показано, что начальные стадии формиро­вания многих углеродсодержащих ископаемых (до их захороне­ния) тесно связаны с почвообразованием, поэтому нет необхо­димости доказывать важную роль почвы в удалении части уг­лерода из атмосферы. К этому следует лишь добавить, что часть углерода фиксируется и в современной гумусовой оболочке Земли.

Однако почва участвует не только в изъятии углерода из атмосферы. Одновременно идет с помощью почвы противопо­ложный процесс возврата в воздушную оболочку в газообразной форме ранее связанного углерода. Этот возврат осуществляет­ся прежде всего в ходе разложения органического вещества, ежегодно образующегося в почве и поступающего на ее поверх­ность. Имеются данные, что при аэробном разложении до 60% органического вещества ассимилируется микроорганизмами, а 40% освобождается в виде углекислоты (Заварзин, 1972).

Таким образом, благодаря изъятию и консервации части уг­лерода воздушной оболочки и противоположному процессу —

возврату его в атмосферу — осуществляется планетарный кру­говорот данного элемента, от которого теснейшим образом за­висят развитие и функционирование ряда основных оболочек Земли. Так, нормальное развитие биосферы возможно лишь при определенном содержании СОг (Ронов, 1980; и др.). В случае избытка углекислоты возникают условия, близкие к тем, кото­рые имеют место на Венере. При большом же недостатке СОг сильно подавляется фотосинтез и, кроме того, увеличивается теплоизлучение Земли в космическое пространство, поскольку снимается парниковый эффект от углекислого газа атмосферы. Поэтому поддержание определенной концентрации СО₂ в ат­мосфере — одно из основных условий нормального функциони­рования биосферы.

Главный механизм сохранения сложившегося баланса СОг — двусторонний динамический процесс, сущность которого заклю­чается в выделении из глубин Земли углекислого газа, в ос­новном при вулканической деятельности, и связывании появив­шегося в атмосфере избытка СОг. Основным механизмом фик­сации СОг является образование биогенных карбонатных осад­ков, главным образом в мелководных морях. Этому также спо­собствует образование каустобиолитов на континентах (Ронов, 1980).

Некоторые исследователи считают, что в непосредственной фиксации СОг, выделяющегося из недр Земли, определенную роль играют и литотрофные организмы, тесно связанные с поч­вой. Г. А. Заварзин (1972) полагает, что литотрофные бакте­рии способны использовать вещества, выделяющиеся в пост­вулканической деятельности: водород, окись углерода, метан, аммиак, соединения серы. Причем использование газов могло происходить и в древнейшие периоды, когда атмосфера еще со­держала СОг в большом количестве. Обильное развитие литот- рофных бактерий на современных вулканах является, по мне­нию Г. А. Заварзина, дополнительным указанием на то, что могло быть и в прошлом.

В процессе развития планеты связывание СОг атмосферы и углерода, высвобождающегося при выветривании некоторых ма­теринских пород с последующим захоронением в осадочной обо­лочке, достигло грандиозных размеров. Только в кайнозойской части осадочной оболочки погребенная масса углерода в 1850 раз больше той, которая находится в современном круговороте (Ронов, 1980).

Фиксируются и переводятся в состав литосферы с помощью почвы и другие газообразные компоненты воздушной оболочки. Так, большое значение имеет фиксация атмосферного азота при участии почвенных микроорганизмов. Благодаря этому в коре выветривания образуются природные соединения азота с кис­лородом, к которым относятся не только сравнительно неболь­шие запасы нитратов и нитритов почв, но и богатые залежи натриевой и калиевой селитры.'

Достаточно широко идут процессы окисления и удержания в почвах и корах выветривания водорода и газообразных угле­водородов, идущие с участием почвенных микроорганизмов. По мнению Б. Б. Полынова, ни новые вулканические эманации водорода и углеводородов, ни природные процессы водородного и метанового брожения, сопровождающие разложение органиче­ских соединений, по-видимому, заметно не увеличивают содер­жание в воздухе водорода и углеводородов.

Процессы удержания с помощью педосферы газообразных элементов, поступающих из глубин Земли, и возврата их в нед­ра планеты, несомненно, имеют огромное значение для ее нор­мального развития. Эти процессы существенно ограничивают отлет в космическое пространство многих элементов. Известно, что Земля постоянно отдает в космос значительное количество вещества планетарного происхождения, преимущественно в га­зообразной форме, которое образовало у нашей планеты газо­вый хвост, подобный кометному. Тянется он на сотню тысяч ки­лометров, и его можно видеть ночью как свечение вблизи про- тивосолнечной точки. Особенно значительным может быть уход легких газов. Поэтому удержание почвой водорода имеет боль­шое значение. По мнению В*. И. Вернадского, данная функция почвы предохраняет планету от разрушения.

Рассмотренные процессы играют также исключительно важ­ную роль в исторически сложившемся обмене энергией и веще­ством между различными частями планеты. Поддержание дан­ного обмена — одно из главных условий сохранения жизни на Земле. Это положение находит все большее подтверждение в ряде исследований. Полагают, что жизнь на Земле и других планетах, при прочих равных условиях, возможна лишь до тех пор, пока эти планеты активны и происходит обмен энергией и веществом между их недрами и поверхностью.