Педосфера - Pedosphere

В педосфера (из Греческий πέδον педон «почва» или «земля» и σφαῖρα Sphaira "сфера") - это самый внешний слой земной шар который состоит из почва и при условии процессы почвообразования. Он существует в интерфейсе литосфера, атмосфера, гидросфера и биосфера.^[1] Педосфера - это оболочка Земли и развивается только тогда, когда существует динамическое взаимодействие между атмосферой (воздух в почве и над ней), биосферой (живые организмы), литосферой (неконсолидированная реголит и консолидированный коренная порода ) и гидросферы (вода внутри, на и под почвой). Педосфера - основа земной жизни на Земле.

Педосфера действует как посредник химического и биогеохимический поток в эти соответствующие системы и из них состоит из газообразных, минеральных, жидких и биологических компонентов. Педосфера находится в Критической зоне, более широком интерфейсе, который включает растительность, педосфера, грунтовые воды водоносный горизонт систем, реголита и, наконец, заканчивается на некоторой глубине в коренная порода где биосфера и гидросфера перестают вносить существенные изменения в химия на глубине. Как часть более крупной глобальной системы, любая конкретная среда, в которой почва форм зависит исключительно от географический положение на земном шаре как климатическое, геологическое, биологическое и антропогенный изменения происходят с изменениями в долгота и широта.

Педосфера находится ниже растительного покрова биосферы и выше гидросферы и литосферы. Процесс почвообразования (почвообразование) может начаться без помощи биологии, но значительно ускоряется при наличии биологических реакций. Формирование почвы начинается с химического и / или физического разложения минералов с образованием исходного материала, который покрывает коренной субстрат. Биология ускоряет это, выделяя кислотные соединения, которые помогают разрушать породу. Частности пионеры биологии находятся лишайник, мхи и семенники,^[2] но происходит множество других неорганических реакций, которые разнообразят химический состав раннего слоя почвы. Один раз выветривание и разложение продукты накапливаются, плотный слой почвы позволяет жидкости перемещаться как вертикально, так и поперечно через профиль почвы, вызывая ионный обмен между твердой, жидкой и газообразной фазами. Со временем основная масса геохимия слоя почвы будет отклоняться от первоначального состава коренной породы и будет развиваться до химического состава, который отражает тип реакций, которые происходят в почве.^[3]

Литосфера

Основные условия развития почвы контролируются химическим составом породы, на которой в конечном итоге будет формироваться почва. Типы пород, которые составляют основу почвенного профиля, часто бывают осадочный (карбонатные или кремнистые), огненный или метаморфические (метаморфизованные магматические породы) или вулканический и метавулканический горные породы. Тип породы и процессы, которые приводят к ее обнажению на поверхности, контролируются региональными геологическими условиями конкретной исследуемой области, которые вращаются вокруг лежащей в основе теории тектоника плит, последующий деформация, поднять, проседание и отложение.

Метагневые и метавулканические породы составляют самый крупный компонент кратонов и содержат большое количество кремнезема. Магматические и вулканические породы также богаты кремнезем но с неметаморфизованными породами выветривание ускоряется, а мобилизация ионов более распространена. Породы с высоким содержанием диоксида кремния выделяют кремниевую кислоту как продукт выветривания. Есть несколько типов горных пород, которые приводят к локальному обогащению некоторыми из биологически ограничивающих элементов, таких как фосфор (P) и азот (N). Фосфатный сланец (<15% P₂О₅) и фосфорит (> 15% P₂О₅) форма в аноксический глубокие водоемы, сохраняющие органический материал.^[4] Гринстоун (метабазальт ), филлит и сланец высвобождают до 30–50% азотного пула.^[5] Густые последовательности карбонат породы часто откладываются на кратон маржа при повышении уровня моря. Широко распространенное растворение карбонатов и испариться минералы приводит к повышению уровня Mg²⁺, HCO₃⁻, Sr²⁺, Na⁺, Cl⁻ и так₄²⁻ ионы в водном растворе.^[6]

Выветривание и растворение минералов

В процессе почвообразования преобладает химическое выветривание силикатных минералов, которому способствуют кислые продукты растения-пионеры и организмов, а также угольная кислота входы из атмосферы. Углекислота производится в атмосфере и слоях почвы через карбонизация реакция.

${ displaystyle mathrm {H_ {2} O + CO_ {2} longrightarrow H ^ {+} + HCO_ {3} ^ {-} longrightarrow H_ {2} CO_ {3}}}$^[3]

Это доминирующая форма химического выветривания и способствует разрушению карбонатные минералы Такие как кальцит и доломит и силикатные минералы Такие как полевой шпат. Распад на-полевого шпата, альбит, к угольная кислота формировать каолинит глина как следует:

${ displaystyle mathrm {2 NaAlSi_ {3} O_ {8} +2 H_ {2} CO_ {3} +9 H_ {2} O longrightarrow 2 Na ^ {+} + 2 HCO_ {3 } ^ {-} + 4 H_ {4} SiO_ {4} + Al_ {2} Si_ {2} O_ {5} (OH) _ {4}}}$^[3]

Свидетельством этой реакции в полевых условиях могут быть повышенные уровни бикарбонат (HCO₃⁻), ионов натрия и кремния в стоке воды.

Распад карбонатных минералов:

${ displaystyle mathrm {CaCO_ {3} + H_ {2} CO_ {3} longrightarrow Ca ^ {2 +} + 2 HCO_ {3} ^ {-}}}$^[3] или же: ${ displaystyle mathrm {CaCO_ {3} longrightarrow Ca ^ {2 +} + CO_ {3} ^ {2-}}}$^[6]

Дальнейшее растворение угольной кислоты (H₂CO₃) и бикарбонат (HCO₃) производит CO₂ газ. Окисление также является основным фактором разрушения многих силикатных минералов и образования вторичных минералов (диагенез ) в раннем профиле почвы. Окисление оливин (FeMgSiO₄) высвобождает ионы Fe, Mg и Si.^[7] Mg растворим в воде и уносится со сточными водами, но Fe часто реагирует с кислородом с осаждением Fe.₂О₃ (гематит ), окисленное состояние оксида железа. Сера, побочный продукт разложения органического материала, также вступает в реакцию с железом с образованием пирит (FeS₂) в восстанавливающих средах. Растворение пирита приводит к высокому pH уровни из-за повышенных ионов H + и дальнейшего осаждения Fe₂О₃^[3] в конечном итоге изменение редокс условия окружающей среды.

Биосфера

Поступления из биосферы могут начинаться с лишайников и других микроорганизмов, которые выделяют Щавелевая кислота. Эти микроорганизмы, связанные с сообществом лишайников или самостоятельно населяющие породы, включают ряд сине-зеленые водоросли, зеленые водоросли, разные грибы, и многочисленные бактерии.^[8] Лишайник долгое время считалась пионером развития почвы, о чем свидетельствует следующее утверждение:

«Первоначальное преобразование породы в почву осуществляется лишайниками-первопроходцами и их преемниками, мхами, в которых волосовидные ризоиды берут на себя роль корней в разрушении поверхности на мелкую пыль.^[9]”

Однако лишайники не обязательно являются единственными организмами-первопроходцами или самой ранней формой почвообразования, поскольку было документально подтверждено, что семенные растения могут занимать территорию и колонизировать быстрее, чем лишайник. Кроме того, эоловое осаждение может вызвать высокие темпы накопления отложений. Тем не менее, лишайник, безусловно, может выдерживать более суровые условия, чем большинство сосудистых растений, и, хотя скорость их заселения ниже, он составляет доминирующую группу в альпийских регионах.

Кислоты, выделяемые из корней растений, включают уксусную и лимонную кислоты. Во время разложения органических веществ фенольные кислоты высвобождаются из растительного вещества, а гуминовые и фульвокислоты выделяются почвенными микробами. Эти органические кислоты ускоряют химическое выветривание, объединяясь с некоторыми продуктами выветривания в процессе, известном как хелатирование. В профиле почвы органические кислоты часто концентрируются вверху, тогда как угольная кислота играет большую роль внизу или внизу в водоносном горизонте.^[3]

По мере того, как столб почвы развивается в более толстые скопления, более крупные животные начинают заселять почву и продолжают изменять химическую эволюцию своих соответствующих организмов. ниша. Дождевые черви аэрируйте почву и превращайте большое количество органических веществ в богатые перегной, улучшение плодородие почвы. Небольшие норы млекопитающие хранить продукты, расти молодыми и может впадать в спячку в педосфере, изменяя ход эволюции почвы. Крупное млекопитающее травоядные животные над землей переносят питательные вещества в виде богатых азотом отходов и богатых фосфором рогов, в то время как хищники оставляют богатые фосфором груды костей на поверхности почвы, что приводит к локальному обогащению почвы внизу.

Редокс-условия в заболоченных почвах

Круговорот питательных веществ в озерах и пресноводных водно-болотных угодьях сильно зависит от окислительно-восстановительных условий.^[3] Под водой в несколько миллиметров гетеротрофный бактерии метаболизируют и потребляют кислород. Таким образом, они истощают почву кислородом и создают потребность в анаэробном дыхании. Некоторые анаэробные микробные процессы включают: денитрификация, сульфатредукция и метаногенез и несут ответственность за выпуск N₂ (азот), H₂S (сероводород ) и CH₄ (метан ). Другой анаэробный микробные процессы связаны с изменением степени окисления утюг и марганец. В результате анаэробного разложения почва накапливает большое количество органического углерода, потому что разложение не завершено.^[3]

Окислительно-восстановительный потенциал описывает, каким образом будут протекать химические реакции в почвах с дефицитом кислорода, и контролирует круговорот питательных веществ в затопленных системах. Окислительно-восстановительный потенциал или восстановительный потенциал используется для выражения вероятности того, что окружающая среда получит электроны^[3] и поэтому уменьшаются. Например, если в системе уже много электронов (бескислородных, богатых органическими сланец ) он восстанавливается и, вероятно, будет отдавать электроны той части системы, которая имеет низкую концентрацию электронов или окисленную среду, чтобы уравновеситься с химическим градиентом. Окисленная среда имеет высокий окислительно-восстановительный потенциал, тогда как восстановленная среда имеет низкий окислительно-восстановительный потенциал.

Окислительно-восстановительный потенциал контролируется степенью окисления химических веществ, pH и количеством кислород (O₂) есть в системе. Окислительная среда принимает электроны из-за присутствия O₂, который действует как акцептор электронов:

${ displaystyle mathrm {O_ {2} +4 e ^ {-} + 4 H ^ {+} longrightarrow H_ {2} O}}$^[3]

Это уравнение будет иметь тенденцию смещаться вправо в кислых условиях, что приводит к обнаружению более высоких окислительно-восстановительных потенциалов при более низких уровнях pH. Бактерии, гетеротрофные организмы, потребляют кислород при разложении органического материала, который истощает почву кислородом, тем самым увеличивая окислительно-восстановительный потенциал. В условиях низкого окислительно-восстановительного потенциала осаждение двухвалентного железа (Fe²⁺) будет увеличиваться с уменьшением скорости разложения, таким образом сохраняя органические остатки и откладывая гумус. При высоком окислительно-восстановительном потенциале окисленная форма железа - трехвалентное железо (Fe³⁺), будут депонированы обычно как гематит. Используя аналитические геохимические инструменты, такие как рентгеновская флуоресценция (XRF) или с индуктивной связью масс-спектрометрии (ICP-MS) две формы Fe (Fe²⁺ и Fe³⁺) можно измерить в древних породах, тем самым определяя окислительно-восстановительный потенциал древних почв.

Такое исследование было проведено на Пермский период через Триасовый скалы (300–200 миллионов лет) в Японии и Британской Колумбии. Геологи обнаружили гематит в раннем и средняя пермь но начали находить восстановленную форму железа в пирите в древних почвах ближе к концу перми и в триасе. Это говорит о том, что в конце перми условия стали менее насыщенными кислородом, даже аноксичными, что в конечном итоге привело к наибольшему вымиранию в земной шар История, P-T вымирание.^[10]

Разложение в бескислородных или восстановленных почвах также осуществляется сероредуцирующими бактериями, которые вместо O₂ использовать SO₄²⁻ как акцептор электронов и производить сероводород (H₂S) и углекислый газ в процессе:

${ Displaystyle mathrm {2 H ^ {+} + SO_ {4} ^ {2 -} + 2 (CH_ {2} O) longrightarrow 2 CO_ {2} + H_ {2} S + 2 H_ {2} O}}$^[3]

H₂Газ S просачивается вверх и вступает в реакцию с Fe.²⁺ и осаждает пирит, действуя как ловушка для токсичного H₂S газ. Однако H₂S по-прежнему составляет значительную долю выбросов от почв водно-болотных угодий.^[11] В большинстве пресноводных водно-болотных угодий мало сульфатов (SO₄²⁻) так метаногенез становится доминирующей формой разложения метаногенными бактериями только при истощении сульфата. Ацетат, соединение, которое является побочным продуктом ферментации целлюлоза расщепляется метаногенными бактериями с образованием метана (CH₄) и диоксид углерода (CO₂), которые выбрасываются в атмосферу. Метан также выделяется при восстановлении CO.₂ теми же бактериями.^[3]

Атмосфера

В педосфере можно с уверенностью предположить, что газы находятся в равновесии с атмосферой.^[6] Поскольку корни растений и почвенные микробы выделяют CO₂ в почву концентрация бикарбоната (HCO₃) в почвенных водах намного больше, чем в равновесии с атмосферой,^[12] высокая концентрация CO₂ присутствие металлов в почвенных растворах приводит к снижению уровня pH в почве. Газы, которые выбрасываются из педосферы в атмосферу, включают газообразные побочные продукты растворения, разложения карбонатов, окислительно-восстановительных реакций и микробного происхождения. фотосинтез. Основные поступления из атмосферы: эолийский осаждение, осадки и газ распространение. Эоловые отложения включают в себя все, что может быть унесено ветром или остается в воздухе, по-видимому, неопределенно долго, и включает в себя широкий спектр аэрозоль частицы, биологические частицы, такие как пыльца и пыль, до чистого кварцевого песка. Азот является наиболее распространенным компонентом дождя (после воды), поскольку водяной пар использует частицы аэрозоля для образования ядер дождевых капель.^[3]

Почва в лесах

Почва хорошо развита в лес как было предложено толстым перегной слои, богатые разнообразие больших деревьев и животные что там живут. В лесах, осадки превышает эвапотранспирация что приводит к избытку воды, которая просачивается вниз через слои почвы. Медленная скорость разложения приводит к образованию большого количества фульвокислоты, что значительно усиливает химическое выветривание. Нисходящий просачивание в сочетании с химическими выщелачиваниями магний (Mg), утюг (Fe) и алюминий (Al) из почвы и переносит их вниз, процесс, известный как оподзоление. Этот процесс приводит к заметным контрастам во внешнем виде и химическом составе слоев почвы.^[3]

Почва в тропиках

Тропические леса (тропические леса ) получить больше инсоляция и количество осадков в течение более длительного вегетационного периода, чем в любой другой среде на Земле. При таких повышенных температурах, инсоляции и осадках биомасса чрезвычайно продуктивна, что приводит к производству до 800 граммов углерода на квадратный метр в год.^[3] Более высокие температуры и большее количество воды способствуют более высокому уровню химического выветривания. Повышенная скорость разложения вызывает просачивание меньшего количества фульвокислоты и выщелачивание металлов из зоны активного выветривания. Таким образом, в отличие от почв в лесах, тропические леса практически не оподзолены и поэтому не имеют заметных визуальных и химических контрастов со слоями почвы. Вместо этого подвижные металлы Mg, Fe и Al осаждаются в виде оксидных минералов, придающих почве ржаво-красный цвет.^[3]

Почва в лугах и пустынях

Осадки в луга равно или меньше эвапотранспирации и вызывает развитие почвы в условиях относительной засухи.^[3] Таким образом, уменьшается выщелачивание и миграция продуктов выветривания. Большое количество испарений вызывает накопление кальция (Ca) и других крупных катионов, флоккулирующих глинистые минералы и фульвокислоты в верхнем профиле почвы. Непроницаемая глина ограничивает просачивание вниз воды и фульвокислот, уменьшая химическое выветривание и оподзоление. Глубина до максимальной концентрации глины увеличивается в зонах повышенного выпадения осадков и выщелачивания. Когда выщелачивание уменьшается, Ca осаждается в виде кальцита (CaCO₃) на нижних уровнях почвы слой, известный как Caliche.

Пустыни ведут себя так же, как луга, но работают в условиях постоянной засухи, поскольку количество осадков меньше, чем эвапотранспирация. Химическое выветривание протекает медленнее, чем на лугах, и под слоем каличи может находиться слой гипс и галит.^[3] Чтобы изучить почвы в пустынях, почвоведы использовали концепцию хронопоследовательностей, чтобы связать время и развитие слоев почвы. Было показано, что P очень быстро вымывается из системы и, следовательно, уменьшается с возрастом.^[13] Кроме того, накопление углерода в почвах уменьшается из-за более медленных темпов разложения. В результате скорость циркуляции углерода в биогеохимическом цикле снижается.

Рекомендации