3. Влияние почв на атмосферу

Тесная зависимость состава и динамики атмосферы от почвы диктуется в первую очередь их взаимопроникновением через га­зообразную фазу почвы. Другой причиной тесной связи атмосферы и почвы оказывается постоянное физическое воздействие на динамичные нижние слои воздушной оболочки подстилающей поверхности, представленной не только океаном и растительностью, но и поч­венным покровом. Значимость влияния почвы на атмосферу определяется еще и тем, что, хотя условная внешняя граница атмосферы проходит на высоте около 1000 км, основная ее масса, равная 5,27 * 10¹⁸ кг, со­средоточена в относительно тонком приземном слое. Поскольку между различными частями атмосферы существует постоянный обмен веществом и энергией, то результаты взаимо­действия нижних слоев воздушной оболочки с почвой сказыва­ются в той или иной мере на всей атмосфере.

Наиболее разносторонне и постоянно почва взаимодействует с тропосферой, высота которой в разное время года и на разных широтах неодинакова: на полюсах – около 8-10, в умеренных широтах – 9-12, на экваторе – 16-18 км. Воздух в тропосфере не только движется в вертикальном и горизонтальном направле­ниях, но и непрерывно перемешивается. Следовательно, физи­ческие и химические изменения, возникшие в воздушных массах в зоне контакта их с почвенно-растительным покровом, за корот­кое время сказываются на вышележащих слоях (Ковда В.А., 1989).

С точки зрения взаимодействия атмосферы с земной поверх­ностью ее разделяют на нижний пограничный слой и верхний, называемый свободной атмосферой. В пограничном слое проис­ходят суточные изменения метеорологических показателей и дви­жение воздуха в значительной мере зависит от трения о земную поверхность, в том числе о почвенно-растительный покров. В дан­ном слое выделяют нижний приземный слой высотой 50-100 м с ослабленным изменением потоков водяного пара и тепла с высотой.

Почва, вернее почвенная атмосфера как раз является областью, где возможно сохранение древних примитивных организмов, которые остановились в своем развитии. Данное положение нуждается в дальней­шем развитии и при решении проблемы взаимодействия почвы и воздушной оболочки, поскольку выявление и изучение архаич­ных форм жизни, до сих пор сохраняющихся в почве, поможет вскрыть механизм изменения древней атмосферы.3.1. Почва – фактор формирования газового состава атмосферы

Среди атмосферных функций почвы выделяется ее влияние на формирование газового состава атмосферы. Оно обнаруживается в двух главных формах – опосредованном и прямом воздействии почвы на состав атмосферных газов. Первое определяется прежде всего зависимостью функционирования наземных биоценозов, контролирующих многие параметры атмосферы (содержание кис­лорода, СО₂, микрогазов и др.), от свойств почв. Прямое воздей­ствие заключено в самом газообмене между почвой и воздушной оболочкой. Масштабы влияния почвы на газовый состав атмосфе­ры впечатляющи, особенно если рассматривать его в историческом плане

Воз­действие почв и почвообразования на состав атмосферы началось намного раньше возникновения высшей растительности на суше.

При рассмотрении конкретных видов влияния почвы на фор­мирование состава атмосферы отметим, что существуют два отно­сительно самостоятельных аспекта: воздействие почвы на атмосферу в течение истории ее развития и современное влияние почвы на воздушную оболочку (Ковда В.А., 1989).

В настоящее время исследователи полагают, что в истории ат­мосферы выделяются три этапа. Первый приурочен к началу докембрия, когда существовала первичная ат­мосфера и стала формироваться вторичная воздушная оболочка. Первичная атмосфера, по-видимому, образовалась из газово-пылевого облака – источника вещества для построения Солнечной системы. Вторичная атмосфера возникла из газов, попавших в нее в результате дегазации верхней мантии и земной коры. Она состояла в основном из углекислого газа и паров воды, а также небольшого количества азота и водорода (Гиляров М.С., 1985,). Таким образом, говоря об общем значении микроорганизмов в биологизации приповерхностных геосфер Земли и изменении состава ее атмосферы, необходимо подчеркнуть, что большой вклад в указанные процессы микроскопических форм жизни во многом был обусловлен их тесной связью с почвой и педогенными телами (в определенных пространственных интервалах). Есть все основания полагать, что эта связь имеет такой же возраст, как у наиболее древних геологических отложений, испытавших воздейст­вие живого вещества. Поэтому, рассматривая факторы трансфор­мации атмосферы в древний, дофанерозойский этап ее развития, надо включить в число этих факторов не только микроорганизмы, но и почвы (Почва как память…, 2008).

3.2. Почва – регулятор газового состава атмосферы

Современная атмосфера, возникшая в ходе длительного развития Земли, не находится в стабильном состоянии по газовому составу. Несмотря на выровненность соотношения составляющих компо­нентов в различных зонах, атмосфера пребывает в состоянии их непрерывного пространственно-временного изменения, особенно в нижних слоях тропосферы, граничащих с почвенно-растительным покровом. Установлено, что состав тропосферы достаточно сложен и разнообразен (Демкин В.А., 1997). Значительное воздействие на состав атмосферы во многом обусловлено особыми свойствами почвы, определяющими ее влия­ние на воздушную оболочку. Среди этих свойств прежде всего следует отметить пористость почвы: количество пор в ней состав­ляет 10-60% объема. Благодаря расположению почвы на стыке с атмосферой, пористому сложению и активному продуцированию газов почвенной биотой газообмен между воздухом и почвой происходит интенсивно (см. приложение 5).

Приложение 5 Эмиссия предельных углеводородов почвенным покровом планеты в атмосферу (Минько, 1998)

Почва	Площадь, тыс. км2(% от общей площади поч­венного покрова)	Поток углеводородов за ПБА, 10п г
		сн4	с2н6	С3Н
Тундровая зона	6 866,0 (5,2)	3-6	1-3	0,2-0,4
Глеемерзлотные, болотно-мерзлотные, мерзлотно-таежные; кислые и слабокис­лые бореального, умеренного холодного климата; болот­ные и глеетаежные бореаль­ного климата	21 596,0 (16,4)	57-169	9-37	2-13
Нейтральные и слабощелоч­ные суббореального тепло-умеренного климата равнин­ных и горных территорий мира	6 607,7 (5,0)	22—31	11-20	4—7
Тропические и субтропиче­ские леса	25 000,0 (19,0)	-5	~0	~0
Саванные	23 000,0 (17,4)	-10	~0	~0
Возделываемые под культутуру риса	1 400,0 (1,1)	31-55	27-47	3__ 4
Непродуктивные и малопро­дуктивные земли: арктиче­ские и песчаные пустыни, земли населенных пунктов, промышленности, транспор­та и нарушенные человеком	25 000,0 (18,2)	~0	~0	~0
Сумма	108 489,7 (82,3)	98-246	48-107	9,2-24,4

Газообмен почвы и атмосферы, основанный на диффузии, а также конвекции, существенно зависит от разности температур почвы и воздуха, влияния ветра, осадков, уровня грунтовых вод и верховодки. Особенно сильно газообмен зависит от увлажненности почвы, снижаясь по мере ее возрастания. При переходе от сильно увлажненной до водонасыщенной почвы скорость газообмена уменьшается в миллион раз (Ковда В.А., 1989).

Существенное воздействие почвы на состав атмосферы обус­ловлено также сильным различием их газовой фазы. Почвенный воздух по ряду показателей отличается в десятки и сотни раз от атмосферного, несмотря на высокоскоростной взаимообмен с ним. Это связано с тем, что продуцирование и потребление газов почвы осуществляются очень быстро в силу интенсивной дея­тельности почвенной биоты (Базилевич Н.И., 1970). По сравнению с атмосферным поч­венный воздух содержит в 10-100 раз больше углекислоты и во много раз меньше кислорода. Различия по азоту несущественные. Почвенный воздух, кроме того, постоянно содержит пары воды (насыщенность влагой близка к 100%) и ряд микрогазов. В нем также имеются летучие органические соединения, которые хотя и содержатся в небольших количествах, но могут иметь большое значение в балансе веществ из-за быстрого круговорота и сильного физиологического действия этих соединений и органического ве­щества почв в целом.

3.3. Почва – источник и приемник твердого вещества и микроорганизмов атмосферы

Пограничное положение почвы среди приповерхностных гео­сфер Земли определяет многообразие ее взаимодействия с каж­дой из них. Существенным во взаимосвязи почвы с атмосферой оказывается их обмен не только газами, но и тонкодисперсным твердым веществом и микроорганизмами, способными при опре­деленных условиях попадать в воздушную оболочку с почвенной поверхности, а затем, спустя определенное время, вновь возвра­щаться на нее, переместившись, как правило, на изрядное рас­стояние. Главная причина двустороннего движения твердого вещества и микроорганизмов в системе почва-атмосфера заключается в на­личии потоков воздушных масс значительной силы, способных отрывать от горизонтов почв мелкозем (в случае их обнажения) и перемещать его аэральным путем на то или иное расстояние в зависимости от размерности составляющих частиц. Наиболее мелкие частицы способ­ны облетать вокруг Земли (Ковда В.А., 1989).

Попадающие в атмосферу частицы почвенного мелкозема оказы­вают разнообразное воздействие на происходящие в ней процессы. Общая их оценка затруднительна, поскольку она слагается 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.

3.4. Влияние почвы на энергетический режим и влагооборот атмосферы

Воздействие почвенного покрова на тепловой режим атмосферы определяется прежде всего поглощением и от­ражением почвой солнечной радиации, отчего в значительной мере зависит динамика тепла и влаги в нижних слоях атмосферы. В количественном отношении процессы поглощения-отражения солнечной радиации почвами и материнскими породами могут заметно различаться. Обращает на себя внимание то, что почво­образование изменяет отражательную способность породы. На­пример, имеются данные, что исходные бурые суглинки отражают около 18-19% солнечной радиации, распаханные черноземы на тех же породах – 5-7, подзолы – до 30, солончаки – до 35%. Таким образом, по сравнению с четвертичными материнскими почвообразующими породами отражательная способность поч­венного покрова более дифференцированна, поскольку она опре­деляется не только свойствами пород, но и свойствами самих почв, зависящими от их генетических особенностей. Пестрота от­ражательной способности почвенного покрова особенно ощутимо сказывается на динамике энергетических показателей атмосферы в связи с широкой распашкой земель, обнажающей поверхность самих почв (Ковда В.А., 1989).

Роль почв в формировании влагооборота в целом достаточно велика. Почва не только способствует увеличению общего коли­чества водяного пара, поступающего в атмосферу, но и посредст­вом местного круговорота выравнивает процесс водообеспечения ландшафтов. Это имеет немаловажное значение, поскольку влаго­перенос с океана на сушу подвержен частым перебоям и резким колебаниям. В то же время на Земле имеется много неустойчивых экосистем, существование которых тесно зависит от особенностей микроклимата в почвенно-растительном ярусе.