Биокосные системы Земли

Автору много раз приходилось иметь дело с глеем и глеевой обстановкой. Как это часто бывает, особенно запоминаются первые наблюдения. И хотя прошло уже 40 лет, отлично запомнился тот ясный, жаркий летний день. В широкой болотистой долине реки Ромен Черниговской области я вырыл глубокий шурф в средней, «наиболее типичной» (как нас учили) части мохового болота. Под слоем рыхлого торфа залегала синеватая глина, настоящий глей — и по учебнику Глинки, и по мнению местного колхозника. Скоро отвалы сизого глея уже возвышались по краям шурфа, и я приступил к описанию разреза, брал образцы и пробы вод. Когда я обратил внимание на отвалы, то обнаружил, что они стали пестрыми, так как покрылись ржавыми пятнами. Это, несомненно, были свежеосажденные (еще час тому назад они отсутствовали!) гидроокислы трех валентного железа. Очевидно, в сизой глине под торфяным горизонтом развивалась восстановительная среда и железо находилось в растворимой двухвалентной форме (Fe²⁺). Когда глей извлекли на поверхность, он подвергся воздействию кислорода воздуха. В результате начались быстрые окислительные реакции, двухвалентное железо окислилось, и сизая глина стала пестрой. Так, буквально на глазах, совершилась природная химическая реакция, следы которой потом приходилось наблюдать и в пустынях Средней Азии, и в далекой Монголии, и в Подмосковье и на Кавказе. Итак, если в горных породах или почвах встречается пестрая окраска (охристые пятна чередуются с сизыми, зелеными, синеватыми), значит, здесь раньше господствовала глеевая обстановка: не было свободного кислорода, железо находилось в подвижной двухвалентной форме.

Но где же распространены почвы с глеевой средой, насколько типично это явление? Оказывается, в некоторых областях земного шара глеевые процессы наблюдаются на протяжении сотен и даже тысяч километров. Это, прежде всего, заболоченные низменности в районах влажного климата, как, например, великая Западно-Сибирская низменность с ее тундрами, заболоченной тайгой, березовой лесостепью. Это также и заболоченные низменности Амазонии в Южной Америке, и болота подмосковной Мещеры, белорусского Полесья и многие другие районы. Только в горах, степях и пустынях, где болот мало, оглеение встречается реже. Однако в мерзлотной горной тайге Восточной Сибири оглеение не так уж редко. Все это позволяет по особенностям окислительно-восстановительных условий выделить второй ряд почв — с восстановительной глеевой обстановкой.

В глеевых почвах часто содержится растворенное органическое вещество, в том числе различные органические кислоты, которые образуются при неполном окислении растительных остатков. Эти кислоты дают легкорастворимые соединения со многими металлами — железом, марганцем, медью, никелем, кобальтом, цинком, свинцом и т. д. Поэтому глеевая обстановка — это обстановка энергичной миграции многих металлов.

Однако не всегда при заболачивании и отсутствии кислорода в почве образуется глей. Впервые с этим автору пришлось столкнуться в Средней Азии, при изучении болотистого участка на берегу соленого озера в пустыне. Мокрая почва в зарослях тростника имела темный цвет, однако привычного глея не было — при копании шурфа обнаружился черный горизонт, по внешнему виду напоминающий сапожный крем. Сильный запах тухлых яиц говорил о том, что в почве есть сероводород (H₂S). Образование сероводорода в таких почвах было обнаружено давно; микробиологи объяснили его происхождение.

Сильно минерализованные воды соленых болот и солончаков, как правило, богаты сульфатами, т. е. содержат много иона SO₄^2-. В этих условиях в почвах развиваются особые бактерии, способные отнимать кислород у сульфатов и окислять с его помощью органические вещества. Такие бактерии получили наименование сульфатвосстанавливающих (десульфуризирующих), а сам процесс -десульфуризации. Примерная схема процесса следующая:

C₆H₁₂O₆ + 3Na₂SO₄ → 3CO₂ + 3Na₂CO₃ + 3H₂S + 3H₂O + Q кал.

Как видим, органический углерод окислился до CO₂, а сера восстановилась и вместо сульфат-иона, где сера шестивалентна, образовался сероводород, в котором сера двухвалентна. В такой обстановке трехвалентное железо тоже легко восстанавливается до двухвалентного, однако сизого глея не возникает, так как, соединяясь с сероводородом, железо дает нерастворимый, черный, мажущийся колоидный минерал гидротроилит — FeS·nH₂O. Этот минерал и придает горизонту черную окраску.