Лекции для студентов

Курс лекций по “Общей экологии”. Часть 3

Основы почвоведения. Роль почвы в биосферных процессах

Почвы – важнейший компонент биосферы, оказывающий наряду с Мировым океаном решающее влияние на всю глобальную экосистему в целом. Почва является граничным слоем между атмосферой и биосферной частью литосферы. В нем наблюдается не просто смешение живого и неживого компонентов природы, но их взаимодействие в рамках почвенной экосистемы. Главное назначение этой экосистемы — обеспечение круговорота веществ в биосфере.

Жизнь человечества неразрывно связана с землёй. Ведь только на земле могут развиваться растения, дающие людям продукты, корм для животных, сырье для промышленности.

Основы почвоведения

Почвоведение — наука о почве как о природном теле, средстве производства и предмете труда. Почва — основное и незаменимое средство сельскохозяйственного производства. Она снабжает растения водой, элементами минерального питания, от её качества зависят рост, развитие и урожай растений. С другой стороны, сами растения служат пищей для животных и человека. Следовательно, почва играет исключительно важную роль в природе и является условием дальнейшего развития жизни на Земле. Почва — главное средство производства в сельском хозяйстве и пространственный базис размещения и развития всех отраслей народного хозяйства.

Основоположником науки о почве является выдающийся русский ученый В. В. Докучаев. Он дал первое научное определение понятию почвы: «Почвой следует называть «дневные», или наружные, горизонты горных пород, естественно измененные совместным воздействием воды, воздуха и различного рода организмов».

Почва обладает важнейшим свойством — плодородием. Академик В. Р. Вильямс считал, что понятия «почва» и «плодородие почвы» неразделимы. Особое значение в почвообразовании он придавал биологическому фактору.

Под плодородием понимают способность почвы обеспечивать растения в течение всего периода вегетации элементами питания, водой, воздухом и другими факторами жизни для получения максимального урожая.

Обычно под плодородием почв понимают способность производить урожай растений или даже частей растений (например, зерно или корнеплоды). Это крайне сужает представление о почве как компоненте биосферы. Из поля зрения выпадают такие важные аспекты жизни почв и биогеоценозов, как деятельность почвенных животных и микроорганизмов, поддерживание и регулирование кислородное — углекислого равновесия, «санитарная» роль почвы в биосфере, биомасса всех живых организмов, а не только хозяйственно полезных. Все эти и другие аспекты, не оцениваемые при узкоутилитарном подходе к почвам, объединяются понятием «биопродуктивность», которое рассматривается как функция круговорота веществ и трансформации энергии в биогеоценозе в целом..

Роль почвы в биосферных процессах

На поверхности коры выветривания формируется почвенный покров — основа земельного фонда биосферы. Он представляет собой самостоятельную земную оболочку — педосферу.

Почва — особое естественно–историческое природное тело, возникшее на поверхности суши земного шара в результате совокупного воздействия факторов почвообразования: климата, горных пород, растений, животных, микроорганизмов и времени.

Исходя из этого определения, можно охарактеризовать основные функции почвы. В первую очередь это функция почвы в качестве основной среды обитания организмов земной суши, обеспечивающая аккумуляцию в ней биофильных веществ и атмосферной влаги. Ведь с почвой связно 99% всей биомассы Земли и более 92% известных генетически разных видов живых существ. Из этой функции почвы проистекает много важных выводов.

Если человечество желает сохранить все разнообразие живых существ Земли, оно должно в первую очередь озаботиться сохранением почвы. Почвоведы называют почву пленкой жизни, а В. И. Вернадский считал ее « областью сгущения жизни». В настоящее время из-за хищнического или безграмотного отношения к почве идет процесс деградации — «тихий кризис планеты».

Толщина почв в среднем составляет 18 — 20 см, но в некоторых районах суши может колебаться от нескольких сантиметров до 1,5 — 3 метров. Плодородный слой почвы формировался на протяжении тысячелетий вследствие взаимодействия воды, воздуха, тепла, растительных и животных организмов (прежде всего микроорганизмов) с почвообразующей горной породой.

Минеральный состав почвы включает в себя кремнезем (около 50%), глинозем (до 25%), оксиды железа, магния, калия, фосфора, кальция (до 10%). Органические вещества, поступающие в почву с растительным опадом, содержат углеводы, белки, жиры, а также конечные продукты обмена — смолы, воск, дубильные вещества. Под действием различных факторов эти вещества в почве минерализуются, т. е. превращаются в относительно простые неорганические вещества (диоксид углерода, аммиак и др.), а частично трансформируются в более сложные соединения — перегной или гумус.

Почва – связующее звено биологического и геологического круговорота веществ. Почва – это экран, через который происходит обмен веществом и энергией между земной корой, атмосферой и гидросферой суши. Через почву осуществляются циклические процессы круговорота воды на земной суши, процессы трансформации органических и минеральных веществ, поступающих в почву и вновь вовлекаемых в жизненные циклы.

Важнейшим свойством почвы является плодородие — способность обеспечивать растения в период их жизнедеятельности водой, питательными веществами и воздухом. Способствуют этому живые организмы (растения, животные и микробы), связанные с почвой и составляющие вместе с ней сложные экологические системы — биогеоценозы.

В свою очередь педосфера состоит из множества биогеоценозов (экосистем) — ландшафтов, основными взаимосвязанными компонентами которых являются горные породы, растения, животные и микроорганизмы.

Почвы представляют собой не просто твердое тело, как большинство пород литосферы, а сложную трехфазную систему, в которой твердые частицы окружены воздухом и водой. Она пронизана полостями, заполненными смесью газов и водными растворами, и поэтому в ней складываются самые разнообразные условия, благоприятные для жизни множества микро- и макроорганизмов. В почве сглажены температурные колебания по сравнению с приземным слоем воздуха, а наличие грунтовых вод и поступление осадков создают запасы влаги и обеспечивают режим влажности, промежуточный между водной и наземно-воздушной средой.

Одно из важнейших свойств почвы — ее структура, которая обусловлена совокупным действием органических и минеральных почвенных коллоидов, склеивающих элементарные частички почвы и способствующих образованию комочков структурных агрегатов различной формы и величины.

В почве выделяют три основных горизонта, различающихся по морфологическим и химическим свойствам: 1) верхний перегнойно-аккумулятивный горизонт, в котором накапливается и преобразуется органическое вещество и из которого промывными водами часть соединений выносится вниз; 2) горизонт вымывания, или иллювиальный, где оседают и преобразуются вымытые сверху вещества, и материнскую породу, или горизонт, материал которого преобразуется в почву.

Структурные горизонты почв благодаря их рыхлому сложению хорошо осваиваются корневыми системами растений. Эти горизонты обеспечивают их также водой, воздухом и элементами питания.

В почве концентрируются запасы органических и минеральных веществ, поставляемых отмирающей растительностью и остатками животных. Поэтому в ней постоянно обитает огромное количество организмов различных групп. На 1 м² почвы встречается несколько десятков тысяч червей и мелких членистоногих. Кроме них в почве живут разные млекопитающие — мышевидные грызуны, кроты, суслики и т. д. В таком малом количестве почвы, как 1 г ее, содержится сотни миллионов бактерий, многие тысячи простейших.

Обитатели почвы в результате своей жизнедеятельности производят большую почвообразовательную работу. В частности, они смешивают различные ее слои между собой, переносят в глубину почвы органические вещества, разлагают и минерализуют листовой опад, отмершие организмы и т. д. почвенная фауна перерабатывает около 25% вещества лесного опада. В саду на 1 м² находится в среднем 400 дождевых червей общей массой около 80 г, способных отложить за сезон на поверхности почвы до 1 см органических остатков и грунта.

Среди бактерий особо важную роль выполняют нитрифицирующие, к которым относятся нитросомонас, нитробактер и др. в аэробной (кислородосодержащей) среде они окисляют аммиак до солей азотистой (нитриты) и азотной (нитраты) кислот. Напротив, в анаэробных условиях протекает обратный процесс — денитрификация, который связан с восстановлением солей азотной кислоты.

В верхних слоях почвы обитает основное количество организмов, каждый из которых выполняет определенную функцию: дождевые черви, личинки насекомых, клещи разрыхляют почву, способствуют ее аэроции, удобряют ее своими выделениями; бактерии минерализуют органические вещества, выполняя роль санитаров; простейшие уничтожают избыточное количество бактерий.

По целому ряду экологических особенностей почва является средой, промежуточной между водной и наземно-воздушной. С водной средой почву сближают ее температурный режим, пониженное содержание кислорода в почвенном воздухе, насыщенность последнего водяными парами и наличие воды в других формах, присутствие солей и органических веществ в почвенных растворах, а также возможность для обитателей почвы передвигаться в трех измерениях. С воздушной средой почву объединяют прежде всего наличие почвенного воздуха, а также довольно резкие изменения температурного режима поверхностных слоев и угроза иссушения в верхних горизонтах.

Вышеизложенное позволяет сделать вывод, что, несмотря на существенную неоднородность экологических условий в почве, она является достаточно стабильной средой, по крайне мере для относительно подвижных организмов. Последние путем незначительных перемещений способны обеспечивать себе приемлемую экологическую обстановку.

Вся совокупность физических и химических свойств почвы, способных оказывать экологическое воздействие на живые организмы, относится к эдафическим факторам. Они имеют важное значение для тех организмов, жизнь которых тесно связана с почвой. Это относится в первую очередь к животным — постоянным или временным обитателям почвенного покрова. Для растений важность почвы определяется тем, что она является опорой для большинства наземных и водных видов, растительные организмы получают необходимые для жизни минеральные вещества и воду.

Почвенный покров Земли не только питает растения, но и выполняет ряд функций, которые связаны с естественным биогеохимическим круговоротом веществ: минерализация остатков организмов, органических веществ; аккумуляция и распределение энергии, прошедшей через фотосинтез растений; формирование стока речной воды и химического состава суши. Экологическое значение почвы состоит и в том, что она является связующим звеном, своего рода посредником между живой и неживой природой, атмосферным воздухом, водой и недрами. Для человека почва — средство производства, предмет и орудие труда. Возделываемая (пахотная) почва также в определенной степени продукт труда. В сельском хозяйстве почва выступает в качестве основного (главного) средства производства.

Особо следует отметить уникальную особенность почв — способность к самоочищению, т. е. процесс естественного разрушения загрязнителя в почве в результате природных физических, химических и биологических процессов. При этом загрязнитель разлагается до форм, усваиваемых живыми организмами и вовлекаемых далее в биотический круговорот веществ. Оно основано на поглощении и разложении загрязнителей главным образом микроорганизмами и зависит от их количества и физиологических активности. Длительность процесса самоочищения резко меняется в зависимости от географического места, например, на севере оно идет медленно. Способность почвы к самоочищению имеет огромное значение для проживающих в ней организмов и связанных с ними других компонентов биосферы.

Таким образом, почва — гигантская экологическая система, оказывающая наряду с Мировым океаном, решающее влияние на всю биосферу. Она активно участвует в круговороте веществ. И переносе энергии в природе, поддерживает газовый состав атмосферы Земли и выполняет другие функции планетарного масштаба.

ЛЕКЦИЯ 20

Факторы и условия почвообразования; эрозия и деградация почв.

Принципы экологического подхода к оценке и анализу процессов и явлений, происходящих в окружающей среде.