Текст книги "Экология"

В результате перемещения и превращения веществ почва любого типа расчленяется на отдельные слои или горизонты, сочетание которых составляет профиль почвы (рис. 7.22).

Во всех типах почв самый верхний горизонт А₁, который имеет относительно темный цвет, называют гумусовым или перегнойно-аккумулятивным. В нем располагается большая часть корней растений. Избыток или недостаток гумуса определяет плодородие почвы. Мощность гумусового горизонта колеблется в широком интервале от 10–30 до 100–300 мм и более (до 1,5 м).

В верхнем слое почвы пашни в результате регулярной обработки формируется пахотный гумусовый горизонт с ровной, параллельной поверхности границей на глубине 200–250 мм. На лугах и сенокосах верхняя часть гумусового горизонта может плотно переплетаться с корнями живых травянистых растений, образующих дернину. Выше горизонта А₁ иногда находится горизонт А₀, состоящий из разлагающихся растительных остатков: лесной подстилки, степного войлока и т. п.

В лесных почвах под горизонтом А₁ залегает малоплодородный подзолистый[76]76
  Под цвет золы.


[Закрыть] (элювиальный) горизонт имеющий светлый оттенок, непрочную структуру и пылеватое строение. В черноземных, темно-каштановых, каштановых и других типах почв этот горизонт отсутствует. В нечерноземной зоне он зачастую начинается от поверхности. Присутствие горизонта А₂ свидетельствует о том, что верхние слои почвенного профиля бедны элементами питания, имеют кислую реакцию.

Рис. 7.22. Характерный профиль (схематический разрез) почвы

Подзолистый горизонт обладает низким плодородием, ибо кислые растворы, поступающие из верхнего горизонта, выносят из него все металлы (кальций, магний, марганец, железо, алюминий). Остается лишь кварц, имеющий белесую окраску. На пашне подзолистый горизонт может быть разрушен при обработке и вовлечен в пахотный горизонт А_пах.

Из горизонта A (A₀ + A₁ + A₂) часть химических соединений вымывается вниз в горизонт В – горизонт вмывания (иллювиальный). Там поступающее сверху вещество (ил, органическое вещество, железо, другие металлы) накапливается и преобразуется.

Ниже расположен почвенный горизонт С – материнская порода, измененная почвообразующим процессом, под которой залегает горизонт D – исходная горная порода, не затронутая почвообразованием. Материнская порода обычно залегает на глубине более 1 м (если почва не заболочена).

Все горизонты почвы представляют собой смесь минеральных и органических элементов в различных сочетаниях. При избыточной увлажненности почвы ее генетические горизонты модифицируются и превращаются в глеевый, оглеенный или торфяный.

Глеевый горизонт G служит индикатором постоянного или очень длительного переувлажнения и имеет характерную холодную окраску – синеватую, серо-сизую или голубоватую. Он практически не корнеобитаем, постоянно обводнен, в нем отсутствует кислород.

Если горизонт подвергается относительно непродолжительному переувлажнению и сохраняет признаки основного генетического горизонта (например, подзолистого, иллювиального и др.), то он как бы маркируется признаками периодического застоя избыточной влаги. Такой горизонт называется оглеенным и обозначается индексом g совместно с основным индексом горизонта, например Bg. В оглеенных горизонтах плохо развиваются корни растений, сельскохозяйственные культуры подвергаются угнетению и гибнут. Характерным примером может служить почва со следующим чередованием генетических горизонтов: А₁,А₂,В,Bg,G, или гумусовый, подзолистый, иллювиальный, иллювиальный оглеенный, глеевый.

Активное переувлажнение приводит к накоплению в поверхностных горизонтах органических остатков. Если их по массе более 30 %, существуют растительные волокна, также различимы остатки растений-торфообразователей, то формируется торфяный горизонт Т. Нередко мощность слоя торфа достигает 2–4 м, но чаще 1–2 м. Часть торфа, имеющая контакт с воздухом, окрашена в черный цвет, как и осушенная толща торфяных почв. Ниже постоянного уровня грунтовых вод торф имеет желтоватый, бурый или соломистый цвет.

Помимо перечисленных, наиболее распространенных генетических горизонтов, выделяют и иные специфические горизонты, которым характерно, например, повышенное содержание карбонатов (карбонатный горизонт), железа (рудяковый горизонт), извести (известковый горизонт) и др.

В своей классической работе о почвах России в 1870 г. В. В. Докучаев определил главные почвообразующие факторы, а именно: климат, геологические условия (материнскую породу, топографию (рельеф), живые организмы и время (рис. 7.23).

Рис. 7.23. Схема взаимодействия четырех почвообразующих факторов (по Н. Грину, У. Стауту, Д. Тейлору). Влияние времени в схеме не отражено

Физическое и химическое разрушение материнской породы под влиянием климата и в меньшей степени живых организмов называется выветриванием. Основными факторами, вызывающими выветривание, являются вода и температурные колебания, поэтому осадки (дождь и снег) и температурный режим – два главных климатических фактора почвообразования.

Влияние топографии связано с тем, что на различной высоте, при различной крутизне и экспозиции склона условия различны.

Живые организмы образуют органические компоненты почвы (подстилку и гумус). Деятельность почвенных детритофагов зависит от растительности. При прохождении через пищеварительный тракт дождевого червя минеральные и органические компоненты измельчаются и перемешиваются, что улучшает структуру почвы. Ходы детритофагов и мелких позвоночных животных улучшают аэрацию и облегчают рост корней.

Важное значение для образования почвы имеет время. Скорость этого процесса в умеренном климате различна – может потребоваться от нескольких десятилетий (при формировании почвы на вулканическом пепле) до нескольких тысяч лет (на обнаженной поверхности скальных пород).

Почва постоянно развивается и изменяется, вследствие чего существует большое разнообразие ее типов. Тип почвы в конкретной местности имеет большое значение для человека, так как от него зависит урожайность сельскохозяйственных культур. Главнейшими типами почв России являются тундровые, подзолистые почвы таежно-лесной зоны (наиболее распространенные), черноземы, серые лесные почвы, каштановые почвы (к югу и востоку от черноземных), бурые (в сухих степях и полупустынях), красноземы, солончаки.

Плодородие – способность обеспечивать рост и развитие растений. Это важнейшее свойство почвы играет первостепенную роль в жизни человека, но ее уникальная ценность не ограничивается сферой сельскохозяйственного производства.

Почва является главным звеном всех наземных биоценозов и биосферы Земли в целом, а также одним из основных природных ресурсов.

Плодородие обусловлено суммой всех свойств почвы, среди которых особо выделяют поглотительную способность – свойство удерживать питательные вещества в зоне корневых систем. Учение о поглотительной способности почв разработал советский ученый К. К. Гедройц (1933), выделивший несколько типов поглотительной способности почв: механическую, молекулярно-сорбционную, ионно-сорбционную и биологическую.

Совокупность физических и химических свойств почвы, способность экологически воздействовать на живые организмы имеет существенное значение для постоянных или временных обитателей почвенного покрова и прежде всего для животных. Почва представляет собой опорный субстрат для большинства наземных и водных видов растительных организмов, и из нее они получают необходимые для жизни минеральные вещества и воду.

Основные почвообразующие факторы (климат и растительность) распределяются на поверхности нашей планеты в виде поясов или зон, вытянутых более или менее параллельно широтам. В связи с этим почвы располагаются по земной поверхности зонально.

Во все геологические периоды почвенный покров подвергался воздействию естественных сил природы: размыванию, разрушению и созиданию, а в связи с расширением масштабов и интенсификацией хозяйственной деятельности человека это воздействие усиливается.

Сохранение почвенного покрова Земли – необходимое условие обеспечения и поддержания экологического равновесия в биосфере.

Земля представляет собой как бы огромный магнит, воображаемая ось которого лежит близко к оси вращения планеты. Магнитосфера – это зона проявления магнитных свойств космического тела. Геомагнитное поле относится к естественным электромагнитным полям и, как и гравитационное поле, является всепроникающим и всеохватывающим физическим фактором, миллиарды лет влиявшем на эволюцию организмов биосферы и на процессы, происходящие на Земле и в окружающем ее пространстве в наши дни.

Магнитное поле Земли простирается на 70–80 тыс. км по направлению к Солнцу и на многие миллионы километров в противоположном направлении (рис. 7.24).

Магнитосфера оказывает сильное воздействие на движущиеся в космическом пространстве в сторону Земли заряженные электрические частицы (солнечный ветер). Часть этих частиц (электронов и протонов) удерживается магнитосферой, образуя огромное кольцо или радиационный пояс Земли, охватывающий нашу планету вокруг геомагнитного экватора. Магнитосфера отделена от межпланетного пространства магнитопаузой, вдоль которой солнечный ветер обтекает планету.

Заряженные частицы в магнитном поле движутся по-разному, в зависимости от соотношения плотностей магнитной и кинетической энергий. На расстоянии около 10 земных радиусов поток заряженных частиц встречает сильное магнитное поле и под действием силы Лоренца изменяется направление их движения. В целом движение становится колебательным по спиральной траектории вдоль силовых линий магнитного поля из Северного в Южное полушарие и обратно. В зависимости от энергии и величины заряда частицы совершают полный оборот вокруг Земли за время от нескольких минут до суток.

Рис. 7.24. Строение магнитосферы Земли: 1 – магнитопауза; 2 – Земля; 3 – радиационный пояс; 4 – фронт ударной волны; 5 – переходная область; 6 – плоскость геомагнитного экватора

Исследование космоса показывает, что магнетизм Земли – явление уникальное. На Луне и в ее окрестностях не обнаружено усиления магнитного поля по сравнению с окружающим ее пространством. На Марсе и Венере магнитное поле соответственно в тысячи и десятки тысяч раз слабее земного. Юпитер и Сатурн обладают протяженными магнитосферами.

В соответствии с современной теорией существование и форма магнитосферы Земли определяются ее внутренним строением, значительно отличающимся от строения иных планет. В процессе эволюции нашей планеты происходило постепенное изменение (уменьшение) скорости вращения, при этом различные ее слои, имея разную плотность, тормозились по-разному. Проскальзывание менее плотного слоя мантии по более плотному ядру привело к образованию своеобразного природного генератора, создающего с тех пор магнитное поле Земли. Поскольку скорость вращения планеты вначале была большей, то геомагнитное поле тогда было более мощным, чем в наши дни. Так, в пермский период год на Земле имел 380, а в девонский – 430 сут.

Жизнь тесно связана с электромагнитными явлениями и без них невозможна. Считается, что без магнитного поля жизнь на Земле вообще не развивалась бы, так же как без солнечной энергии, воды или некоторых химических элементов. Возникающие время от времени геомагнитные возмущения влияют на физико-химические процессы и через них – на направленность биохимических реакций. Во многих случаях магнитное поле определяет и поведение живых существ. Установлено, что дикие животные избегают линий электропередач высокого напряжения, а олени и серны отказываются есть корм из кормушек, расположенных под ними даже в самые суровые периоды бескормицы. Для человека неблагоприятно резкое изменение характера воздействия магнитного поля, в частности, связанное с быстрым перемещением из одной точки планеты в другую, и особенно если это перемещение происходит с запада на восток.

Изменения в геомагнитном поле обусловлены в основном солнечной активностью. Когда на Солнце происходит вспышка, то в сторону Земли вырывается поток солнечной плазмы. Проникая в магнитосферу, солнечный ветер резко повышает температуру частиц в верхних слоях атмосферы и способствует дополнительной ионизации, меняющей условия распространения радиоволн, возбуждающей свечения (наблюдаемые в виде полярных сияний) и магнитные бури. В годы активного Солнца плотность потока энергии солнечного ветра усиливается, граница радиационного пояса отодвигается и препятствие для космических лучей увеличивается.

Радиационный пояс Земли представляет серьезную опасность для экипажей космических кораблей при длительных полетах в околоземном пространстве, а также выводит из строя оптические приборы и солнечные батареи.

Наряду с закономерным изменением характеристик магнитного поля по земной поверхности имеют место глобальные, региональные и локальные особенности или аномалии, некоторые из которых используют в качестве поисковых признаков полезных ископаемых, прежде всего железной руды.

Развитие науки и техники ведет к появлению разнообразных мощных искусственных электромагнитных полей и значительному локальному нарушению естественного магнитного поля планеты. Наличие глобального влияния антропогенной деятельности на магнитосферу пока не установлено.

7.3. Живое вещество биосферы

Живое вещество – краеугольный камень учения о биосфере В. И. Вернадского, который акцентировал внимание на биогеохимической специфике этого образования следующим образом:

на земной поверхности нет химической силы более постоянно действующей, а потому более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом».

В настоящее время описано около 300 тыс. видов растений и более 1,5 млн видов животных. Из них 93 % представлено сухопутными, а 7 % – водными видами животных. Суммарная биомасса организмов сухопутных видов образована на 99,2 % зелеными растениями (2,4·10¹²т) и на 0,8 % животными и микроорганизмами (0,2·10¹¹т). В океане, напротив, растения составляют 6,3 % (0,2·10⁹ т), а животные и микроорганизмы – 93,7 % (0,3·10¹⁰т) совокупной биомассы. Несмотря на то что океан покрывает более 70 % поверхности планеты, в нем содержится лишь 0,13 % биомассы всех живых существ, обитающих на Земле.

Расчеты специалистов показали, что растения составляют около 21 % всех учтенных видов. Однако на их долю приходится более 99 % биомассы, тогда как на долю животных – менее 1 % биомассы. Среди животных 96 % видов составляют беспозвоночные и только 4 % – позвоночные, среди которых млекопитающие составляют примерно 10 %. Эти соотношения иллюстрируют фундаментальную закономерность, а именно – в биосфере количественно преобладают формы, имеющие низкое качество развития (достигшие в процессе эволюции относительно низких степеней морфофизиологического прогресса).

Живое вещество характеризуется определенными свойствами – это:

 стремление заполнить собой все окружающее пространство – «давление жизни» по Н. Ф. Реймерсу. Способность быстрого освоения пространства связана как с интенсивным размножением (некоторые простейшие формы организмов могли бы освоить весь земной шар за несколько часов или дней при отсутствии факторов, ограничивающих их потенциальные возможности размножения), так и со способностью организмов интенсивно увеличивать поверхность своего тела или образуемых ими сообществ. Так, площадь листьев растений на 1 га составляет 8—10 га и более;

 возможность произвольного перемещения в пространстве, например, против течения воды, силы тяжести, ветра и т. п.;

 наличие специфических химических соединений (белков, ферментов и др.), устойчивых при жизни и быстро разлагающихся после смерти;

 исключительное разнообразие форм, размеров, составов, а также высокая способность адаптироваться к условиям существования, значительно превышающие диапазон изменений в неживом (косном) веществе. Так, некоторые организмы существуют при температурах, близких к абсолютному нулю (-273 °C), а другие – до +250 °C, иные микроорганизмы встречаются в охлаждающих водах атомного реактора, в ледовых панцирях планеты, в бескислородной среде и т. д.;

 феноменально высокая скорость протекания реакций на несколько порядков (в сотни, тысячи и даже миллионы раз) быстрее, чем в неживой природе планеты. Косвенно это свойство можно оценить по скорости переработки веществ организмами в процессе жизнедеятельности, например, у наиболее активных организмов – грунтоедов. Так, весь однометровый слой почвы планеты проходит через организмы дождевых червей (масса которых в 10 раз больше массы всего человечества) всего за 150–200 лет. Организмы с фильтрационным типом питания проводят колоссальную работу, очищая весь океан от взвеси каждые четыре года, а веслоногий рачок – эпишура за год процеживает воду озера Байкал трижды;

 высокая скорость обновления живого вещества – для биосферы в среднем она составляет 8 лет, причем для суши – 14 лет, а для океана, где преобладают организмы с коротким сроком жизни (например, планктон), – 33 дня. Таким образом, за всю историю существования жизни общая масса живого вещества, прошедшего через биосферу, примерно в 12 раз превышает массу Земли.

Деятельность живого вещества в биосфере в определенной степени условно можно свести к нескольким основополагающим функциям, дополняющим представление о его преобразующей биосферно-геологической деятельности. В. И. Вернадский выделял девять функций: газовую, кислородную, окислительную, кальциевую, восстановительную, концентрационную и др. Позже классификация была несколько видоизменена (часть функций объединена, часть переименована). Наиболее современной является классификация А. В. Лапо, по которой выделяют следующие функции: энергетическую; газовую; окислительно-восстановительную; концентрационную; деструктивную; транспортную; средообразующую; рассеивающую.

Свойства живого вещества определяются большой концентрацией (большими запасами) энергии в нем.

При всем разнообразии живое вещество физико-химически едино, имеет одни и те же эволюционные корни. В природе нет такого вида, который бы реагировал на некое химическое или физическое воздействие качественно иначе, чем организмы других видов.[77]77
  Стратегия химической борьбы с «вредителями» изначально основывалась на неверных исходных рассуждениях. Нет и не может быть пестицида, гибельного для вредителей полей и безвредного для человека. Поэтому с самого начала следовало искать быстро разлагающиеся ядохимикаты, которые бы не попадали в пищу человека и вообще минимально контактировали с людьми.


[Закрыть]

Существует лишь количественная разница, например, в чувствительности организмов к у-излучению (табл. 7.13).

Таблица 7.13

Величина поглощенной дозы γ-излучения, при которой через 30 дней погибает 50 % организмов*

* Приведенные значения являются в определенной мере завышенными. Например, доза в 2 Гр убивает эмбрионы многих насекомых, доза в 50 Гр приводит к полному бесплодию этих животных, и только с 1000 Гр поглощенная доза становится смертельной для взрослых особей.

** Поглощенная доза ионизирующего излучения – это отношение средней энергии, переданной излучением веществу, находящемуся в элементарном объеме, к массе вещества в этом объеме. Единица измерения в системе СИ – грей (Гр); 1 Гр = Дж/кг.

Закон физико-химического единства живого вещества имеет важное практическое значение для человека. Из него следует:

 нет такого физического или химического агента (абиотического фактора), который был бы гибелен для одних организмов и абсолютно безвреден для других. Разница лишь количественная – одни организмы более чувствительны, другие менее, одни в ходе отбора быстрее приспосабливаются, а другие медленнее (приспособление идет в ходе естественного отбора, т. е. за счет тех, что не смогли адаптироваться к новым условиям);

 количество живого вещества биосферы в пределах рассматриваемого геологического периода есть константа – таков закон константности количества живого вещества В. И. Вернадского. И действительно, согласно закону биогенной миграции атомов, живое вещество является посредником между Солнцем и Землей. Если бы количество живого вещества колебалось, то энергетическое состояние планеты было бы непостоянно. Такое за время эволюции жизни на Земле случалось, но очень редко;

 общее видовое разнообразие в биосфере (при отсутствии антропогенного вмешательства) есть константа – число нарождающихся видов в среднем равно числу вымирающих. Процесс вымирания видов был неизбежен из-за изменения условий жизни на планете. Причем вид никогда не исчезает в одиночку, он «тянет за собой» еще порядка 10 других видов, уходящих вместе с ним. На их место, согласно правилам экологического дублирования, приходят другие виды, особенно в управляющем звене экосистем – среди консументов. Поэтому во все геологические периоды массового вымирания организмов наблюдалось и бурное видообразование.