Текст книги "Почвенные ресурсы"

Глава 8
Экологические функции почв

На рубеже 2–3 тыс. н. э. в мышлении человека и его практической деятельности происходит смена парадигмы – экономические приоритеты заменяются экологическими. Тоже происходит и в науке о почве. Господствовавшее весь XX в. сельскохозяйственное направление в почвоведении все больше заменяется экологическим. Сельскохозяйственное (экономическое) направление требует от почвоведения достижений, ведущих к росту сельскохозяйственной продукции, экологическое – направлено на сохранение способности почвы выполнять свои экологические функции, без чего невозможно стабильное существование биосферы и человека. Именно от того, сможет ли человечество в ближайшее время добиться разумного сочетания экономических и экологических интересов, зависит его будущее. Такое же разумное сочетание приоритетов необходимо выработать почвоведам относительно использования почвы.

Почва является неотъемлемой частью любого наземного биогеоценоза и биосферы в целом. При этом она выполняет ряд экологических функций, в том числе глобальных биосферных, обеспечивающих стабильность биосферы и саму возможность существования жизни на Земле. Кроме того, по отношению непосредственно к человеку почва осуществляет еще одну функцию – сельскохозяйственную. Она является главным средством сельскохозяйственного производства. В основе и экологических, и сельскохозяйственных функций почвы лежит ее важнейшее свойство – плодородие.

По Г.В. Добровольскому и Е.Д. Никитину (1986), экологические функции почвы можно разделить на две большие группы: эко системные (биогеоценотические) функции почвы и глобальные (биосферные) функции почвенного покрова.

Почва, будучи составной частью любого наземного биогеоценоза, выполняет ряд биогеоценотических функций (рис. 8.1).

Рассмотрим основные экосистемные функции почвы, а также влияние на них различного рода деградационных процессов.

1. Функции почвы, обусловленные физическими свойствами: жизненное пространство; жилище и убежище; механическая опора; депо семян и других зачатков.

В рассматриваемом аспекте наиболее важными являются такие физические свойства почвы, как структура, плотность, влагоемкость, водопроницаемость, температура, теплопроводность и пр. При деградации почвы физические свойства почв в большинстве случаев изменяются в последнюю очередь.

Многочисленные данные свидетельствуют, что при различного рода деградационных процессах ухудшается структура почвы, увеличивается плотность, уменьшается общая порозность, снижается водопроницаемость, ухудшается водно-воздушный режим почв. В результате деградации усиливаются процессы эрозии и дефляции почвы. В последнем случае наблюдается разрушение почвы, которое делает невозможным выполнение ею не только группы функций, связанной с физическими свойствами, но и любых других ее функций.

Рис. 8.1. Экосистемные (биогеоценотические) функции почвы (Е.Д. Никитин, 1999)

2. Функции почвы, связанные преимущественно с ее химическими, физико-химическими и биохимическими свойствами: источник элементов питания; депо влаги, элементов питания и энергии; сорбция веществ, поступающих из атмосферы и с грунтовыми водами; сорбция микроорганизмов; стимулятор и ингибитор биохимических и других процессов.

Выполнение перечисленных функций зависит от таких свойств почвы, как содержание и запасы гумуса и элементов минерального питания, влагоемкость, щелочно-кислотные и окислительно-восстановительные условия, активность ферментов и т. д. Изменение указанных свойств происходит уже при менее значительном антропогенном воздействии на почву

Большинство деградационных процессов ведет к снижению содержания и запасов гумуса в почве, возможны и изменения его качественного состава. Как правило, тормозятся процессы азот-фиксации, аммонификации, нитрификации и минерализации. Это приводит к снижению содержания в почве доступных растениям форм азота, фосфора и других элементов питания. Происходит ухудшение питательного режима почвы. Очень часто изменяется реакция среды (pH). В одних случаях увеличивается кислотность почвы, например при вторичном подкислении, в других – происходит подщелачивание, к примеру при осолонцевании. Изменение окислительно-восстановительного потенциала почвы в основном зависит от степени изменения щелочнокислотных условий. Деградация почв практически всегда ведет к снижению ее ферментативной активности.

3. Информационная группа функций почвы, сигнал для ряда сезонных и других биологических процессов; регуляция численности, состава и структуры биоценозов; пусковой механизм некоторых сукцессий; «память» биогеоценоза.

По сравнению с вещественной и энергетической сторонами природных процессов и явлений информационный аспект исследуется относительно недавно. Отчасти именно поэтому сведения о влиянии антропогенных воздействий на данную группу экологических функций почвы практически отсутствуют. Однако эти характеристики оказываются особенно чувствительными и первыми подвергаются изменению.

Наиболее хорошо изучены вопросы изменения численности, состава и структуры биоценозов. По имеющимся данным, любое антропогенное воздействие может оказать значительное влияние на общую численность, видовой состав и активность почвенной микробиоты. В зависимости от характера воздействия численность почвенных микроорганизмов может снижаться, не изменяться и даже увеличиваться. Более однозначными являются изменения состава и структуры комплекса почвенных микроорганизмов. В большинстве случаев наблюдается снижение видового разнообразия. Учитывая глобальный характер деградации почв, сужение видового разнообразия атропогенно измененных экосистем представляет собой очень опасную тенденцию, тем более что проявляется она уже при незначительной степени воздействия.

4. Целостные биогеоценотические функции почвы: аккумуляция и трансформация веществ и энергии, находящихся в биогеоценозе или поступающих в него; санитарная функция; буферный и защитный биогеоценотический экран; условия существования и эволюции организмов.

Выполнение почвой этой группы функций зависит от всех ее свойств. На примере данной группы функций наиболее отчетливо прослеживаются обратные связи между влиянием антропогенного фактора и способностью почвы выполнять свои экологические функции. С одной стороны, именно указанные функции призваны предотвращать негативные последствия, например загрязнение почв, с другой стороны, когда свойства почвы, определяющие эти функции, не выдерживают антропогенного пресса и происходит срыв в их работе, тогда и возникают нарушения в функционировании почвы и всей экосистемы. Именно под устойчивостью данных функций должна пониматься устойчивость почвы к деградационным процессам. Ухудшение целостных функций почвы, как правило, происходит одновременно с ухудшением группы химических, физикохимических и биохимических функций почвы.

Об антропогенном влиянии на группу целостных биогеоценотических свойств почвы можно судить по показателям фитотоксичности почвы, урожайности и качеству урожая. Деградирующим почвам характерно усиление фитотоксических свойств, снижение урожайности и качества сельскохозяйственной продукции.

Почвенный покров, являясь неотъемлемым компонентом биосферы, выполняет ряд биосферных функций (табл. 8.1).

Таблица 8.1.

Глобальные функции почв (педосферы) (Г.В. Добровольский, Е.Д. Никитин, 1986)

1. Среда обитания, аккумулятор и источник вещества и энергии для организмов суши.

Деградировавшая по различного рода причинам почва малопригодна или вовсе непригодна для обитания большинства живых организмов. Даже если почва не становится безжизненной, то формирующиеся на ней биоценозы отличаются малым объемом биомассы, низкой скоростью биологических процессов, узким видовым составом (биоразнообразием), слабой устойчивостью и т. д.

2. Сопряжение большого геологического и малого биологического круговоротов веществ на земной поверхности.

Следствием снижения интенсивности биологических процессов является ослабление биологического круговорота веществ и усиление геологического. Это выражается в развитии эрозии почв, усилении процессов денудации суши, приводит к удалению с поверхности суши биофильных элементов.

3. Регулирование химического состава атмосферы и гидросферы.

В деградирующей почве происходит изменение биогеохимических и геохимических процессов, что отражается на направленности трансформации и миграции веществ между почвой, атмосферой и гидросферой. Например, ослабление интенсивности почвенного «дыхания» снижает поглощение почвой кислорода и выделение в атмосферу углекислого газа.

4. Защитный барьер биосферы.

Почва в большей степени, чем другие компоненты биосферы, закрепляет в себе («хоронит», нейтрализует) значительную часть загрязняющих биосферу веществ, тем самым предотвращая их поступление в живое вещество. При загрязнении буферные (защитные) свойства почвы снижаются.

5. Обеспечение существования жизни на Земле.

Венцом всех охарактеризованных экологических функций почвы выступает ее плодородие, обеспечивающее возможность существования жизни на континентах в современной форме, а также жизнь и хозяйственную деятельность человека. Негативное антропогенное воздействие снижает почвенное плодородие, продуктивность и устойчивость экосистем, количество и качество сельскохозяйственной продукции, ухудшает здоровье и качество жизни населения, сокращает продолжительность жизни.

Нарушение общебиосферных функций, выполняемых почвой, в результате целого комплекса причин в настоящее время принимает планетарный характер. Этот процесс вносит свою отрицательную лепту в развитие глобального экологического кризиса и создает угрозу стабильного существования биосферы.

Почва является незаменимым исчерпаемым относительно возобновимым природным ресурсом. По принципу заменимости она относится к незаменимым природным ресурсам, поскольку ни сегодня, ни в обозримом будущем нет другого природного ресурса, который мог бы заменить почву в полной мере в качестве средства сельскохозяйственного производства. По принципу исчерпаемости и возобновимости почва относится к исчерпаемым относительно возобновимым природным ресурсам. Исчерпаема она потому, что ее количество ограничено, абсолютно и относительно наших потребностей и сроков существования. Возобновимой она оказывается потому, что по мере использования почвенные ресурсы постоянно восстанавливаются, относительно возобновимой – так как период восстановления достаточно велик.

Для сохранения способности к восстановлению возобновимых природных ресурсов, в том числе почвы, необходимы определенные условия, нарушение которых замедляет или вовсе прекращает процесс восстановления. Темпы расходования возобновимых природных ресурсов должны соответствовать темпам их восстановления. Охрана возобновимых природных ресурсов должна осуществляться путем рационального их использования и расширенного воспроизводства.

Однако правила рационального использования почвенных ресурсов соблюдаются далеко не всегда, и в итоге почва теряет свое плодородие.

Следствием снижения почвенного плодородия в результате различных деградационных процессов является падение продуктивности как естественных, так и агрокультурных ландшафтов. Это сокращает продовольственные ресурсы биосферы и усиливает дефицит продовольствия.

Часть II
Образование почв

Глава 9
Факторы почвообразования

В результате неравномерности поступления солнечной радиации от экватора в сторону южного и северного полюсов происходят закономерные, хотя и не вполне последовательные, изменения температуры и количества выпадающих осадков. Непоследовательность широтных изменений определяется различиями в геоморфологии континентов, удаленностью или близостью территории от океана, высотой местности над уровнем моря и другими факторами.

Из всего многообразия климатических и погодных показаний, которыми оперирует метеорология как наука, почвоведы прежде всего используют данные температуры, выражаемые в градусах Цельсия (°С), и атмосферных осадков – в миллиметрах слоя воды, выпадающих на поверхность конкретной территории.

Температурные показатели климата анализируются в их временном конкретно усредненном или экстремальном выражении: годовая, сезонная, теплого или холодного месяца, абсолютный минимум или максимум, температурная контрастность и континентальность и т. д.

В формировании климата важнейшим процессом является поступление солнечной радиации в атмосферу Земли и на ее поверхность. Этот процесс имеет четко зональный характер, так как количество достигающей земной поверхности радиации зависит от угла падения лучей, т. е. от широты местности, а также от альбедо – отражающей способности поверхности.

Наиболее объективной, удобной мерой потенциальной биологической и агрономической оценки термического режима территории являются величины суммы активных годовых температур выше 10 °C. Постоянная среднесуточная температура 10 °C во внетропических условиях считается биологическим началом весны, расцвета жизненных процессов. Отметим здесь же биологическое начало и конец лета – последний и первый заморозки.

По годовой сумме среднесуточных температур выше 10 °C сушу Земли разделяют на биоклиматические пояса (табл. 9.1).

Таблица 9.1.

Биоклиматические пояса Земли

Важнейшими показателями генезиса, плодородия и классификации почв всегда были их температурные условия, такие как глубина промерзания почвы, длительность мерзлотного покоя, средние температуры холодного и теплого периодов и др.

Энергетическое воздействие на почвообразование притока солнечной энергии оказывает не только непосредственное воздействие через температурные условия, но и опосредованно через накопление энергии солнечных лучей путем фотосинтеза зеленых растений в многообразной гамме органических веществ. Затем энергетическая компонента климатических условий консервируется в гумусовом веществе почвенного покрова Земли и обеспечивает регулярность протекания многих явлений почвообразования и плодородия почв.

Атмосферные осадки. Количество выпадающих осадков во всех странах выражается в миллиметрах (мм): 1 мм эквивалентен 10 м³ воды на 1 га. Среднегодовое количество осадков (мм) варьирует следующим образом: пустыни – 20-50-100; засушливый климат – 300–400; леса умеренно холодные -500-800; леса влажные субтропические – 1500–2500; леса влажные тропические – 7000-10 000; абсолютный максимум наблюдается в дельтах Ганга и Брахмапутры около 14 000.

Количество выпадающих осадков не всегда свидетельствует об уровне увлажнения территорий. Важны температурные условия. Например, в тундре выпадает 200–300 мм, а ландшафты переувлажненные, а в юго-восточных районах Ростовской области – 300–360 мм, но это уже сухая степь. Поэтому используются различные коэффициенты, учитывающие температурные условия. Наиболее распространенным является коэффициент увлажнения по Иванову (К):

К = А/В,

где А – количество выпадающих осадков; В – расход влаги на испарение и транспирацию (эвапотранспирация).

Приняты следующие градации фаций по увлажнению: супер-гумидная – 1,5-2-3; гумидная – 1,2–1,5; нормальная – 1,0; семиаридная – 0,7–0,5; аридная – 0,5–0,3; экстрааридная – 0,2–0,1.

По классификации компонентов биосферы В.И. Вернадского, почвы относятся к биокосному веществу – природным образованиям, представляющим собой результат совместной деятельности живых организмов и геологических процессов.

В почвообразовании участвуют три группы организмов: растения, животные и микроорганизмы, образующие сложные биоценозы. В результате их непосредственного воздействия на почву, а также воздействия продуктов жизнедеятельности осуществляются все важнейшие слагаемые почвообразовательного процесса.

Роль организмов как фактора почвообразования заключается в том, что они осуществляют следующие процессы: синтез и разрушение органического вещества, избирательную концентрацию биогенных элементов, разрушение и новообразование минералов, миграцию и аккумуляцию веществ и др. В результате именно организмы определяют формирование важнейшего свойства почвы – плодородия.

Круговорот веществ в экосистемах, осуществляемый при участии живых организмов, называется биологическим круговоротом. При этом химические элементы из почвы, воды и атмосферы поступают в живые организмы, образуют в них новые сложные соединения и вновь возвращаются в почву, воду и атмосферу в процессе жизнедеятельности живых организмов или после их смерти.

Основные показатели биологического круговорота веществ следующие.

Биомасса – масса организмов определенной группы или сообщества в целом. Фитомасса – общее количество живого органического вещества в надземной и подземной частях растительного сообщества.

Продуктивность – прирост биомассы, созданной за единицу времени. Различают первичную продукцию (биомасса, созданная за единицу времени продуцентами) и вторичную (биомасса, созданная за единицу времени консументами).

Мертвое органическое вещество – количество органического вещества в отмерших, но не упавших на почву, растениях, торфе, лесной подстилке, степном войлоке и др.

Годичный прирост – количество органического вещества, образовавшегося за год в надземной и подземной частях растительного сообщества.

Опад – количество органического вещества, отмершего за год.

Интенсивность разложения органического вещества – отношение подстилки к опаду зеленой части.

Зольность – содержание зольных элементов в растениях (%).

Наибольшее накопление органического вещества происходит в деревянистых растительных формациях. В бореальном и суббореальном климате биомасса лесов – 1–4 тыс. ц/га. Еще большая масса органического вещества образуется во влажных тропических лесах – более 5 тыс. ц/га. Травянистые растительные формации характеризуются несравненно меньшей биомассой: даже в высокотравных тропических саваннах биомасса не достигает масштабов северотаежных лесов. Невелика биомасса тундровой и сухо степной растительности. Следует отметить, что большая часть биомассы лесов сосредоточена над землей. В травянистых формациях и пустынях основная часть биомассы заключена в почве (60–85 %).

Мертвое органическое вещество в современных фитоценозах представлено на поверхности почвы, в лесной подстилке и степном войлоке, а также в отмерших корневых системах. Значительная его масса сосредоточена в залежах торфа.

Мертвого органического вещества в 4 раза больше, чем живого, а при учете органического вещества древних биосфер – в 15 раз больше. В современной биосфере 80 % мертвого органического вещества сосредоточено в полярном и бореальном поясах, наименее – в тропическом. Это связано с усилением от полюсов к экватору интенсивности процессов минерализации органического вещества, биологической активности биоценозов.

Величина годового прироста в травянистых формациях в ряде случаев выше, чем прирост в лесах, несмотря на столь большую разницу в количестве биомассы лесных и травянистых сообществ. Небольшим приростом характеризуются сухие степи, пустыни, тундра.

Величина опада у нормально развивающихся сообществ не может превышать величину их прироста. В травянистых формациях величина опада равна величине прироста, а у лесных сообществ опад меньше прироста. Нет прямой связи между величиной опада и биомассой. Лесные формации с огромной биомассой имеют опад часто меньше, чем травянистые.

Не вся масса органического вещества, составляющая годовой опад, подвергается преобразованию. Об интенсивности кругооборота можно судить по величине неразложившегося органического вещества, сохраняющегося на поверхности почвы. Так, в тайге количество мертвого органического вещества в 6-20 раз больше опада, в широколиственном лесу – в два раза больше, в степи – примерно одинакова, а во влажных тропиках опад разлагается в считанные недели.

Об интенсивности обращения химических элементов или интенсивности биологического круговорота веществ судят по отношению массы мертвого надземного органического вещества (лесная подстилка, степной войлок) к ежегодному опаду.

Несмотря на громадную биомассу и соответственно массу опада, способность тропического леса разлагать органическое вещество в десятки раз превышает его поступление.

Неоднороден химический состав биомассы различных биоценозов. Тайга – это обилие клетчатки, дубильных веществ, смол, незначительная зольность, мало белковых соединений. В лиственных лесах зольность увеличивается, несколько повышается количество белков, меньше – углеводов. В травянистых формациях резко увеличивается содержание белков, зольность опада. И особенно возрастает белковое содержание в растительных остатках у пустынных растительных формаций.

Функционирование и географическое распределение зооценозов на суше в решающей степени определяются свойствами растительного покрова. Зеленые растения (продуценты) лежат в основе всего экологического разнообразия животных. Видовое разнообразие консументов, их численность и биомасса зависят от следующих свойств фитоценозов: объем, масса продуцируемого органического вещества, способность удовлетворять пищевые потребности растительноядных животных; особенности химического состава или пищевая ценность растительного материала.

С учетом этих экологических особенностей на Земле можно выделить два основных растительных сообщества – деревянистое и травянистое. Леса, несмотря на обилие биомассы, значительную долю органического вещества накапливают в непоедаемой животными части растений. В травянистых же сообществах в естественных условиях весь годичный прирост и его полное поедание животными служило основой нормального функционирования биогеоценоза. Численность же травоядных регулировалась годовым объемом произрастающих растений. В современных степных заповедниках для более или менее приближенного к естественным условиям существования биогеоценоза роль травоядных частично заменяют систематическими укосами.

Различен и пищевой состав деревянистых и травянистых растений. Травы отличаются большим содержанием протеинов и зольных элементов, т. е. большей пищевой ценностью, чем деревья.

Таким образом, травянистая растительность является более благодатной основой для обитания животных. Их видовой состав и биомасса во многом определяются продуктивностью травянистых сообществ, которая зависит от климатических условий.

Совершая вертикальные миграции в почве, животные заносят растительные остатки в глубокие горизонты и перемешивают органические и минеральные частицы. Передвижения животных способствуют улучшению условий аэрации почвы, что, в свою очередь, стимулирует аэробные процессы разложения органических остатков.

Беспозвоночные играют важную роль в разложении и минерализации остатков позвоночных животных. Большинство микроорганизмов почвы относятся к редуцентам, осуществляющим минерализацию органических веществ, замыкая биологический круговорот веществ. При анализе биомассы микроорганизмов учитывают бактерии, актиномицеты, грибы, водоросли. Жизненный цикл у них короткий. Усваивая из окружающей среды необходимые элементы для построения своих тел, микроорганизмы вскоре отмирают и разлагаются. Этим обусловливается быстрое обращение элементов в биологическом круговороте. Актуальная масса микроорганизмов невелика. Однако при учете продуктивности микробной массы она равна либо превышает фитомассу в 1,5–2,0 раза. Например, в черноземах микробная масса достигает 20–50 т/га/г.