Книга: Шагреневая кожа Земли: Биосфера-почва-человек

Заботливая мать биогеоценозов

Заботливая мать биогеоценозов

Когда у нас появляется возможность выбраться, а вернее, вырваться на природу, спасаясь от назойливых городских забот, мы предаемся блаженству общения с прекрасным, созерцая полевые цветы и раскидистые кроны деревьев, вкушая пряный аромат трав, наслаждаясь симфонией звуков живой природы. При этом даже мысль в голову не приходит отвесить низкий поклон почве, дарующей жизнь и кормящей нас, как заботливая мать. Это и понятно. Такой вежливости нас не обучили, а с настоящим вкладом почвы в жизнь сообществ растений и животных не ознакомили. Постараемся хотя бы частично заполнить данный пробел. Для этого осветим сначала почвенные биогеоценотические функции, разумея под ними участие почвы в жизни элементарных единиц биосферы — биогеоценозов, представляющих собой единство живых организмов и среды их обитания на небольших однородных территориях.

Прежде всего отметим функции почвы, обусловленные ее физическими свойствами. Почва — жизненное пространство, пригодное для вполне комфортного существования различных групп наземных организмов. С почвой теснейшим образом связано подавляющее большинство растений, значительная часть тела которых (корневая система) размещена в земле. Установленно, что вещество корней составляет от 20 до 90 % общей биомассы растений. В весовых единицах это весьма внушительная величина. Так, во влажных тропических лесах корневая масса превышает 1 тыс. ц/га. В хвойных и лиственных лесах она составляет 800 ц/га, в степях — 250, в арктических тундрах — 80 и даже в пустынях — 30 ц/га. Важно отметить, что больше всего растения «спрятаны» в почву в тундре и сухой степи, где корни составляют 70–90 % общей растительной массы. Это говорит о том, что в экстремальных условиях (при недостатке тепла и влаги) растения стремятся разместиться в основном в почвенном слое, отличающемся большей стабильностью микроклимата.

Активно используют почву как среду жизни различные микроорганизмы. При этом содержание микробных клеток в 1 г почвенного мелкозема зачастую выражается поистине астрономической величиной и может превышать 25 млрд.

Всесторонне используют почву как среду обитания и животные. Из беспозвоночных в почве живут простейшие, плоские и круглые, а также кольчатые черви, моллюски, тихоходки, членистоногие и др. Среди почвенных позвоночных имеются представители амфибий, рептилий, млекопитающих и даже рыб.

Необходимо обратить внимание на то, что более 90 % зоомассы экосистем суши сосредоточено в почве, так как хотя наземные животные, как правило, и превосходят по весу обитателей почвы, но они гораздо реже встречаются и потому сильно уступают по общей массе. Вообще, это не единственный случай, когда мелкие организмы в совокупности заметно превосходят по тому или иному показателю значительно более крупные. Еще Линней подсчитал, что в тропиках потомство трех мух может съесть труп лошади быстрее, чем лев.

Почва выполняет также функцию жилища и убежища для многих животных, сооружающих в ней свои подземные квартиры. Наиболее яркие представители — грызуны: обыкновенная полевка, малый и желтый суслик, сурок, хомяк и др. Норы грызунов нередко имеют сложное устройство и значительные размеры. У серого сурка они могут простираться в длину на 15–20 м и в некоторых случаях проникать вниз на глубину до 8 м. Жилища обитателей почвы не лишены комфорта. Например, бурундук устраивает себе многокомнатную уютную квартиру, где, кроме камеры для гнезда, имеются кладовые для запасов и уборные. Основное жилище зверек выстилает сухой травой, заботится о нем, ибо здесь он ночует, впадает в зимнюю спячку, выводит свое потомство. Норы и ходы грызунов могут располагаться очень густо. Так, площадь ходов, которые делают кроты в лесных почвах, порой достигает 1/3 площади лесов.

Строят жилища в почве и многие беспозвоночные. Свои гнезда сооружают здесь роющие осы. Сложные постройки делают термиты, у которых гнездо может уходить на глубину до 12 м. Используют почву в качестве жилища муравьи.

В отношении плотности застройки почва — это особое, по выражению В.В. Докучаева, царство природы, которое может не уступать современным густонаселенным городам. Очень важно знать те требования, которые предъявляют подземные жители к почве как к жилищу, для того чтобы более глубоко понять ее экологию и избежать неприятностей при ее хозяйственном освоении, В качестве примера можно указать на случаи массового размножения грызунов в антропогенно измененных ландшафтах, а именно — сусликов в Беларуси, Эти животные были выпущены в районах, где они никогда не обитали. Животные прижились, быстро размножились и вскоре стали серьезными вредителями сельского хозяйства, В результате потребовались дорогостоящие мероприятия по истреблению расплодившихся грызунов.

Нежелательные явления могут возникнуть при постройке гидротехнических сооружений. Так, затопление подземных жилищ грызунов при строительстве каналов и водохранилищ может вызвать массовые миграции зверьков.

Представляет интерес и опорная функция почвы, благодаря которой растения сохраняют вертикальное положение, противодействуя силе тяжести и ветру. Если эта функция почвы недостаточна, растения начинают испытывать трудности в закреплении своих корневых систем. Например, в районах распространения вечной мерзлоты нередко растет так называемый «пьяный лес», где многие деревья сильно наклонены, изогнуты или повалены из-за слабой связности почвенного мелкозема.

Немаловажное значение имеет и функция почвы как резерва (депо) семян и других зачатков. Изучение данной функции помогает понять некоторые на первый взгляд странные явления в жизни сухопутных организмов. Так, известно, что многие вырубки быстро зарастают, несмотря на отсутствие значительного привноса семян со стороны, причем появляются растения, казалось бы, нехарактерные для данного участка. Этот парадокс объясняется тем, что в почве существует запас семян различных растений, которые могут сохранять всхожесть десятилетиями и в случае подходящих условий активно прорастать.

Выделяется также группа функций почвы, связанных с ее химическими и биохимическими свойствами. В этой группе основной является функция почвы как источника питательных элементов и соединений, изучению которой посвящено наибольшее число работ.

Хотя часть влаги и элементов питания растения получают воздушным путем, именно почва оказывается для них главным источником пищи; Кроме воды, они получают из почвы азот, фосфор, калий, кальций, магний, серу, железо, марганец, медь, молибден и другие необходимые элементы питания. Поэтому знание закономерностей поглощения растениями химических элементов — важное условие разработки передовых систем земледелия, обеспечивающих высокие урожаи.

В полноценном почвенном питании растений существуют определенные ограничения. Растения не в состоянии использовать из почвы все формы питательных элементов. Основным рационом оказываются элементы, находящиеся в растворенном или обменном состоянии в виде ионов, хотя в некоторых опытах и отмечалось усвоение корнями сложных соединений: аминокислот, антибиотиков и др. Поэтому далеко не все почвы, богатые валовыми запасами питательных элементов, в состоянии полностью удовлетворить пищевые запросы растений. Преимущество оказывается на стороне почв, характеризующихся оптимальным соотношением основных их свойств: достаточным (но не избыточным) содержанием тонкодисперсной илистой фракции и гумуса, обеспечивающих поддержание необходимого фонда доступных элементов, благоприятным соотношением тепла и влаги и др.

Для успешного питания растений важное значение имеет соотношение доступных элементов в почве, поскольку поступление одного элемента в растительный организм часто зависит от концентрации другого в связи с явлениями антагонизма и синергизма ионов. Указанные явления учитываются в практике. Так, чтобы снизить в кормовых культурах содержание молибдена, который нередко накапливается в токсичных для животных количествах, в качестве удобрения можно применять соединения меди, заметно уменьшающей благодаря эффекту антагонизма доступность молибдена.

Сложность процесса почвенного питания растений оказывается одной из причин больших трудностей при получении высоких гарантированных урожаев. Прежде всего приходится решать проблему химической гармонии растений и почв, поскольку их состав очень сильно различается. Примерные подсчеты свидетельствуют о том, что концентрация растворимого азота в почвах по сравнению с культурными растениями в среднем ниже почти в 500 раз, фосфора и калия — в 20 раз, магния и кальция — в 3–4 раза. Другие элементы могут себя вести по-иному. Так, концентрация железа в почвах в 6 раз выше, чем в растениях. Необходимо постоянное регулирование в почве доступных растениям элементов питания.

Другая почвенная функция, тесно связанная с только что рассмотренной, — это функция депо элементов питания, энергии и влаги. Ее основное назначение — снабжать живые организмы элементами питания в случае израсходования наиболее легкодоступных запасов. В почвенное депо входят соединения, законсервированные в аморфных и кристаллических минералах, в скоагулированных гумусовых кислотах, а также соединения и влага глубоких горизонтов и др.

Благодаря почвенному депо живые организмы успешно существуют и в периоды, когда наблюдается перерыв в поступлении в почву влаги, тепла, удобрений, растительного опада. О больших возможностях этого депо убедительно свидетельствуют опыты на Ротамстедской опытной станции в Англии, где в течение 100 лет выращивались культуры, под которые не вносились какие-либо удобрения (выполнялись лишь правила передовой обработки почв). Урожай пшеницы составлял около 14 ц/га.

Существенной, но слабо изученной является почвенная функция стимулятора и ингибитора биохимических и других процессов. Действие данной функции связано с тем, что живые организмы выделяют в почву разнообразные продукты метаболизма: белки, аминокислоты, антибиотики, витамины и другие, активизирующие или угнетающие (ингибирующие) их жизнедеятельность.

С данной функцией нередко связаны многие важные явления в жизни биогеоценозов (экосистем суши). Примером может служить почвоутомление, когда наблюдается снижение биомассы растений, несмотря на обеспеченность почвы элементами питания и благоприятные условия климата. Причины почвоутомления различны: ухудшение водно-воздушного режима почвы из-за неправильной ее обработки, увеличение засоренности посевов сорняками и, что весьма существенно, накопление выделений растений и микроорганизмов. Нередко отмечается угнетение растительных организмов под действием корневых выделений. Самоугнетение отмечено у гваюлы, костра безостого. У древесных пород отмечалось угнетающее влияние одного вида на другой. Например, на дуб отрицательно действуют выделения сосны, осины, вяза. Возможно, однако, и положительное влияние выделений одних организмов на развитие других. Так, отмечается в основном благоприятное взаимовлияние сосны и лиственницы. Нередко имеет место и безразличное отношение растений как к собственным, так и к чужим выделениям. Так, пшеница, ячмень, кукуруза, картофель не страдают от собственных корневых выделений.

Выделения живых организмов могут действовать также опосредованно, путем изменения pH почвы и доступности элементов питания. Выделяемые растениями и микроорганизмами кислотные продукты, а также их внеклеточные ферменты оказываются важным фактором усвоения элементов питания из труднодоступных соединений.

Знание рассматриваемой функции почв существенно не только для теории, но и для практики. Учет активаторно-ингибиторных процессов почвы позволяет успешнее решать проблему структуры посевов. Одновидовые посевы и посадки малоперспективны. Например, отмечено, что в чистых ельниках за 2–3 поколения бонитет может упасть со II, III до IV, V классов. Ряд исследователей обращают внимание на большую производительность специальных смешанных посевов и посадок, в которых благодаря подбору видов с положительным взаимовлиянием и учету сезонной и суточной изменчивости корневых выделений имеет место более полное использование почвенного плодородия. Этому способствует прежде всего то, что питательные вещества, выделяемые корнями одного вида, не вымываются из почвы, а перехватываются корнями другого вида, с иным ритмом поглотительно-выделительной деятельности. Перехваченные вещества оказываются дополнительным источником пищи и играют роль активизатора биохимических процессов в почве.

Следует, однако, обратить внимание на то, что успешное выполнение данной функции почвой возможно лишь при определенном соотношении всех ее свойств. Так, динамика влажности почвы во многом определяет обмен корневыми выделениями. Этот обмен возможен в широком диапазоне почвенной влажности (от 25 до 90 % полной влагоемкости), но наиболее активно он протекает при влажности около 70 %.

Некоторые важные функции почвы контролируются в основном ее физико-химическими параметрами. К таким функциям относится поглощение (сорбция) тонкодисперсного вещества, поступающего из атмосферы, с боковым и грунтовым водными потоками, с растительным опадом и др. Поглотительная способность почвы существенно зависит от дисперсности мелкозема, увеличиваясь по мере утяжеления механического состава. Но и в легких почвах ее масштабы велики. Благодаря сорбированию почвенно-растительным покровом соединений, поступающих с осадками и пылью, возможно успешное произрастание растительности даже на очень бедных землях. Примером могут служить высокоствольные сосновые леса на кварцевых подзолах, состав которых более чем на 90 % представлен кремнеземом.

Сорбционная функция имеет большое значение и в жизни культурных растений. Ее влияние может быть двояким. Положительные эффекты обусловлены тем, что благодаря поглотительной способности элементы питания защищены от быстрого вымывания из почвы. Негативные явления связаны с переводом части элементов в труднодоступные формы, что приводит к снижению эффективности удобрений.

В целом работу сорбционной функции можно оценить положительно, особенно в случае ненарушенных экосистем. Однако при неправильном обращении с землей поглотительная способность почв может причинить большие неприятности земледельцу, например вследствие накопления в мелкоземе ряда вредных элементов и соединений (свинца, ртути и др), которые могут попадать с промышленными отходами и сточными водами небытового происхождения.

Преимущественно с физико-химическими свойствами связана и сорбция мелкоземом микроорганизмов, обитающих в почве или попадающих в нее.

Экологическое значение данной функции весьма велико, так как в случае ее отсутствия большая часть микроорганизмов выносилась бы из почв с нисходящим током влаги. Исследования показали, что бактериальные клетки некоторых микроорганизмов сорбируются естественной почвой более чем на 90 %. Сорбированные микроорганизмы сохраняют свою жизнедеятельность. Это является одним из доказательств справедливости высказываний, что способность сорбироваться — приспособительный признак, возникший у многих микроорганизмов в процессе эволюции.

В самостоятельную группу вычленяются информационные функции почв. Среди них выделяется функция сигнала для сезонных процессов, контролируемая периодически изменяющимися параметрами почвы: водным, тепловым, пищевым режимами и др.

Роль почвенной влаги как регулятора сезонного развития растительных организмов особенно ярко проявляется в районах недостаточного увлажнения, где смена фаз развития многих растений диктуется изменениями водообеспеченности почв. В качестве примера можно привести сокращение активного вегетационного периода у эфемеров и эфемероидов и приуроченность его к тому непродолжительному времени, пока почвы достаточно увлажнены. Жизнедеятельность почвообитающих животных в засушливых аридных районах также во многом зависит от увлажненности почв. Так, развитие яиц у ряда беспозвоночных происходит лишь при определенной влагообеспеченности почвенных горизонтов, в которых они находятся.

Одним из решающих факторов сезонного развития растений зачастую оказывается температура почвы. Так, на более холодных участках европейской северной тайги рост ели задерживается на несколько недель. Температура почвы может не только определять продолжительность вегетационного периода, но и влиять на течение ряда физиологических процессов. При значительном понижении температуры почвы наблюдается падение интенсивности поглощения растениями влаги. Особенно замедляется водопотребление, когда температура воды приближается к 4 °C, поскольку при этой температуре вода обладает наибольшей плотностью и вязкостью. Полагают также, что снижение температуры почвы может сопровождаться ослаблением фотосинтеза и дыхания растений. Все это позволяет понять, почему при освоении северных почв важным мероприятием является их тепловая мелиорация.

Одной из фундаментальных информационных функций является почвенная память. Из всех компонентов биосферы почва обладает наибольшей способностью к накоплению информации о природной среде и ее изменениях. В этой связи особенно важно изучение летописи природы, записанной почвой. Однако «процедура» эта весьма сложна, поскольку, как считают В.О. Таргульян, И.А. Соколов (1976), ее можно сравнить с чтением книги, в которой на одних и тех же страницах вольготно писали многие авторы, каждый писал о своем, но все они дополняли, исправляли и частично зачеркивали друг друга; страницы этой книги перепутаны, а часть их утеряна. Следует, однако, отметить, что познание информации, заложенной в почве, вполне реально при условии разработки специальных методов ее расшифровки и сохранения в ненарушенном состоянии полигенетических почв с наиболее полной записью природных событий.

Выделяется также группа целостных функций почвы, определяемых сочетанием многих ее свойств и процессов. При реализации данных функций в пределах биогеоценозов почва обычно выступает как единое целое. Так, почва осуществляет необходимую трансформацию энергии и веществ (находящихся или попадающих в биогеоценоз), сущность которой состоит в оптимальном преобразовании почвообразовательным процессом соединений, поступающих с растительным опадом, из атмосферы, с грунтовыми водами, а также в ходе выветривания материнских пород.

Заслуживает внимания санитарная функция почвы, характеризующаяся разнообразным проявлением. Прежде всего она обеспечивает освобождение поверхности почвы от отходов жизнедеятельности организмов в результате их минерализации почвенными микробами. Важная роль данной функции состоит также в том, что почва ограничивает или подавляет развитие в ней болезнетворных микроорганизмов, в силу чего в незагрязенных почвах они встречаются редко. Однако они часто попадают в почву с фекалиями, со сточной жидкостью, с навозом, хозяйственными отбросами. Поскольку загрязненные почвы на определенное время могут представлять эпидемиологическую опасность, важно знать сроки самоочищения их от болезнетворных микроорганизмов. Самоочищение почвы от возбудителей бруцеллёза, чумы, туляремии происходит довольно быстро — обычно за 1–2,5 мес. Возбудители столбняка, газовой гангрены, ботулизма, некоторые фитопатогенные микроорганизмы сохраняются более длительное время. Особенно устойчив возбудитель сибирской язвы, который в гумусовых горизонтах почв скотомогильников может сохраняться в течение нескольких десятков лет.

Одним из факторов, определяющих размеры зоны загрязнения, является механический состав почвы. В легких почвах эта зона обычно значительно больше, чем в суглинистых. Поэтому безопасное расстояние от источника загрязнения для колодцев на песчаных почвах равнинных районов может составлять несколько сот метров. Сходные различия обнаруживаются и по вертикали. Глубина проникновения патогенных микроорганизмов в песчаных почвах в несколько раз больше, чем в суглинистых, и достигает 4 м и более.

Характеризуя противоэпидемиологические свойства почвы в целом, можно сказать, что она оказывается барьером против широкого распространения инфекций и бактериального загрязнения грунтовых вод и грунтов.

Еще один аспект санитарной функции почв связан с разрушениями почвенными микробами токсичных продуктов обмена в прикорневой зоне, что является важным условием нормального существования живых организмов. В опытах, в которых производилась стерилизация почвы, растения испытывали угнетение даже при полном обеспечении их элементами питания.

В регулировании жизни биогеоценозов функция защитного экрана проявляется в способности ненарушенной почвы сглаживать резкие колебания водообеспеченности. Это достигается прежде всего благодаря впитыванию и фильтрации почвой выпадающих атмосферных осадков, что позволяет избегать застаивания воды во время снеготаяния и ливневых дождей и предотвращать с помощью почвенных запасов влаги чрезмерную летнюю сухость приземных слоев воздуха и гибель растений во время засух.

Наиболее интегральной функцией является почвенное плодородие, которое определяется взаимодействием всех свойств почвы и охарактеризованных выше функций. Долгое время почвенное плодородие трактовалось упрощенно и связывалось с ограниченным числом почвенных свойств. Современные достижения науки свидетельствуют о необходимости комплексного подхода к вопросам повышения плодородия почвы и его регулирования. Недоучет какого-либо фактора или функции может приводить к напрасной трате удобрений, рабочего времени и техники.

Кроме охарактеризованных, в последнее время Л.O. Карпачевским, Б.Г. Розановым и др. выделены и описаны дополнительные биогеоценотические функции почвы.

Перейдем к рассмотрению глобальных функций почвы.