А. А. Челноков
Рекреационные ресурсы

Полная версия

1.3. Почвы и почвенное плодородие

1.3.1. Почвы и их роль в природе

Почвенный покров представляет собой самостоятельную земную оболочку – педосферу.

Педосфера – это слой литосферы, в котором происходят почвообразовательные процессы. Является частью террабио-сферы, она состоит из почвы и лежащих под ней подпочвы и коры выветривания. В образовании педосферы принимают участие литосфера, атмосфера и живое вещество биосферы.

На рис. 1.3 показано место педосферы в системе земных геосфер.

Рис. 1.3. Место педосферы в системе земных геосфер (Ковда, Розанов, 1988)

По В.И. Вернадскому, почва – это биокосное тело, состоящее одновременно из живых и косных (неорганических) тел – минералов, воды, воздуха, органических остатков.

В современном представлении почва – это обладающая плодородием сложная полифункциональная и поликомпонентная открытая многофазная структурная система в поверхностном слое коры выветривания горных пород, являющаяся комплексной функцией горной породы, организмов, климата, рельефа и времени (Ковда, Розанов, 1988).

Таким образом, почва является многофазной системой, включающей твердую, жидкую, газообразную и живую фазы в отличие от всех других природных тел.

Почва играет огромную роль в функционировании и формировании биосферы, так как обладает рядом глобальных экологических функций.

1. Почва обеспечивает существование жизни на Земле – вся биомасса живого вещества биосферы создается в конечном счете за счет элементов питания и воды, находящихся и поступающих в биосферу из почвы.

2. Почва обеспечивает постоянное взаимодействие малого биологического и большого геологического круговоротов вещества и энергии на земной поверхности.

Первичные горные породы подвергаются выветриванию, в верхней части коры выветривания формируется собственно почва, аккумулирующая элементы минерального питания и воду, необходимые для развития живых организмов. Эти элементы используются живой компонентой почвы и через ряд промежуточных трофических циклов (растения – животные – микроорганизмы) снова возвращаются в почву. Этот процесс формирует малый биологический круговорот.

Именно из почвы минеральные элементы частично выносятся атмосферными осадками в гидрографическую сеть, в зоны аккумуляции и в конечном счете в Мировой океан, где дают начало образованию осадочных горных пород, как за счет седиментации в донных грунтах, так и за счет аккумуляции в живых организмах. В дальнейшем эти осадочные горные породы могут либо снова выйти на поверхность, либо подвергнуться глубинному метаморфизму. Таков большой геологический круговорот вещества.

Таким образом, почва является связующим звеном и регулятором взаимодействия двух основных жизнеобеспечивающих процессов на планете.

3. Почва регулирует химический состав атмосферы и гидросферы.

Известно, что почвенное «дыхание», фотосинтез и дыхание живых организмов играют основную роль в создании и поддержании необходимого для земной жизни состава приземного слоя атмосферного воздуха и атмосферы в целом.

Почва как природное образование создавалась тысячелетиями. Например, возраст черноземов и темно-каштановых почв составляет 2500–3000 лет; светло-каштановых, серых и бурых лесных – 800–1000 лет; торфяно-глеевых, горно-луговых, лугово-каштановых – 500–800 лет; подзолистых почв – 1500 лет.

В.В. Докучаевым выделены следующие факторы почвообразования: климат, рельеф, время, хозяйственная деятельность человека, материнские породы, растительный и животный мир. Косвенным фактором является рельеф, влияющий на изменение воздействия на почву климатических условий, зависящих в значительной мере от высотных отметок почвенного слоя.

К числу важнейших факторов, оказывающих прямое влияние на почвообразование, относится климат. С ним связаны тепловой и водный режимы почвы, от которых зависят биологические и физико-химические почвенные процессы.

Под тепловым режимом понимают совокупность процессов теплообмена в системе «приземный слой воздуха – почва – почвообразующая порода». Тепловой режим обусловливает процессы переноса и аккумуляции теплоты в почве. Характер теплового режима определяется главным образом соотношением поглощения радиационной (лучистой) энергии Солнца и теплового излучения почвы. Он зависит от окраски почвы, характера поверхности, теплоемкости, влажности и других факторов. Заметное влияние на тепловой режим почвы оказывает растительность.

Водный режим почвы в основном определяется количеством атмосферных осадков и испаряемостью, распределением осадков в течение года, их формой (при ливневых дождях вода не успевает проникнуть в почву, стекает в виде поверхностного стока).

Климатические условия оказывают влияние на такие факторы почвообразования, как почвообразующие породы, растительный и животный мир и др. С климатом связано распространение основных типов почв.

Рельеф – один из факторов перераспределения по земной поверхности теплоты и воды. С изменением высоты местности меняются водный и тепловой режимы почвы. Рельефом обусловлена поясность почвенного покрова в горах. С особенностями рельефа связаны характер влияния на почву грунтовых, талых и дождевых вод, миграция водорастворимых веществ.

К числу факторов почвообразования относится время – необходимое условие для любого процесса в природе. Абсолютный возраст почв Восточно-Европейской равнины, Западной Сибири, Северной Америки и Западной Европы, определенный радиоуглеродным методом, – от нескольких сотен до нескольких тысяч лет.

Существенным фактором почвообразования, особенно в последнее время, является также хозяйственная деятельность человека.

Процесс почвообразования тесно связан с физическим и химическим выветриванием горных пород. При выветривании горных пород создается элювий – кора выветривания различной мощности, состава, условий залегания и степени влажности. В этом длительном процессе кроме физических и химических факторов важную роль играют также биологические факторы.

Кора выветривания является исходным субстратом для почвообразования, которое начинается с момента поселения на этом субстрате микроорганизмов. В результате жизнедеятельности микроорганизмов извлекаются минеральные компоненты из субстрата и выделяются органические кислоты, что создает условия для поселения пионеров растительности – лишайников. Не требовательные к условиям жизни лишайники продолжают функционировать и обогащать подстилающие минеральные горизонты органическими соединениями. На обогащенной питательными веществами почве заселяются высшие растения и животные. В результате их жизнедеятельности в почве постепенно накапливаются специфические органические вещества, обеспечивающие ее плодородие, в частности гумус.

Важнейшим свойством почвы является плодородие, т. е. способность обеспечивать условия для продуцирования растениями органического вещества. Плодородие почв обусловлено их физическими, химическими и биологическими свойствами.

К физическим свойствам почвы относятся гранулометрический состав, относительная рыхлость структуры, водопроницаемость, аэрируемость, отсутствие света, малая амплитуда колебания температуры, незначительный объем почвенного воздуха.

Химические свойства почвы обусловлены наличием минеральных веществ, реакцией среды, засоленностью.

Биологические свойства почвы определяются наличием различных живых организмов в пахотном слое почвы.

Почва состоит из хорошо выраженных слоев, обычно различающихся по цвету, которые называются почвенными горизонтами. Они образуются и развиваются в результате сложнейшего взаимодействия растений, животных, микроорганизмов и элювинированных (выветренных) горных пород.

По специфическим свойствам и химическому составу выделяют следующие основные почвенные горизонты:

♦ перегнойно-аккумулятивный горизонт – самый верхний, темноокрашенный, богатый гумусом, содержащий основную массу корней растений, почвенных животных и микроорганизмов;

♦ горизонт вымывания (элювиальный) – в нем накапливаются, аккумулируются и преобразуются вещества, поступающие из верхнего горизонта;

♦ иллювиальный горизонт, в пределах которого поступающие из верхних горизонтов органические кислоты вступают в химические реакции с минералами;

♦ материнская порода (почвообразующий горизонт) – материал ее постепенно преобразуется в почву.

Горизонты почв, отличающиеся по свойствам, формируют вертикальный почвенный профиль.

Мощность почвы характеризует степень близости подстилающей материнской породы – подпочвы, влияющей на распространение корней.

Почва относится к основным биологическим экологическим факторам существования и формирования биосферы – эдафическим, которые характеризуются и определяются ее механическим и химическим составом, рыхлостью, структурой, водопроницаемостью, влажностью, аэрируемостью.

Состав почвы. Почва состоит из трех фаз: твердой, жидкой, газообразной.

Твердая фаза занимает около 50 % объема почвы. Остальную часть занимают поры, заполненные водой или воздухом. Твердую фазу почвы формируют частицы различных размеров: от обломков пород, достигающих десятков сантиметров, до коллоидных частиц в сотые доли микрона. Благодаря малым размерам коллоиды почвы имеют огромную суммарную поверхность (6000 м² в 1 см³ почвы). Этим свойством объясняется высокая адсорбционная способность коллоидов – способность удерживать подвижные соединения химических элементов.

Важнейшей частью почвы является гумус, состоящий из гуминовых кислот, фульвокислот и гуминов. Наличием гумуса определяются структура и водоудерживающая способность почвы, ее кислотность, питательная ценность. Деление почв на подзолистые, сероземы, черноземы основано прежде всего на содержании гумуса, которое в различных почвах колеблется от 1 % (подзолы и сероземы), 7–8 % (обыкновенные черноземы) и до 12 % (тучные черноземы).

По гранулометрическому составу в зависимости от соотношения крупных и мелких частиц почвы делят на четыре группы:

♦ песчаные (маловлагоемкие, хорошо влагопроницаемые, но бедные гумусом);

♦ супесчаные (бесструктурные, бедные гумусом, хорошо водо- и воздухопроницаемые);

♦ суглинистые (наиболее благоприятные по своим свойствам для земледелия, со средней влагоемкостью и водопроницаемостью, хорошо обеспечены гумусом);

♦ глинистые (с высокой влагоемкостью и большим содержанием элементов питания, самые мелкодисперсные).

По степени пористости различают почвы тонкодисперсные (диаметр пор < 1 мм), пористые (1–3 мм), губчатые (3–5 мм), ноздреватые (5–10 мм), ячеистые (> 10 мм) и трубчатые (поры образуют каналы).

Твердая фаза почвы содержит основные запасы питательных элементов. Она состоит из минеральной (90–99 % массы) и органической (1–10 % массы) частей. Минеральная часть почвы на 90 % состоит из четырех элементов – кислорода, кремния, водорода, алюминия. Такие химические элементы, как углерод, водород, кислород, фосфор, сера, содержатся в минеральной и органической частях почвы.

Органические вещества твердой части почвы подразделяются на негумифицированные и гумифицированные вещества.

Негумифицированные (подвижные) органические вещества – это отмершие остатки растений и микроорганизмов, которые легко разлагаются в почве. Содержащиеся в них элементы питания переходят в доступную для растений минеральную форму. Органические вещества минерализуются не полностью. Одновременно в почве идет синтез новых сложных органических соединений, которые служат источником для образования гумусовых, или перегнойных, веществ.

Гумифицированные (перегнойные) органические вещества – это высокомолекулярные азотсодержащие соединения. Они составляют основную часть (90 %) органического вещества почвы. На полях под зерновыми культурами за вегетационный период разлагается 0,7–0,8 т/га гумуса, а под пропашными культурами – 1–1,2 т/га гумуса с образованием доступных для растений минерального азота (N), фосфора (Р), серы (S).

Влажность и аэрация. Почвенная вода подразделяется на гравитационную, гигроскопическую и капиллярную.

Гравитационная вода – подвижная вода, является основной разновидностью свободной воды, которая заполняет широкие промежутки между частицами почвы и просачивается вниз сквозь почву под действием силы тяжести, пока не достигнет грунтовых вод. Растения легко усваивают гравитационную воду, когда она находится в зоне корневой системы. С этой точки зрения для растений весьма важен полив почвы, смачивание ее водой.

Гигроскопическая вода – вода, удерживаемая в почве вокруг отдельных коллоидных частиц в виде тонкой прочной связанной пленки. Она адсорбируется за счет водородных связей на поверхности глины и кварца или на катионах, связанных с глинистыми минералами и гумусом. Гигроскопическая вода высвобождается только при температуре 105–110 °С и физиологически практически недоступна растениям. Количество гигроскопической воды зависит от содержания в почве коллоидных частиц. В глинистых почвах ее содержится около 15 % массы почвы, в песчаных – около 5 %. Она образует так называемый мертвый запас воды в почве.

Капиллярная вода – вода, удерживаемая вокруг почвенных частиц силами поверхностного натяжения. Образуется при накоплении слоев гигроскопической воды вокруг почвенных частиц. Сначала заполняются узкие поры между этими частицами, а затем происходит распространение ее во все более широкие поры. Гигроскопическая вода постепенно переходит в капиллярную. Капиллярная вода может подниматься по узким порам и канальцам от уровня грунтовых вод благодаря высокому поверхностному натяжению воды. Растения легко поглощают капиллярную воду, играющую наибольшую роль в регулярном снабжении их водой. Капиллярная вода в отличие от гигроскопической легко испаряется. Тонкоструктурные почвы (например, глины) удерживают больше капиллярной воды, чем грубоструктурные, такие как пески.

Свойство почвы вызывать капиллярный подъем влаги называется ее водоподъемной способностью.

В капиллярной воде хорошо растворяются органические и минеральные соединения. Испарение капиллярной воды имеет большое значение при образовании засоленных почв.

Помимо перечисленных форм воды в почве содержится парообразная влага, которая занимает все свободные от воды поры.

Почвенная вода находится в постоянном движении: нисходящий ток гравитационной воды в сухие периоды сменяется восходящим током капиллярной воды. Обеспеченность почв водой зависит от температуры, рельефа местности, физико-химических свойств почвы, растительного покрова, перемещения воздуха и других факторов. Вода передвигается в почве к поверхности корней и поступает затем через растение в атмосферу в направлении градиента водного потенциала.

Такие абиотические экологические факторы, как низкая температура почвы, недостаток кислорода в почвенной воде и почвенном воздухе, повышенная кислотность почвы, высокая концентрация растворенных в почвенной воде минеральных солей, затрудняют усвоение доступной почвенной воды для растений. Растения сухих почв обычно имеют более мощную и разветвленную корневую систему, чем влажных почв. Количество физиологически доступной воды влияет на рост, размножение, габитус, продуктивность, биомассу растений.

Почвенный раствор, или жидкая часть почвы, – это наиболее подвижная, изменчивая и активная часть почвы, из которой растения поглощают питательные вещества в форме ионов. В почвенном растворе содержатся минеральные и органические вещества, совершаются важные биохимические процессы. В почве присутствуют анионы (НСО₃^–, NO₃^–, PO₄^{3 –}, Cl^–, SO₄^{2 –} и др.), катионы (К⁺, Na⁺, Ca^2+, Mg²⁺, NH₄⁺, Zn²⁺ и др.), соли железа, алюминия и других элементов, а также водорастворимые органические вещества.

Наиболее благоприятная для растений концентрация солей в почвенном растворе – 1 г/л (0,1 %). Избыток солей в почве (больше 2 %) вреден для растений. Осмотическое давление почвенного раствора значительно ниже, чем в клеточном соке растений.

Состав почвенного раствора, особенно содержание в нем кислот и оснований, создает реакцию почвенного раствора, которая оказывает значительное влияние на жизнедеятельность растений. Реакция почвенного раствора определяется содержанием и соотношением ионов Н⁺ и ОН^–, а также Al³⁺.

Кислотность почвы определяется наличием в почве ионов водорода и гидролитически кислых солей. Ионы водорода обусловливают активную кислотность почвенного раствора, а поглощенные ионы – потенциальную кислотность. Кислотность почвы принято выражать водородным показателем (рН), который представляет собой отрицательный логарифм концентрации водородных ионов в почвенном растворе.

По величине показателя рН почвенного раствора почвы делят на сильнокислые (рН = 3–4), кислые (рН = 4–5), слабокислые (рН = 5–6), нейтральные (рН = 6–7), щелочные (рН = 7–8), сильнощелочные (рН = 8–9). Нейтральную реакцию имеют черноземы, кислую – дерново-подзолистые, болотные и серые лесные почвы, щелочную – каштановые почвы и сероземы пустынь, сильнощелочную – солонцы.

Реакция почвенного раствора влияет на структуру, гумификацию почвы, содержание питательных веществ и ионный обмен. В очень кислых почвах высвобождается много ионов Al³⁺, а содержание доступных растениям ионов Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺, PO₄^{3 –}, Mo^2– понижено. В более щелочных почвах, напротив, ионы Fe, Mn, PO₄^{3 –} связаны в труднорастворимых соединениях, так что растения хуже обеспечены этими веществами.

Почвенный воздух отличается от атмосферного большим содержанием углекислого газа и меньшим содержанием кислорода.

Воздух в почве в количестве 15–25 % содержится в порах между органическими и минеральными частицами. При отсутствии пор (тяжелые глинистые почвы) или заполнении пор водой во время подтоплений, таяния мерзлоты в почве ухудшается аэрация и могут складываться анаэробные условия. В таких условиях тормозятся физиологические процессы организмов, потребляющих кислород, – аэробов, разложение органических веществ идет медленно. Постепенно накапливаясь, они образуют торф. Большие запасы торфа характерны для болот, заболоченных лесов, тундровых сообществ. Торфонакопление особенно выражено в северных регионах, где холодность и переувлажнение почв взаимообусловливают и дополняют друг друга.

Экологические группы почвенных организмов. В почве обитают многочисленные и весьма разнообразные в экологическом отношении группы организмов – микроорганизмы, животные, растения, причем все они находятся в постоянном взаимодействии друг с другом и со средой обитания. Данные взаимоотношения сложны и многообразны. Благодаря им, а также в результате коренных изменений физических, химических и биохимических свойств горной породы, в природе постоянно идут почвообразовательные процессы.

Считается, что в среднем почва содержит 2–3 кг/м² живых растений и животных, или 20–30 т/га.

Несмотря на неоднородность экологических условий в почве, она выступает как достаточно стабильная среда, особенно для подвижных организмов. Значительный градиент температур и влажности в почве позволяет почвенным животным путем незначительных перемещений обеспечить себе подходящую экологическую обстановку.

По степени связи с почвой как средой обитания животных объединяют в три основные экологические группы: геобионты, геофилы и геоксены.

Геобионты – животные, постоянно обитающие в почве. Весь цикл их развития протекает в почвенной среде.

Геофилы – животные, часть цикла развития которых (чаще одна из фаз) обязательно проходит в почве. К этой группе принадлежит большинство насекомых.

Геоксены – животные, иногда посещающие почву для временного укрытия или убежища.

Вместе с тем приведенная классификация не отражает роли животных в почвообразовательных процессах, так как в каждой группе есть подвижные организмы, активно передвигающиеся и питающиеся в почве, и пассивные, пребывающие в почве в период отдельных фаз развития (личинки, куколки или яйца насекомых).

Почвенных обитателей в зависимости от их размеров и степени подвижности можно разделить на несколько групп.

Микробиота – это почвенные микроорганизмы, составляющие основное звено детритной пищевой цепи, которые представляют собой как бы промежуточное звено между растительными остатками и почвенными животными. Сюда относятся прежде всего цианофиты, грибы и простейшие. Они живут в почвенных порах, заполненных гравитационной или капиллярной водой, причем часть жизни могут находиться в адсорбированном состоянии на поверхности частиц в тонких прослойках пленочной влаги. Многие из них обитают и в обычных водоемах. Вместе с тем почвенные формы обычно мельче пресноводных и отличаются способностью значительное время находиться в инцистированном состоянии, пережидая неблагоприятные периоды.

Мезобиота – это совокупность сравнительно мелких, легко извлекающихся из почвы подвижных животных. Сюда относятся почвенные нематоды, мелкие личинки насекомых, клещи, ногохвостки и др. Эта группа весьма многочисленна – от десятков и сотен тысяч до миллионов особей в 1 м³ почвы. Они питаются в основном детритом и бактериями. Для данной группы животных почва представляется как система мелких пещер. У них нет специальных приспособлений к рытью. Они ползают по стенкам почвенных полостей с помощью конечностей или червеобразно извиваясь. Насыщенный водяными парами почвенный воздух позволяет им дышать через покровы тела. Нередко животные этой группы не имеют трахейной системы и весьма чувствительны к высыханию. Средством спасения от колебаний влажности воздуха для них является передвижение вглубь. Более крупные животные имеют некоторые приспособления, которые позволяют переносить в течение некоторого времени снижение влажности почвенного воздуха: защитные чешуйки на теле, частичная непроницаемость покровов и др.

Периоды затопления почвы водой животные переживают, как правило, в пузырьках воздуха. Воздух задерживается вокруг их тела из-за несмачиваемости покровов, снабженных у большинства из них волосками, чешуйками и т. д. Пузырек воздуха играет для животного своеобразную роль «физической жабры». Дыхание осуществляется за счет кислорода, диффундирующего в воздушную прослойку из окружающей среды.

Животные микро- и мезобиоты способны переносить зимнее промерзание почвы, что является особенно важным, так как большинство из них не могут уходить вниз из слоев, подвергающихся воздействию отрицательных температур.

Макробиота – это крупные почвенные животные с размерами тела от 2 до 20 мм. К данной группе относятся личинки насекомых, многоножки, энхитреиды, дождевые черви и др. Почва для них является плотной средой, оказывающей значительное механическое сопротивление при движении. Они передвигаются в почве, расширяя естественные скважины путем раздвижения почвенных частиц, роя новые ходы. Оба способа передвижения накладывают отпечаток на внешнее строение животных. У многих видов развиты приспособления к экологически более выгодному типу передвижения в почве – рытью с закупориванием за собой хода. Газообмен большинства видов данной группы осуществляется с помощью специализированных органов дыхания, но наряду с этим дополняется газообменом через покровы. У дождевых червей и энхитреид отмечается исключительно кожное дыхание.

Роющие животные могут уходить из слоев, где возникает неблагоприятная обстановка. К зиме и в засуху они концентрируются в более глубоких слоях, большей частью в нескольких десятках сантиметров от поверхности.

Мегабиота – это крупные землерои, главным образом из числа млекопитающих. Многие из них проводят в почве всю жизнь, другие – какое-то определенное время. Все они прокладывают в почве целые системы ходов и нор. Приспособленность к роющему подземному образу жизни находит отражение во внешнем облике и анатомических особенностях этих животных: недоразвитые глаза, компактное вальковатое тело с короткой шеей, короткий густой мех, сильные компактные конечности с крепкими когтями.

Помимо постоянных обитателей почвы в отдельную экологическую группу нередко выделяют обитателей нор. К данной группе животных относятся барсуки, сурки, суслики, тушканчики и др. Они кормятся на поверхности, однако размножаются, зимуют, отдыхают, спасаются от опасности в почве. Ряд других животных используют их норы, находя в них благоприятный микроклимат и укрытие от врагов. Обитатели нор, или норники, имеют черты строения, характерные для наземных животных, но в то же время обладают приспособлениями, которые указывают на роющий образ жизни: длинные когти, сильная мускулатура на передних конечностях, узкая голова, небольшие ушные раковины.

К особой группе относят животных, заселяющих сыпучие подвижные пески, – псаммофилов. Они имеют специфические приспособления, которые обеспечивают возможность передвижения в рыхлом грунте.

Животных, приспособившихся к жизни на засоленных почвах, называют галофилами. Обычно в засоленных почвах фауна в количественном и качественном отношении сильно обедняется.

Таким образом, почва имеет огромное значение в жизни живых существ на нашей планете. Именно почва явилась той промежуточной средой, которая обеспечила выход жизненных форм из водной среды на сушу и их адаптацию к новым условиям существования.

Связанные единой эволюцией разнообразные почвы характеризуются типом почвы. Наиболее важными являются тундровые почвы; подзолистые почвы; черноземы; каштановые почвы; сероземы; красноземы и желтоземы; засоленные почвы; болотные почвы.

Размещение типов почв на поверхности суши определяется сложным взаимодействием ряда факторов, важнейшими из которых являются климат, рельеф, характер растительности и животный мир. Распределение типов почв подчиняется законам горизонтальной широтной зональности и вертикальной почвенной поясности.

С севера на юг почвенные широтные зоны сменяются почвенными поясами в следующей последовательности: полярный пояс, бореальный (в пределах лесной зоны), суббореальный (с преобладанием черноземов, каштановых почв и сероземов), субтропический, сложенный красновато-бурыми и красно-желтыми почвами тропических лесов.

Наряду с зональными типами почвы на равнинах обычно встречаются отдельными участками особые типы интразональных почв, образованных как под влиянием общезональных факторов почвообразования, так и при участии специфических, например при постоянном и избыточном увлажнении – болотные почвы, при поступлении галогенов из коренных пород или с поверхностным стоком – засоленные почвы и т. д.

Учет горизонтальной широтной зональности и вертикальной почвенной поясности, климатических, ландшафтных особенностей территории позволяет более эффективно и рационально планировать рекреационную деятельность, прогнозировать состояние и развитие рекреационных зон, систем и территорий.