10.3. Малый биологический круговорот веществ

Живое вещество Земли на 99% представлено массой растительных организмов, поэтому характер биологического круговорота определяется, в первую очередь, зелеными растениями. Главной функцией растений в биосфере и в почвообразовании является синтез органического вещества и накопление потенциальной энергии в почве.

Зеленые растения представлены лесными и травянистыми сообществами, влияние которых на ландшафтогенез и почвообразование существенно различается.

Для характеристики биологического круговорота веществ и роли растений в почвообразовании учитываются следующие показатели:

- общая биомасса (фитомасса) – общее количество живого органического вещества в надземной и подземной сферах;

- мертвое органическое вещество – количество органического вещества, заключенное в отмерших остатках растений. Отдельно различают: запасы гумуса, лесных подстилок, степного войлока, количество ежегодного надземного опада (листья, хвоя, стебли, ветошь и др.), количество ежегодного корневого опада, запасы легкоразлагаемого органического вещества (детрита);

- зольность – содержание зольных элементов в растениях и их частях (рассчитывается в % к массе абсолютно сухого вещества). Отдельно рассчитывают зольность фитомассы, годичного прироста, опада, подстилки, торфов;

- годичный прирост – масса нарастающего вещества в надземной и подземной сферах сообщества;

- интенсивность разложения органического вещества – отношение подстилки к опаду зеленой части растений.

В таблице 3 приведены показатели биологического круговорота растительных сообществ основных природных зон в составе древесных, кустарниковых, травянистых и мохово-лишайниковых формаций.

Для биологического круговорота веществ лесных сообществ таёжно-лесной зоны характерно длительное исключение из него значительной части азота и зольных элементов, которые накапливаются в стволах и ветвях. Только незначительная часть органических веществ (3–5 т/га) поступает ежегодно в почву в форме наземного опада (хвоя, листья, ветошь и др.). Вместе с ними в почву возвращаются 50-300 кг/га зольных элементов и азота, значительная часть которых накапливается в составе лесной подстилки и постепенно, за 3-10 и более лет, высвобождаются при ее разложении. Продукты разложения в новь вовлекаются в биологический круговорот и частично, с атмосферными осадками поступают в нижележащие горизонты почвенного профиля, вплоть до грунтовых вод.

Для биологического круговорота травянистых сообществ характерно значительно меньшее накопление общей массы, но существенно большее возвращение с ежегодным опадом (до 15 т/га сухого вещества) по сравнению с лесными формациями. В сообществах луговых степей до 700 кг зольных элементов и азота ежегодно возвращаются в почву вместе с опадом. Значительная часть опада (до 70%) поступает не на поверхность почвы, а в форме корней в верхние горизонты почвенного профиля, что способствует накоплению гумуса и формированию структуры (агрегатов разного размера) почвы. С величиной ежегодного опада тесно связано количество образующегося гумуса, численность микрофлоры и микрофауны.

Интенсивность разложения опада определяется, в первую очередь, гидротермическими условиями. Если в условиях влажных тропических лесов при величине опада в 25 т/га лесная подстилка составляет только 2 т/га, то в лесах умеренного пояса из 3-5 т/га опада накапливается 30-50 т/га лесной подстилки. Различия в биохимическом составе растительного опада обусловливают разную скорость его разложения даже в одинаковых гидротермических условиях, что отражается на составе образующегося гумуса. Большое влияние на почвообразование оказывают зольность опада, количество оснований и азота в его составе. Зольность растений в среднем составляет около 1,5%, но во многих злаковых и эфемерно-полынных сообществах может достигать 8-10%, а в галофитных сообществах на солончаках – даже 20-50%.

Растения обладают свойством избирательно поглощать и концентрировать из рассеянного состояния химические элементы, необходимые для их роста и развития. Благодаря этому в почвах происходит биогенное накопление ряда биофильных элементов, таких как фосфор, кальций, магний, калий, сера и др. Обогащение верхних слоев почвы основаниями и азотом способствует образованию и накоплению в них гумуса. В процессе питания корни растений в обмен на поглощенные ими элементы питания продуцируют значительное количество корневых выделений, в составе которых много ионов водорода и анионов органических кислот. По данным ряда ученых, корневые выделения составляют десятки и сотни килограммов на 1 га. Вместе с органическими кислотами, образующимися при разложении опада, и углекислотой, выделяемой при дыхании корней, они проделывают большую химическую работу, вовлекая в биологический круговорот веществ новые порции химических элементов из горных пород и минералов.

Р астения, наконец, защищают почву от эрозионных процессов. В естественных условиях количество сносимого эрозионными процессами материала компенсируется процессами почвообразования.

Изучение круговоротов веществ на Земле имеет не только познавательное значение, но и представляет глубокий практический интерес. Воздействие человека на природные процессы становится всё значительнее. Последствия этого воздействия стали сопоставимы с результатами геологических процессов: в биосфере возникают новые пути миграции веществ и энергии, появляются многие тысячи химических соединений, прежде ей не свойственных. Создаются новые водные бассейны; тем самым меняется круговорот воды. В руках человека концентрируются огромные запасы металлов, фосфатов, серы, синтезируются колоссальные количества азотсодержащих веществ для удобрения полей и т. д. Меняется обычный ход геохимических процессов. Глубокое изучение всех природных превращений веществ на Земле – необходимое условие рационального воздействия человека на среду его обитания и изменения природных условий в желаемом для него направлении.