Глава 9

ПОЧВЕННО-БИОТИЧЕСКИИ КОМПЛЕКС КАК ОСНОВА АГРОЭКОСИСТЕМЫ

9.1. Почвенно-биотическии

КОМПЛЕКС— ЦЕЛОСТНАЯ МАТЕРИАЛЬНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ПОДСИСТЕМА БИО(АГРО)ЦЕНОЗОВ

Почвенная биота. Почва— сложней­шая система, одним из основных функ­циональных компонентов которой яв­ляются населяющие ее живые организ­мы. От деятельности этих организмов зависят характер и интенсивность био­логического круговорота веществ, мас­штабность и интенсивность фиксации основного биогенного элемента — ат­мосферного азота, способность почвы к самоочищению и пр.

168

Огромная роль живых организмов в создании плодородия почв признава­лась классиками отечественного почво­ведения. Первые суждения о значении биологического фактора в почвообразо­вании были высказаны М. В. Ломоносо­вым, который в известной работе «О сло­ях земных» (1763) писал, что черно­зем — не первообразная и не первоздан­ная материя, он произошел от согнития животных и растущих тел со временем.

В. В. Докучаев — основатель учения о почве как особом природном теле. Он впервые обратил внимание на зна­чение микроорганизмов в процессе почвообразования. Это стало возмож-

ным благодаря работам Луи Пастера, заложившего фундамент учения о микроорганизмах.

П. А.'Костычев в монографии «По­чвы черноземной области России, их происхождение, состав и свойства» (1886) писал, что геология имеет второ­степенное значение Б вопросах о черно­земе. Формирование этих почв связано с географией высших растений и физио­логией низших, ответственных за разло­жение органического вещества. Значе­ние почвенных организмов в жизни рас­тений признавал и Д. И. Менделеев. В его письме к В. В.Докучаеву (1895) го­ворилось: «С огромным интересом про­чел я Ваш ряд статей о почвоведении и бактериологии. Это не только вклад, за который Вам скажут спасибо в настоя­щем и будущем..., но и честь понимания научных основ... И так, земля —труп в сказаниях, а у нас она кормилица — жи­вая. Научить этому, думаю, очень полез­но и начинать в университетах пора»*.

Многие ученые обращали внимание на преобладающую роль биохимических процессов в почве, связывали урожай­ность сельскохозяйственных культур с активным функционированием микро­скопических почвенных существ.

Профессор Петровской сельскохо­зяйственной академии (ныне Москов­ская сельскохозяйственная академия им, К. А. Тимирязева) Г. Г. Густавсон В докладе «О микробиологических осно­вах агрономии» показал, что почва представляет собой живую систему, ог­ромную роль в которой играют низшие существа.

Значительная роль в признании по­чвы как живой составляющей экосис­темы принадлежит также Н.А. Димо, В. Л. Омелянскому, Б. Б. Полынову, С. А. Северину, Н. Н. Худякову.

Особое значение имеют взгляды на почвенную биоту В. Р. Вильямса, кото­рый связывал ее с формированием ма­лого биологического круговорота ве­ществ на Земле, с обогащением почвы азотом в результате фиксации атмос­ферного азота.

Среди современных ученых, внес­ших большой вклад в развитие учения

•Докучаев В. В. Избранные сочинения. Т. III. - М.: Сельхозгиз, 1949. С. 330-331.

о почвенных организмах и их роли в со­здании почвенного плодородия, оздо­ровлении земли, необходимо отметить академиков М. С. Гилярова, Д. Г. Звя­гинцева, Е. Н. Мишустина, профессора В. Т. Емцеваидр.

В последнее время значение почвен­ной биоты существенно возросло, и не только в связи с незаменимой ролью ее в формировании почвенного плодоро­дия. При техногенном загрязнении ком­понентов биосферы, в том числе и почв, почвенная биота выполняет еще одну важную функцию — детоксикации различных соединений, присутствую­щих в почве и влияющих на состояние окружающей среды и качество сельско­хозяйственной продукции.

Почвенный покров представляет со­бой самостоятельную земную оболоч­ку — педосферу. Почва — продукт со­вместного воздействия климата", расти­тельности, животных и микроорганиз­мов на поверхностные слои горных пород. В этой сложнейшей системе не­прерывно происходят синтез и разру­шение органического вещества, круго­ворот элементов зольного и азотного питания растений, детоксикация раз­личных загрязняющих веществ, посту­пающих в почву, и т. д.

Эти процессы осуществляются бла­годаря уникальному строению почвы, которое представляет собой систему взаимосвязанных твердой, жидкой, га­зообразной и живой составляющих. На­пример, воздушный режим почвы тесно связан с ее влажностью. Оптимальное сочетание этих факторов способствует лучшему развитию высших растений. Последние, продуцируя большую био­массу, поставляют больше пищевого и энергетического материала для населя­ющих почву живых организмов, что улучшает их жизнедеятельность и спо­собствует обогащению почвы питатель­ными веществами и биологически ак­тивными соединениями. Твердая фаза почвы, в которой в основном сосредото­чены источники питательных и энерге­тических веществ — гумус, органо-ми-неральные коллоиды, катионы Са^г+, М§²~ на поверхности почвенных частиц, взаимосвязана с почвенно-биотическим комплексом '(ПБК).

Почвенные частицы, особенно кол-

169

лоидная и илистая фракции, благодаря большой суммарной поверхности обла­дают поглотительной способностью. Эта способность имеет большое эколо­гическое значение, так как позволяет почве сорбировать различные соедине­ния, в том числе токсичные, и тем са­мым препятствовать поступлению ток-сикантов в пищевые цепи.

Состав ПБК. В процессе превраще­ния веществ и формирования потоков энергии огромную роль играют населя­ющие почву живые организмы, состав­ляющие ПБК, без которого нет и не мо­жет быть почвы. Как писал В. Р. Виль­яме (1947), замрет, прекратится эта жизнь — и бывшая почва станет объек­том геологии.

ПБК представлен весомой (по массе) и разнообразной группой организмов (рис. 9.1).

В 1г почвы содержится 3...90 млн бактерий, 0,1...35 млн актиномицетов, 8...1000 тыс. микроскопических грибов, 100тыс. водорослей, 1,5...6 млн про­стейших.

Принято считать, что верхний слой

почвы в целом состоит из минеральной субстанции (93 %) и органического ве­щества (7 %). В свою очередь, органи­ческое вещество включает мертвое орга­ническое вещество (85 %), корни расте­ний (1 %) и эдафон (5 %). В структуру эдафона входят бактерии и актиноми-цеты (40 %), грибы и водоросли (40 %), дождевые черви (12%), прочая микро­фауна (5 %) и мезофауна (3 %).

Масса бактерий составляет пример­но Ют/га; такую же массу имеют мик­роскопические грибы; масса простей­ших достигает порядка 370 кг/га и т. д.

На 1 га пашни приходится 250 тыс. дож­девых червей (50... 140 кг/га), на 1 га паст­бища— 500... 1575тыс. (1150...1680кг/га), на 1 га сенокосных угодий — 2...5,6 млн (более 2 т/га).

Среди животных организмов био­сферы обитатели почвы характеризуют­ся наибольшей биомассой. Исходя из предположения, что в среднем биомасса почвенной фауны составляет 300 кг/га, на площади 80 млн км² почвенного по­крова Земли (без пустынь) суммарная биомасса почвенных животных всего

170

Рис. 9.1. Размерные группы почвенных животных (Бабьева, Зенова, 1989)

Рис. 2.1. Классификация понятия «среда» (Реймерс, 1990)

ческих элементов, создавая огромные толши неведомых, помимо него, вадоз-ных минералов или пронизывая тон­чайшей пылью своих остатков косную материю биосферы»*.

По В. И. Вернадскому, земная кора представляет собой в основном остатки былых биосфер. Даже гранитно-гнейсо­вый ее слой образовался в результате метаморфизма и переплавления пород, возникших когда-то под воздействием живого вещества. Только базальты и другие основные магматические породы он считал глубинными и по своему ге­незису не связанными с биосферой.

Большое внимание В. И. Вернадс­кий уделял также изучению форм на­хождения различных химических эле­ментов в биосфере, деления живого ве­щества биосферы по источникам пита­ния организмов, полям устойчивости (пределов) жизни, особенностям жиз­ни в гидросфере и на суше, геохими­ческим циклам сгущений жизни и жи­вых пленок гидросферы и др.

В учении о биосфере понятие «живое вещество* является основополагаю­щим. Живые организмы превращают космическую лучистую энергию в зем­ную, химическую и создают бесконеч­ное разнообразие нашего мира. Своими дыханием, питанием, метаболизмом, смертью и разложением, длящимися сотни миллионов лет, непрерывной сменой поколений они порождают су­ществующий только в биосфере гран­диознейший планетарный процесс — миграцию химических элементов. Движение земных атомов непрерывно происходит более двух миллиардов лет в соответствии с законами биогенной миграции атомов, максимума биоген­ной энергии, константности количества живого вещества и др.

Живое вещество, согласно теории В. И. Вернадского, — это биогеохими­ческий фактор планетарного масштаба, под воздействием которого преобразу­ются как окружающая абиотическая сре­да, так и сами живые организмы. Во всем пространстве биосферы идет порожден­ное жизнью непрестанное перемещение молекул. Жизнь решающим образом

* Цит. по: Яншин А. Л. В будущее с уверенно­стью. - Наука н СССР. 1988. № 2. С. 8.

воздействует на распределение, мигра­цию и рассеяние химических элементов, определяя судьбу азота, калия, кальция, кислорода, магния, стронция, углерода, фосфора, серы и других элементов.

Многокилометровые толщи извест­няков, угольные месторождения, желез­ные руды — все это проявление деятель­ной силы жизни. Эпохи развития жиз­ни — протерозой, палеозой, мезозой, кайнозой — отражают не только формы жизни на Земле, но и ее геологическую летопись, ее планетарную судьбу.

В учении о биосфере органическое вещество наряду с энергией радиоак­тивного распада рассматривается как носитель свободной энергии. Жизнь же представляется не как механическая сумма индивидуумов или видов, а как сущностно единый процесс, охватыва­ющий все вещество верхнего слоя пла­неты. Обнаруживая ныне рассеянное органическое вещество в жидкой и твер­дой оболочках Земли, открывая в оса­дочных породах остатки белков и амино­кислоты, порфирины и жиры организ­мов, существовавших 100, 300 и даже 3000 млн лет назад, современная геохи­мия подтверждает, развивает и конкре­тизирует данные концепции ученого.

Важнейшие черты биосферы. Прежде всего это постоянный материально-энергетический обмен с космосом и су­ществование исключительно в ее преде­лах живого вещества. Наличие жизни, се бренность и возрождение, ее посто­янное «давление» на окружающий не­органический мир непрерывно форми­руют облик нашей планеты, оказывают решающее воздействие на химические процессы в атмосфере, гидросфере и верхних слоях литосферы. Наличие жизни, ее многообразные проявле­ния — главное, что отличает Землю от других планет Солнечной системы.

Существенной чертой биосферных процессов является кругооборот (цик­личность). Суточные, лунные, годич­ные, многолетние и многие другие рит­мы представляют собой разнообразные временные формы такой цикличности. Ее вещественной формой является кру­гооборот веществ, химических элемен­тов, совершающийся в биосфере. Кру­гооборот включает в себя пищевые цепи биогеоценозов, обмен веществ между

61

Тепловая энергия, теряющаяся при дыхании

Продуценты

Травоядные

Хищники

Хищники

Солнечная энергия

Рис. 7.2. Схема функционирования агроэкосистемы (Миркин, Хазиахметов, 1995)

менный биогеоценоз —конюшня, ко­ровник, свинарник, кошара, птичник, животноводческий комплекс, зоопарк, виварий.

Приведенная структуризация, с од­ной стороны, отражает многоплано­вость взаимодействия человека с окру­жающей природной средой в процессе сельскохозяйственного производства, а с другой — убеждает в необходимости выработки целостной методологии ис­следований, отражающей сущность аг-роэкологии как интегративного меж­дисциплинарного комплекса.

В отличие от индустриальных или урбанизированных экосистем первона­чальный процесс формирования агро­экосистемы из естественной экосисте­мы прост. Условно говоря, достаточно разрыхлить поверхность почвы и зало­жить необходимые для будущего урожая семена, уничтожив предварительно в достаточной степени естественную рас­тительность. Но и при таком весьма примитивном преобразовании есте­ственной экосистемы ощутимо меняет­ся круговорот веществ. Так, после рас­пашки территории активизируются процессы массообмена, проявляющие­ся в интенсификации круговорота био­генных элементов.

Если условно рассматривать агро-экосистему как соединение естествен­ной экологической системы и антропо­генной энергии, следует отметить, что удельные затраты энергии в доиндуст-риалъном сельском хозяйстве были

сравнимы с энергопотоками в есте­ственных экосистемах. В интенсивном сельском хозяйстве энергопотребление намного выше (рис. 7.3), что в конеч­ном итоге уравнивает его по степени влияния на окружающую природную среду с иными антропогенными воздей­ствиями. Как отмечалось, природные экосистемы и агроэкосистемы сходны по автотрофности. Но при этом природ­ная экосистема являет собой область с замкнутым циклом и элементов пита­ния, и первичной продукции, т. е. пото­ки вещества реализуются преимуще­ственно внутри системы, а вынос их из системы почти отсутствует (рис. 7.4). Агроэкосистемы же создаются для пре­имущественного выноса продукции из системы, причем иногда за тысячи ки­лометров от первоначального источни­ка формирования этой продукции.

На рисунке 7.4 показано отличие природных экосистем от агроэкосис-тем. Прежде всего биотическое сообще­ство природной экосистемы разнооб­разнее (как это показано наличием мно­жества ячеек в пространстве ниши), чем в агроэкосистеме, и полнее использует доступное ей пространство ниши. Ха­рактеристики отдельных индивидуумов (генетика, возраст, состояние) внутри определенного вида (показаны цифра­ми внутри ячейки для этого вида) име­ют тенденцию к изменению в природ­ных экосистемах, но относительно по­стоянны в агроэкосистемах. Природные экосистемы более непрерывные в про-

137