Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Экология почв. Учение об экологических функциях почв. Учебник
.pdf
Гл. 7. Целостные функции
нических остатков энергии, аккумулированной при фотосинтезе.
Причем существенно то, что энергия высвобождается не только
в тепловой, но и в химической форме, что, по мнению А.И. Перельмана, имеет не меньшее значение, чем образование органических соединений.
Во многом благодаря постоянному преобразованию косного
вещества почвы живут как неравновесные, весьма динамичные
системы, богатые свободной энергией (Перельман, Касимов, 1990).
101
Санитарная функция почв
В проявлении этой функции намечаются три основных аспекта. Первый аспект связан с участием почвенных организмов в деструкции поступающих на поверхность органических остатков.
Всем хорошо знакома великолепная картина осеннего листопада, ежегодно покрывающего землю разноцветным ковром отжившей недолгий век листвы. Если бы в лесах, полях и лугах весь
образующийся из года в год растительный опад только бы накапливался и не подвергался минерализации, то поверхность Земли
за короткое время оказалась бы заполненной отходами жизнедеятельности организмов и жизнь на планете в конце концов стала
бы невозможной. Подвергая разрушению и минерализации поступающие в почву и на ее поверхность органические остатки, почвенные организмы (главным образом микроскопические) не только
переводят в доступную для усвоения форму содержащиеся в опаде
элементы и энергию, но и предохраняют ландшафты от самозагрязнения и гибели. В этом и заключается одно из важных проявлений санитарной функции почвы.
Долгое время полагали, что деструкция органических остатков
осуществляется только микробами. В дальнейшем, однако, была
установлена важная роль в этом процессе почвенных беспозвоночных, которые могут не только участвовать в разложении опада
на поверхности почвы, но и вовлекать органические остатки в
саму почву, тем самым увеличивая возможности их активного изменения. При отсутствии почвенных животных происходит ускоренное накопление на поверхности почвы мертвого опада, создаются анаэробные условия. Отмечено, что накопление мощных
слоев торфообразных отложений связано в значительной мере с
малочисленностью животных-сапрофагов (Гиляров, 1968). При освоении земель в этом случае, по мнению М.С. Гилярова, может оказаться целесообразной интродукция почвенных животных-сапрофагов, которые ускоряют освобождение поверхности почвы от
слаборазложившегося растительного опада.
102
Ч. II. Биогеоценотические функции почв
Беспозвоночные активно участвуют в деструкции различных
органических остатков. Значительна роль насекомых в разложении
опада в лесах. В тропиках термиты перерабатывают всю отмирающую древесину, навозники поедают экскременты, общее количество
1
которых достигает
/4 растительной массы, потребляемой скотом.
За свою жизнь мелкие животные поедают количество пищи, в десятки раз превышающее их массу, осуществляя очистку почвы.
Еще Линней подсчитал, что в тропиках потомство трех мух съедает
труп лошади быстрее, чем лев.
Там, где санитарная функция беспозвоночных (особенно почвенных) ослаблена, в экосистеме быстро происходят различные
неблагоприятные изменения. Так, в Австралии некоторые пастбища страдали из-за того, что на поверхности почвы стал скапливаться помет скота, не разложившийся из-за недостатка навозников.
Их стали завозить, и после акклиматизации они начали быстро
разлагать скопления навоза, что привело к значительному повышению урожайности пастбищ.
Приведенные примеры показывают, что в освобождении почв
от органических остатков важная роль принадлежит не только
микроорганизмам, но и беспозвоночным животным, обитающим
в почве или тесно связанным с ней. В данном случае мы имеем
дело со сложным комплексом, осуществляющим очистку почв, в
котором важны как микробы, так и животные. Причем ускорение
разложения опада почвенными животными достигается двойным
путем — за счет непосредственного и косвенного их действия.
Второй путь связан с активизацией деструктивной деятельности
микроорганизмов благодаря определенным видам беспозвоночных. Так, переработанные животными растительные остатки благодаря измельчению и увеличению их поверхности становятся
более доступными бактериям. Поверхность хвоинки, попавшая
в подстилку, в результате измельчения орибатидами увеличивается
в 10 тыс. раз. Кроме того, почвенные животные, в частности дождевые черви, способствуют размножению многих почвенных
микроорганизмов. Например, численность микробов в экскрементах дождевых червей бывает в 3—13 раз выше, чем в окружающей
почве (Гиляров, 1968).
Тесная взаимосвязь почвенных микроорганизмов и беспозвоночных доказана экспериментально. Так, в опытах по исключению деятельности беспозвоночных разложение дубового опада
под влиянием только микроорганизмов стало проходить в 2—5 раз
медленнее, чем при совместной деятельности почвенных животных
и микроорганизмов. Даже исключение деятельности только крупных беспозвоночных (в основном дождевых червей) в несколько
Гл. 7. Целостные функции
103
раз снижает скорость разложения опада. По данным Л.О. Карпачевского и Т.С. Перель, в смешанном лесу разложение листьев
дуба при отсутствии в почве червей происходит в 2 раза медленнее, липы — в 3 раза, а березы — в 1,5 раза (Карпачевский, 2003).
Другой важный аспект санитарной функции почвы связан с ее
антисептическими свойствами, лимитирующими развитие в ней
болезнетворных микроорганизмов (табл. 35, 36).
Таблица 35
Самоочищение почв от Bact. Coli commune, Bact. Aёrogenes,
количество клеток на 1 г почвы (Мишустин, Перцовская, 1954)
Время, про-
текающее
с начала
опыта, дни
0
4
11
25
39
43
57
78
92
106
120
134
148
162
176
197
218
248
Длительность существования патогенных микробов в почве
Возбудители болезни Средний срок, недели Максимальный срок, месяцы
Тифозная палочка
Дизентерийная палочка
Холерный вибрион
Туберкулезная палочка
Палочка
некробациллеза
бруцеллеза
чумы
туляремии
Опыт с чистыми культурами Опыт со смешанными культурами
Bact. coli
commune
9 000 000
2 500 000
800 000
600 000
600 000
350 000
50 000
35 000
26 000
600
500
130
20
13
5
0
0
0
(Мишустин, Перцовская, 1954)
Bact.
aёrogenes
1 300 000
170 000
17 000
50 000
50 000
5000
5000
1300
1500
500
520
80
20
11
2—3
1,5—5
1—2
около 13
около 1,5
0,5—3
около 0,5
—
Bact.
coli commune
1 300 000
170 000
17 000
50 000
50 000
5000
5000
1300
1500
500
520
80
20
6
0
0
0
11
6
0
0
0
более 12
около 9
Bact.
aёrogenes
80 000
1 300 000
1 300 000
900 000
900 000
600 000
350 000
350 000
13 000
8000
5000
800
500
350
170
Таблица 36
до 4
до 7
до 2,5
до 2
до 1
до 2,5
50
80
0
104
Ч. II. Биогеоценотические функции почв
Следует отметить, что в незагрязненных почвах содержатся лишь
единичные виды микроорганизмов, которые могут вызывать заболевания у людей, животных и растений. Однако во многие почвы
поступают отбросы и органические удобрения, содержащие представителей патогенной микрофлоры. Определенную опасность
представляют навоз, компосты, торфо-фекальные удобрения, хозяйственные отбросы, сточные жидкости, при использовании которых должны соблюдаться определенные санитарно-гигиенические
нормативы. Нарушение нормативов нередко приводит к распространению опасных инфекционных заболеваний. Например, огромный вред причиняют вспышки желудочно-кишечных заболеваний
в странах, где для удобрения полей широко применяются свежие,
необезвреженные фекалии. Негативные последствия возникают и при
использовании сточных вод, где найдены возбудители тифа, дизентерии, туберкулеза, полиомиелита, а также патогенные анаэробы.
Механизмы распространения болезней среди людей при загрязнении почвенного покрова различны. Это возникновение инфекции
при употреблении в сыром виде сельскохозяйственной продукции,
распространение болезней в результате пылевой инфекции и др.
Инфицированная почва является также причиной заболевания
животных (бруцеллез, туберкулез и др.) и растений.
Таким образом, почвы населенных пунктов и прилегающих
к ним территорий в определенные периоды представляют собой
эпидемиологическую опасность в результате их загрязнения патогенной микрофлорой. Поэтому большое значение приобретают
вопросы сохранности болезнетворных микроорганизмов в различных почвах. Необходимо подчеркнуть, что сама почва оказывается неблагоприятным субстратом для большинства патогенных
и токсигенных микроорганизмов (см. табл. 35). Однако процесс
обеззараживания осуществляется лишь при определенной продолжительности соприкосновения патогенных микроорганизмов
с почвой.
Самоочищение от патогенной микрофлоры наступает при отсутствии питательного материала, антагонистического воздействия
почвенных микроорганизмов, жизнедеятельности находящихся
в почве бактериофагов и др. Пониженная температура, достаточная влажность, наличие органического вещества, доступного для
болезнетворных микробов, сильно затрудняют обеззараживание
почвы (Добровольский, Никитин, 2000, 2006).
Болезнетворные микроорганизмы сохраняются в почве различное время (см. табл. 36). Самоочищение от возбудителей бруцеллеза, чумы, туляремии происходит довольно быстро. Максимальный срок существования этих микробов 1—2,5 месяца. Некоторые
Гл. 7. Целостные функции
105
микроорганизмы могут выживать в почве достаточно длительное
время. Это возбудители столбняка, газовой гангрены, актиномиказов, ботулизма, некоторые фитопатогенные актиномицеты,
бактерии и грибы. Особой длительностью выживания отличается
возбудитель сибирской язвы, который в гумусовых горизонтах
почв скотомогильников сохраняется более 30 лет.
Тип, свойства и состояние почвы играют важную роль в выживаемости патогенных микроорганизмов. Например, опыты по выявлению жизнеспособности дизентерийных бактерий в разных
почвах показали существенные различия выживаемости в разных
почвах. Так, для серозема максимальный срок, после которого
в почве еще обнаруживались единичные клетки возбудителя, составил 15 дней, а для чернозема — 40 дней.
Самоочищение почвы от болезнетворных микроорганизмов
в значительной мере определяется ее механическим составом.
Опыты под Москвой (рис. 12) показали, что в песчаных почвах
исчезновение кишечной палочки происходит быстрее, чем в суглинистых.
Время сохранения патогенной микрофлоры в почве также зависит от того, с каким материалом они в нее попали. Так, в опытах
(см. рис. 12) почти полное освобождение почвы от кишечной палочки, внесенной с фекалиями, происходит через 5 месяцев. В случае же попадания в почву данного микроба с навозом его содержание через 5 месяцев оказывается довольно значительным. Это
связано, вероятно, с тем, что в отдельных неразложившихся комочках навоза кишечная палочка может лучше сохраняться, что
удлиняет срок ее жизни в почве.
Рис. 12. Самоочищение почвы от бактерий группы Coli-aerogens (Ми-
шустин, Перцовская, 1954): А — оподзоленная суглинистая (Моск. обл.),
Б — супесчаная слабооподзоленная: 1 — внесены фекалии, 2 — внесен
навоз
106
Представляет интерес также вопрос переноса патогенных микроорганизмов после их попадания в почву. Обычно даже в почвах
легкого механического состава поверхностное бактериальное загрязнение локализуется на относительно небольшом расстоянии
от источника поступления нечистот. Из загрязняющего почву материала бактерии проникают в основном на небольшую глубину.
Необходимо, однако, учитывать, что на ровном месте загрязняется
незначительное пространство, а при наличии стока — значительное. Например, стоки со скотных дворов могут загрязнять поверхность почвы на расстояние 100—150 м и более.
Различия в механическом составе почв довольно отчетливо
сказываются на размерах зоны загрязнения и нормативах, определяющих безопасные расстояния от нее. Например, на суглинистых
почвах относительно безопасное для колодцев расстояние от источников загрязнения (дрен) — около 20 м, а на средних песках
колеблется от 40 до 200 м (Мишустин, Перцовская, 1954).
Различия отчетливо обнаруживаются и в вертикальном направлении. Так, густо населенная микроорганизмами зона в суглинистых почвах создается примерно на расстоянии около 1 м ниже
дрены, в тонкозернистых песчаных — 2,4 м, в среднезернистых —
4 м (более слабое загрязнение может распространяться глубже).
Оценивая в целом распространение загрязнения в стороны от
места его исходного попадания, можно отметить, что почвенный
покров эффективно защищает грунтовые воды от проникновения
в них бактериологических, а также химических загрязнений. Однако в ряде случаев (близкое залегание грунтовых вод, преобладание хорошо фильтрующих песчаных пород и т.д.) загрязнение может распространяться на значительные расстояния.
Существует еще одна важная форма проявления санитарной
функции почв, которая заключается в разрушении почвенными
микробами продуктов обмена живых организмов. Это предотвращает чрезмерное накопление в прикорневой зоне токсических веществ и обеспечивает дальнейшее их выведение из организма. Стерилизация почвенного субстрата в опытах угнетала рост растений
даже при наличии полного удобрения (Никитин, 2009).
Ч. II. Биогеоценотические функции почв
Функция защитного и буферного
биогеоценотического экрана
Сформировавшиеся в ходе длительной эволюции зональые
типы биогеоценозов отличаются значительной устойчивостью.
Это оказывается возможным благодаря наличию в них буферных
Гл. 7. Целостные функции
107
и регуляторных механизмов обратной связи. Данная способность
к гомеостатическому регулированию (Шмальгаузен, 1968; Одум,
1975; Федоров, Гильманов, 1980; Остроумов, 2010) важна, поскольку обеспечивает поддержание сложившегося функционирования
биогеоценозов Земли, что является залогом благополучия биосферы. В регулировании жизни биогеоценоза (БГЦ) роль почвенного буфера несомненно велика, однако изучена недостаточно, что
не позволяет дать ее общую объективную характеристику. Можно
выделить лишь формы проявления буферной функции почв.
Прежде всего отметим способность почв нивелировать резкие
колебания входных потоков вещества и энергии, что весьма существенно, поскольку состав, структура и функционирование БГЦ
сохраняются при условии, если варьирование этих потоков не выходит за определенные пределы, называемые “пределами толерантности”. Примером такого нивелирования может служить сглаживание почвой больших перепадов влажности и температуры в
наземном ярусе БГЦ. Так, благодаря способности почвы впитывать
и аккумулировать атмосферную влагу, с одной стороны, предотвращается застаивание воды на ее поверхности во время снеготаяния
и ливней, а с другой — ослабляется чрезмерная сухость приземных
слоев воздуха во время засух. Сходное действие почвы отмечается
и в отношении колебаний температуры верхнего яруса БГЦ.
Существенной стороной рассматриваемой функции является
защита почвой биогеоценозов от механического разрушения под
действием различных факторов (воды, ветра, силы тяжести), что
достигается за счет таких свойств почвы, как способность противостоять водной эрозии, удерживать растения в вертикальном положении, противодействовать распылению мелкозема и др. Данные
свойства, как правило, хорошо выраженные у целинных разностей,
часто ухудшаются в результате обработки земель. В то же время
комплекс мелиоративных мероприятий может не только сохранить
эти свойства, но и улучшить их, особенно в случае малопродуктивных почв.
Проявлением буферной функции почв оказывается и восстановление нарушенных биоценозов за счет запаса почвенных семян
(Карпачевский, 1981, 2003) и формирующего влияния сложившейся структуры почвенного покрова, которая помогает воссоздавать
первоначальную неоднородность фитоценозов.
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 ограничен-
108
Ч. II. Биогеоценотические функции почв
ным числом почвенных свойств. Современные достижения науки
свидетельствуют о необходимости комплексного динамического
подхода к вопросам повышения и регулирования плодородия
поч вы. Недоучет какого-либо фактора (табл. 37, 38) или функции
может приводить к напрасной затрате удобрений, рабочего времени
и техники.
Таблица 37
Снижение растительной продукции в зависимости
от степени загрязнения почв (Вальков и др., 1996)
Показатель снижения растительной
Степень
загрязнения
1 Практически не загрязнена <5
2 Слабо загрязнена 6—10
3 Умеренно загрязнена 11—25
4 Сильно загрязнена 26—50
5 Очень сильно загрязнена 51—75
6 Чрезмерно загрязнена >75
Оценка степени загрязнения
продукции по сравнению с получае-
мой на таких же, но незагрязненных
почвах, %
Таблица 38
Интенсивность фотосинтеза у кукурузы при различных
значениях рН среды, мг CO
Возраст растений, дни рН 4,0 рН 6,0
32 262 1150
46 820 2900
60 632 1550
с 1 м2/г (Авдонин, 1982)
2
Проблема почвенного плодородия является одной из фундаментальных, которой посвящены многочисленные публикации.
Подробнее она будет рассмотрена в гл. 12.
Часть III
ГЛОБАЛЬНЫЕ ФУНКЦИИ ПОЧВ
В категорию глобальных функций почв входят функции, реализуемые
почвенным покровом в его взаимодействии с литосферой, гидросферой, атмосферой, биосферой в целом, этносферой и социосферой.
Глава 8
ЛИТОСФЕРНЫЕ ФУНКЦИИ
Проблема литосферных функций почвы на первый взгляд может
показаться неправомочной. Действительно, если влияние почвенного покрова на взаимодействующую с ним атмосферу и гидросферу очевидно в связи с подвижностью и способностью к перемешиванию контактирующих с почвой воздушных и водных масс,
то воздействие почвы на каменную оболочку воспринимается как
малозначительное. Поэтому не случайно длительное время углубленно изучалась лишь роль литосферы в почвообразовании и
были установлены основные особенности почвообразовательного
процесса на различных исходных субстратах. Однако феномен
обратной связи ощутим и в рассматриваемом случае. Литосфера
своими поверхностными слоями не только определяет направление и разнообразие почвообразовательного процесса, но и сама во
многих проявлениях и трансформациях зависит от жизни и динамики покрывающей ее тонким слоем почвы. В первую очередь
воздействие почвообразования испытывают на себе коры выветривания и осадочная оболочка в целом. Но и другие составляющие литосферы, если брать геологические масштабы времени,
связаны прямо или чаще всего опосредованно с событиями, реализующимися в поверхностном слое, — почвенной пленке планеты
(Добровольский, Никитин, 2000; Добровольский и др., 2010).
Кратко отметим основные структурно-динамические особенности литосферы. Литосфера — сложное образование, где вещество представлено а основном в твердом состоянии. Она достигает
мощности 120—150 (200) км, состоит из земной коры и верхней
части внешней мантии до астеносферы. Полагают, что подстилающий астеносферный слой отличается высокой пластичностью,
допускающей возможность вертикальных погружений в него и горизонтальных смещений по нему вышележащей жесткой литосферы.
110
Ч. III. Глобальные функции почв
Особый интерес представляют строение и динамика земной коры,
верхняя часть которой непосредственно соприкасается с почвой.
Земная кора — относительно тонкая (5—60 км) твердая оболочка.
Толщина ее составляет всего лишь 1/200 часть радиуса Земли. Однако она занимает особое место среди других геологических оболочек земного шара, поскольку отличается сложным генезисом.
Полагают, что земная кора — продукт взаимодействия мантийного
слоя с гидросферой и атмосферой. В действительности генезис
земной коры еще более сложен, поскольку она формируется также при взаимодействии с живым веществом и почвенным покровом. На это обратил внимание В.И. Вернадский, считавший земную кору в основном областью былых биосфер. Земную кору
сверху вниз подразделяют на осадочный слой (стратисферу) мощностью от первых метров до 20 км; гранитно-метаморфический
(или просто гранитный) слой, сложенный кислыми магматическими породами, гнейсами, кристаллическими сланцами, мощностью не более 25 км. Ниже выделяется базальтовый слой средней мощностью около 15 км, образованный магматическими и
метаморфическими породами основного состава, а также гранулитами — гнейсами, содержащими гранит. Такое строение земная
кора имеет на континентах.
Океаническая кора выглядит, как правило, существенно иначе.
Под слоем рыхлых осадков средней мощностью около 0,7 км (на
континентах около 3 км) залегает слой мощностью около 1,7 км,
образованный преимущественно базальтами. Ниже располагается
слой мощностью около 5 км, состоящий из преобразованных путем гидратации горячих глубокозалегающих ультраосновных пород — серпентинитов.
Континентальная и океаническая кора сильно различаются и
по возрасту. Первая значительно старее — некоторые ее участки
датируются временем около 4 млрд лет. Океаническая же кора существенно моложе — примерно 150 млн лет (Ясаманов, 2003).
Для понимания существа взаимосвязей почвы и литосферы,
несомненно, первостепенное значение имеет динамика каменной
оболочки. Отмечается большое значение обмена веществом и энергией между континентальными сухопутными регионами (главными
носителями почвенного покрова) и океаническими бассейнами.
При этом отмечается особое значение в процессах взаимодействия и обмена веществом между континентами и океаном переходных зон.
Проблема взаимодействия почвенной оболочки и литосферы
не может исчерпываться только глобальным аспектом, ярким вы-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]