6.2. Почва
Почва представляет собой тонкий слой на поверхности суши, образованный в результате взаимодействия биоты с горными породами.
Наиболее
полное определение понятия "почва"
дал выдающийся русский естествоиспытатель,
основоположник современного почвоведения
В.В.Докучаев:почва – "это суть
поверхностно лежащие минерально-органические
образования, которые всегда более или
менее окрашены гумусом; эти тела имеют
свое собственное происхождение; они
всегда и всюду являются результатом
совокупной деятельности материнской
горной породы, живых и отживших организмов
(как растений, так и животных), климата,
возраста страны и рельефа местности;
почва, как и всякий другой организм,
всегда имеет известное строение,
нормальную толщину и нормальное положение
…".
Значение почвы для любой наземной экосистемы определяется в первую очередь тем, что без нее невозможно существование подавляющего большинства продуцентов, а их роль в экосистеме мы уже неоднократно отмечали. Сохранение плодородных почв под земледельческими угодьями, пастбищами и лесами – одно из основных условий устойчивого развития человечества. Почва относится к относительно возобновимым ресурсам, т.е. естественные процессы способны поддерживать ее существование бесконечно долго при правильном уходе и охране. Однако неразумная эксплуатация почвенных ресурсов человеком приводит к тому, что естественные механизмы оказываются недостаточными. Археологи установили, что упадок многих процветавших древних цивилизаций был вызван не внешними врагами, а медленным экологическим самоубийством, состоявшем в неразумном использовании почвенных и водных ресурсов и неспособности их сохранить. Например, около 9000 лет назад территории великих Шумерского и Вавилонского царств изобиловали высокопродуктивными лесами и лугами, но уже к третьему тысячелетию до нашей эры большая часть этих земель превратилась в бесплодные пустыни, которые и по сей день занимают значительную часть современной территории Ирана и Ирака. Северная Африка, бывшая в свое время житницей Римской империи, в настоящее время по большей части представляет собой пустыню. Возможно, что это одна из причин подрыва жизнеспособности Древнего Рима. Потерю почвенного плодородия называют и одной из причин упадка некогда процветавшей культуры Майя в Центральной Америке.
Начиная с античного времени, идет непрерывный процесс потерь почвы, более того, со временем масштабы потерь становятся все большими и большими и в настоящее время представляют собой серьезную экологическую и экономическую проблему. Но прежде, чем обсуждать эти масштабы и причины, их вызывающие, рассмотрим основные свойства почвы.
6.2.1. Основные свойства почвы
Чтобы растения и другие организмы могли нормально существовать почва как среда обитания должна обладать определенными свойствами. Ниже будут рассмотрены важнейшие свойства почвы с этой точки зрения (напомним, что деление на основные и "неосновные" свойства может быть проведено лишь условно).
Минеральные элементы питания и способность почвы их удерживать.Для нормального развития растений необходимо присутствие в почве различных минеральных питательных компонентов (биогенов), среди которых наибольшую роль играют нитраты (NO3–), фосфаты (PO43–), калий (K+) и кальций (Ca2+). За исключением азота, образующегося в результате азотфиксации из атмосферного азота в процессе круговорота этого элемента, остальные биогены изначально входят в состав материнской горной породы, в результате разрушения которой и образовалась почва. Однако для того, чтобы эти биогены стали доступны для растений, они должны быть переведены в менее связанное состояние, в водный раствор, что происходит при разрушении материнской породы. Процесс разрушения материнской породы называется выветриванием и включает в себя разнообразные физические процессы (например, замерзание и оттаивание, нагревание и охлаждение, абразивное действие песчаных частиц, переносимых водой или ветром и т.д.), химические реакции и биологические факторы, такие как давление корней, растущих в мелких трещинах, и т.п.
Однако высвобождение биогенов и переход их в водный раствор делает возможным не только их усвоение растениями, но и вымывание из почвы просачивающейся сквозь нее водой. Этот процесс вымывания называется выщелачиванием и не только снижает плодородие почв, но и способствует загрязнению среды, прежде всего водоемов.
Следовательно,
способность почвы удерживать ионы
биогенов, называемаяионообменной
емкостью почвы, столь же важна, как и
исходный запас биогенов.
Выветривание, являясь исходным источником биогенов в почве, все же слишком медленный процесс по сравнению с жизненным циклом большинства растений, чтобы обеспечить более или менее стабильное восполнение биогенов, изымаемых из почвы в процессе питания растений. В естественных экосистемах основной источник восполнения биогенов в почве – разлагающийся детрит и метаболические отходы животных, которые включены в общий круговорот биогенов, описанный выше на примерах углерода, фосфора и азота.
В искусственных экосистемах, каковыми являются сельскохозяйственные угодья, как уже отмечалось, этот круговорот разрывается. Поэтому для сохранения плодородия почв в них постоянно искусственно поддерживается должный уровень биогенов путем внесения в почву удобрений. Неорганические, или химические удобрения представляют собой смеси минеральных биогенов. Органические удобрения, являющиеся растительными остатками и отходами животных, например, навозом, высвобождают содержащиеся в них биогены по мере разложения. Широкомасштабное использование удобрений предъявляет повышенные требования к ионообменной емкости почвы, поскольку, во-первых, выщелачивание удобрений наносит очевидный экономический ущерб, а во-вторых, и это главное, приводит к значительному загрязнению окружающей среды.
Вода и водоудерживающая способность.Для поддержания активного роста большинство растений требует значительного количества влаги. Это обусловлено тем, что через тонкие поры в листьях растений, через которые происходит поглощение углекислого газа и выделение кислорода в процессе фотосинтеза, проходит также и вода. Этот процесс называетсятранспирацией. На компенсацию транспирации расходуется, по меньшей мере, 99 % всей поглощаемой растением воды и только менее 1 % идет на обеспечение процесса фотосинтеза. Если воды недостаточно, то растение вянет. В увядшем состоянии растение еще способно некоторое время существовать, но прекращает развиваться. Различают физическую и физиологическую сухость почвы. Первая связана с общим недостатком влаги и характерна для сухого климата. Вторая возникает из-за физиологической недоступности физически доступной воды, иногда даже при ее избытке, например, из-за высокой кислотности почвы, наличия токсичных веществ и т.п.
Таким образом, содержание в почве воды является одним из основных факторов, определяющих ее плодородие. Вода попадает в почву в основном с поверхности, поэтому если она стекает по поверхности грунта, а не впитывается, пользы от нее не будет. В соответствии с этим весьма важным показателем является инфильтрация, т.е. впитывание воды с поверхности почвы. Корни большинства растений не проникают в почву глубже, чем на 1 – 1,5 м, поэтому весьма важным является также, какая часть воды удержится в приповерхностных слоях, а какая просочится на большую глубину и станет недоступной для растений. Это зависитот водоудерживающей способностипочвы. Наконец, значительная часть воды может теряться в результате испарения непосредственно с поверхности почвы. Уменьшить эти потери воды помогает мульчирование или создание растительного покрова. Следовательно, идеальной является почва с хорошей инфильтрацией, высокой водоудерживающей способностью и покровом, снижающим испарение воды с ее поверхности.
Аэрация.Аэрацией называется процесс газообмена почвенного воздуха с атмосферным, в результате которого происходит обогащение почвенного воздуха кислородом, а приземного атмосферного – углекислым газом. Необходимость аэрации обусловлена тем, что корни растений нуждаются для обеспечения клеточного дыхания в кислороде и выделяют в процессе его в окружающую среду углекислый газ, а большинство растений не способно транспортировать эти газы между своими органами. С глубиной количество углекислого газа в почве повышается, а количество кислорода уменьшается. Обычно аэрацию затрудняют два обстоятельства, препятствующие диффузии кислорода в почву и встречной диффузии углекислого газа и могущие привести к замедлению роста или даже гибели растения: уплотнение почвы и насыщение ее водой.
Механические свойства.Средний размер частиц почвы весьма различен для различных типов почв и составляет от 1 – 2 мм для очень грубого песка до 0,05 – 0,002 мм для пыли и менее 0,002 мм для глины. В соответствии с этим классификация почв по механическому составу строится в зависимости от соотношения этих трех компонентов. Например, для суглинков характерно примерно 40 % песка, 40 % пыли и 20 % глины. Механический состав почвы существенно влияет на инфильтрацию, водоудерживающую способность, ионообменную емкость и аэрацию. Чем крупнее частицы почвы, тем больше пространство между ними и тем лучше инфильтрация и аэрация. Напротив, водоудерживающая способность и ионообменная емкость находятся от размеров частиц в обратной зависимости. От механического состава зависит также обрабатываемость почвы, что весьма важно для сельского хозяйства. Наиболее трудно обрабатываемы глинистые почвы, наиболее легко – песчаные.
Какая же почва самая плодородная? Исходя из закона лимитирующих факторов, наиболее выраженное свойство лимитирует возможности среды в целом. Поэтому оптимальным оказывается суглинистый или пылеватый механический состав почвы, обеспечивающий компромисс между свойствами песка и глины. В таблице 6.2 представлены взаимоотношения между механическим составом почвы и ее физическими и химическими свойствами.
Таблица 6.2