почва

Почва представляет собой сложную систему, состоящую из твердых частиц, окруженных воздухом и водой. В зависимости от типа — глинистая, песчаная, глинисто-песчаная и др. — почва в большей или меньшей степени пронизана полостями, заполненными смесью газов и водными растворами. В почве, по сравнению с приземным слоем воздуха, сглажены температурные колебания, а на глубине 1 м не ощутимы и сезонные изменения температуры.

Самый верхний горизонт почвы содержит большее или меньшее количество перегноя, от которого зависит продуктивность растений. Расположенный под ним средний слой содержит вымытые из верхнего слоя и преобразованные вещества. Нижний слой представлен материнской породой.

Вода в почве присутствует в пустотах, мельчайших пространствах. В почвенном воздухе присутствует также и парообразная вода.

Состав почвенного воздуха резко меняется с глубиной: содержание кислорода уменьшается, а углекислого газа возрастает. При затоплении почвы водой или интенсивном гниении органических остатков возникают бескислородные зоны.

Таким образом, условия существования в почве различны на разных ее горизонтах.

Почва как среда жизни чрезвычайно благоприятна для обитания многочисленных организмов. Ей свойственны более или менее рыхлая структура, определенная водопроницаемость и аэрируемость. В почве концентрируются запасы органических и минеральных веществ, поставляемых растительностью и трупами животных. Количество организмов в почве огромно, однако в связи со сглаженностью экологических условий все они отличаются «выравненностью группового состава». Кроме того, для них характерна повторяемость в различных климатических зонах.

Почвенные организмы по степени связи со средой обитания разделяются на три основные группы.

Геобионты — постоянные обитатели почвы, весь цикл их развития протекает в почве (дождевые черви, многие первично-бескрылые насекомые).

Геофилы — животные, часть цикла развития которых проходит в почве. К ним относится большинство насекомых: саранчовые, ряд жуков, комары-долгоножки. Личинки их развиваются в почве, а во взрослом состоянии это типичные наземные обитатели.

Геоксены — животные, иногда посещающие почву для временного укрытия или убежища (таракановые, многие полужесткокрылые, грызуны, млекопитающие, живущие в норах).

Многие животные почвенной среды, чаще всего это беспозвоночные (медведки, личинки майского жука), имеют мощный грызущий ротовой аппарат, так как питаются корнями растений. Тело их сегментировано, чтобы обеспечить продвижение в почвенной среде (вспомните, как передвигается дождевой червь). У членистоногих, как, например, у медведки, покров тела хитиновый, голова имеет мощную хитиновую капсулу, передние конечности часто копательного типа. Почвенные насекомые обладают способностью к вертикальной миграции: с понижением температуры почвы они уходят на значительную глубину — ниже границы замерзания. Немногочисленные почвенные млекопитающие имеют слабое зрение, но зато у них сильно развиты обоняние и осязание.

Адаптации организмов к жизни в почве. Мелкие почвенные членистоногие (клещи, насекомые, многоножки) используют для передвижения по стенкам почвенных полостей коготки на лапках. Многие из них имеют несмачиваемые покровы тела, снабженные волосками, чешуйками, которые позволяют переживать периоды затопления почвы в пузырьках воздуха.

Более крупные почвенные животные, такие как личинки майского жука, дождевые черви, при передвижении испытывают сильное сопротивление со стороны почвы. Для раздвигания почвенных частиц у них выработалось приспособление в виде гидроскелета (дождевые черви) либо способность к изгибанию тела (круглые черви).

Некоторые средние по размерам (медведки) и крупные почвенные животные (кроты, слепыши) выработали эффективный способ передвижения в почве — рытье. Внешнее строение землероев разных таксономических групп характеризуется сходными признаками: компактным телом, копательными конечностями, слаборазвитыми органами зрения и др., что отражает их приспособленность к подземному образу жизни

Почва – это не только субстрат, на котором растут растения, из которого они черпают минеральные элементы питания, она представляет собой сложную систему с различными протекающими в ней биологическими и биохимическими процессами. В почве происходят разнообразные биохимические превращения, устанавливается сложная взаимосвязь между микроорганизмами.

Почвенные микроорганизмы составляют значительную часть любой биогеосистемы - экологической системы, включающей почву, косное (неживое) и биокосное (живое или произведенное живыми организмами) вещества - и активно участвуют в ее жизнедеятельности. Почва обладает высокой буферной способностью, т.е. долгое время может не изменять своих свойств под воздействием загрязнителей. Микроорганизмы почв обладают высокой чувствительностью к антропогенному воздействию. Поэтому они являются хорошими индикаторами загрязненности окружающей среды. Так, по виду микрофлоры, преимущественно обитающей (или, наоборот, отсутствующей) на данной территории, можно определить не только степень загрязнения, но и его вид (какое именно загрязняющее вещество превалирует на данном участке). Например, индикаторами сильного антропогенного загрязнения является отсутствие коккоидных форм микроводорослей из отдела Chlorophyta. Наиболее устойчивыми к загрязнению оказались нитчатые формы синезеленых водорослей (цианобактерий Cyanophyta) и зеленых водорослей.

Вместе с тем, микроорганизмы сами являются очистителями окружающей среды. Дело в том, что питательными веществами для многих бактерий являются абсолютно несъедобные для высших организмов вещества. В большинстве случаев данные вещества (такие, как нефть, метан и т.п.) являются для таких бактерий прямыми источниками энергии, без которой они не выживут. В некоторых других случаях такие вещества не являются для бактерий жизненно важными, но бактерии могут их поглощать в больших количествах без вреда для себя. Еще до приспособления бактерий в качестве биофильтров и биоочистителей, до появления искусственных загрязнителей, микроорганизмы уже эффективно выполняли очистительную роль в природе.

Оценка состояния обитающих в почве организмов, их биоразнообразия имеет важное значение при решении задач природоохранной практики: выделении зон экологического неблагополучия, расчете ущерба, нанесенного деятельностью человека, определении устойчивости экосистемы и воздействии тех или иных антропогенных факторов. Микроорганизмы и их метаболиты позволяют проводить раннюю диагностику любых изменений окружающей среды, что важно при прогнозировании изменений окружающей среды под воздействием природных и антропогенных факторов.

Почва состоит из минеральных и органических соединений. Она – продукт жизнедеятельности микроорганизмов, осуществляюших процесс её формирования, самоочищения, круговорота азота, углерода, серы и железа в природе. Микроорганизмы почвы фиксируют азот из воздуха ( около 100 млн т ежегодно), образуют гумус почвы и высвобождают питательные вещества для растений, выполняют санитарную функцию почвы.

Очаговость распространения микроорганизмов – главная особенность их экологии в почве, позволяющая сохранить виды почвенных микроорганизмов и специфичность группировок по горизонтам почвы. В верхних слоях обитают актиномицеты и аэробы. В нижних – грибы и анаэробы. Общее количество микроорганизмов уменьшается по мере углубления в почву. Независимо от глубины наиболее густо всегда заселена околокорневая (ризосферная) зона растений (от греч. rhiza – одежда). Качественный состав околокорневой микрофлоры зависит от вида растений, но во всех случаях преобладает грибная флора. Количество микроорганизмов околокорневой зоны в тысячи раз превышает микробное число не занятой растениями почвы. Этот факт используется при обезвреживании почвы, обсемененной патогенными бактериями.

Микрофлора почвы включает все известные группа микроорганизмов: споровые и споронеобразующие бактерии, актиномицеты, грибы, спирохеты, архебактерии, простейшие, сине-зеленые водоросли, микоплазмы и вирусы. В 1 г почвы насчитывается до 6 млрд микробных тел. На качественный и количественный состав микрофлоры почвы влияет тип почвы, её плодородие, влажность, аэрация и физико – химические свойства. На микробиоценоз почвы существенно влияет деятельность человека: обработка почвы, внесение удобрений, мелиорация, загрязнение отходами производств.

Особо опасным в санитарном отношении является загрязнение почвы необезвреженными отходами животноводства (навоз, моча, отходы боенского производства, трупы животных). Самоочищающая способность почвы ограничена, а методы обеззараживания почвы громоздки и малоэффективны (например, 5 кг хлорной извести на 1 м кв почвы).

Некоторые патогенные микроорганизмы в зависимости от экологических особенностей вегетируют в почве, и почва для них является естественным местом обитания. Другая группа, в том числе и споронеобразующие, длительно сохраняются в почве определеного физико – химического состава, где при благоприятном температурно – влажностном режиме размножается. К третьей группе относятся возбудители хламидиозов, риккетсии, вирусы и особо прихотливые бактерии. Они быстро отмирают в почве.

Обеззараживающая способность разных почв неодинакова и подчас почва может служить благоприятным субстратом для патогенных микроорганизмов. Почва как субстрат, состоящий из твердой фазы и воды, служит естественным местом обитания для возбудителей многих заразных болезней: клостридиозов, сибирской язвы, псевдотуберкулеза, листериоза, лептоспироза, эризипелоида, туберкулеза, мелиоидоза, синегнойной инфекции, дерматомикозов, микотоксикозов, холеры, иерсиниоза, сальмонеллеза.

Санитарное состояние почвы оценивают по коли – титру, количеству анаэробов, споровых и термофилов, по наличию яиц гельминтов и специфических возбудителей инфекций. Для чистой почвы титр кишечной палочки не более 1г, умеренно загрязненной – до 50 мг, для сильно загрязненной – 1-2 мг.

Обезвреживание почвы, обсемененной патогенными микроорганизмами, проводят механической обработкой и посевом растений. Применение химических веществ приводит к утрате почвой плодородия.

Почва представляет собой поверхностный слой земной коры, являющийся самостоятельным природным телом, существенное свойство которого — плодородие. Основоположник современного научного почвоведения В. В. Докучаев писал: «Почвой следует называть дневные или наружные горизонты горных пород (все равно каких), естественно измененные совместным влиянием воды, воздуха и различного рода организмов живых и мертвых».

В. В. Докучаев первый понял и доказал, что почва — особое тело природы, столь же самобытное, как минерал, растение или животное, т. е. «четвертое природное тело»; что в разных условиях зарождаются и разные почвы, которые изменяются во времени; что почвы являются своеобразной средой жизни организмов, причем между почвой и организмами существует глубокое взаимодействие; наконец, что плодородием почв человек может управлять, непрерывно повышая его.

Ученик Докучаева, академик В. И. Вернадский, создал представление о почве как о биокосном теле, состоящем одновременно из живых и косных (неорганизованных) тел. В этом же направлении развивал взгляды на почву и академик В. Р. Вильямс, благодаря трудам которого почвоведение стало подлинно биологической наукой.

Почва возникла из горной породы, но существенно отличается от последней. Главное отличие в том, что горная порода бесплодна, а почва обладает плодородием. Как первичные — изверженные, так и вторичные — осадочные породы отличаются массивностью («массивные горные породы»).

Возникновение почвы из горной породы совершается в результате совместного влияния одновременно протекающих на земной поверхности процессов выветривания и почвообразования. Порода, вследствие малой теплопроводности и значительных колебаний температуры на ее поверхности под влиянием смены дня и ночи, подвергается термическому выветриванию. Результатом последнего является растрескивание и распад горной породы на мелкие остроугольные обломки — превращение ее в рухляк. Рухляк отличается от массивной породы проницаемостью для воды и воздуха.

Измельчение породы ведет к увеличению поверхности соприкосновения ее с элементами окружающей среды, что вызывает ряд новых процессов. Усиливается химическое выветривание элементов измельченной породы. В этом процессе особое значение имеют пары воды и углекислота воздуха. Вода и ветер переносят продукты выветривания. Образовывавшаяся аморфная кремневая кислота заполняла промежутки между крупными кристаллическими элементами рухляка. Масса породы переставала быть простым: сыпучим агрегатом частичек и становилась пористым телом, обладающим капиллярными явлениями.

Как указывает В. Р. Вильямс, под воздействием процессов выветривания из массивной горной породы образуется рухляковая порода, которая обладает только зачатками существенного свойства почвы. Такие породы носят название почвообразующих, или материнских, пород (их четыре — кварц, карбонаты, силикаты и алюмосиликаты). Совокупность процессов, путем которых на почвообразующей породе развивается почва, носит название почвообразовательного процесса. Сущность последнего заключается в синтезе и разрушении органического вещества.

Пока на Земле не было организмов, не могло быть и почвы. С появлением жизни мало-помалу первые живые существа вместе с водой и воздухом разрушали каменную кору Земли, а умирая, истлевали, разлагались и образовывали перегной (гумус).

Перегной смешивался и соединялся с измельченной породой и цементировал ее. Так зарождалась первая почва. На ней и в ней развивались все новые представители микроорганизмов, растений и животных.

Деревья и травы, поселяясь на почве, уходили своими корнями в трещины камней, разъединяли и разрушали их. На почву выпадали дожди. Вода промывала почвенные частички, растворяла содержащиеся в горной породе и перегное различные соли и питала ими растения, а часть солей вместе с водой просачивалась в нижележащие слои. Горная порода, слагающая почву, продолжала выветриваться. Но, разрушая камни и горы, растения в то же время защищали почву. Перегной склеивал почвенные частицы, а густая сеть корней скрепляла их. Корни высасывали почвенный раствор из глубоких слоев и через приповерхностную свою часть, через стебли и листья выносили различные питательные вещества к поверхности почвы, постепенно откладывая их в перегнойном горизонте. Плодородие почвы неуклонно росло. Вместе с корнями зеленых растений почву населили многочисленные бактерии и разнообразные животные— землерои (черви, насекомые, млекопитающие). Все это жило, двигалось, питалось, размножалось, умирало (Качинский, 1952).

Почва как среда жизни имеет свою историю: она возникла и развивается, проходя ряд стадий. Мощность слоя почвы достигает от нескольких миллиметров (в горах, на молодых почвообразующих породах) до нескольких метров.

Вполне развившаяся почва представляет многометровый пласт земли. На гладком разрезе такой почвы четко выделяются отдельные горизонты, отличающиеся по механическому составу и химическим свойствам. Эти горизонты могут быть объединены в три основных слоя: 1) слой перегнойный — темно окрашенный, содержащий большую часть корней растений (A₁); 2) слой вымывания— светло окрашенный, бедный перегноем и промытый водами (А₂); 3) слой вмывания — имеет цвет почвообразующей породы и характеризуется накоплением принесенных водой сверху веществ; отличается большей плотностью (B₁ и В₂); иногда в нем виднеются вкрапления солей (C₁).

Следовательно, под почвой нужно понимать все поверхностные слои горных пород, переработанные и измененные совместным действием климата (свет, тепло, воздух, вода), растительных и животных организмов, а на окультуренных территориях — и деятельностью человека, способные давать урожай растений (Качинский).

Человек оказывает мощное воздействие на почву: обрабатывает ее, изменяет ее состав удобрениями, осушает болота, орошает пустыни.

Связь организмов с почвой уже давно обратила на себя внимание. Тундра, тайга, степи и другие ландшафтные зоны характеризуются разным климатом, разными фауной и флорой, а также и разными почвами. Разный климат соответствующих географических поясов обусловил развитие там различных растений, животных и микроорганизмов, а различные живые существа по-разному влияли на образующуюся почву, как и почва на них.

Несмотря на то, что биологическое направление является ведущим в советском почвоведении, изучение почвы как среды жизни делает только первые шаги. «Специфические свойства почвы, позволяющие рассматривать ее как особое естественно-историческое тело, обусловленность особенностей почвы населяющими ее различными группами организмов требуют глубокого изучения всех почвообитающих организмов в их взаимосвязи со средой. Однако учение об организмах, населяющих почву, еще не вполне оформилось. Население почвы, его видовой и групповой состав, численность отдельных представителей, характер и периоды их активности и т. д. для большинства местностей еще недостаточно освещены».

Как справедливо указывает М. С. Гиляров, обзоры почвенных организмов страдают значительной неполнотой, особенно бросающейся в глаза при сравнении с данными о населении водоемов. В то время как учение о населении водоемов и его взаимозависимости с условиями существования давно оформилось в самостоятельную биологическую дисциплину — гидробиологию, аналогичное учение обо всем населении почвы еще только выкристаллизовывается, хотя почвенные организмы и в круговороте веществ в природе, и для хозяйственной деятельности человеческого общества имеют не меньшее значение, чем водные обитатели. Совершенно недостаточно изучены почвообразующие животные и их воздействие на свойства почвы. Причина сравнительно слабой изученности почвенных животных заключается не только в сложности условий существования организмов в почве, но также в трудности наблюдения и изучения почвенных животных вследствие непрозрачности и плотности среды обитания и, наконец, в трудоемкости даже элементарных работ по сбору и количественному учету почвенной фауны.

Сравнительно лучше изучена деятельность почвенных микроорганизмов. Работами С. Н. Виноградского, В. Л. Омелянского и других русских ученых создана почвенная микробиология. Успехи последней привели к тому, что разрушение органических остатков в почве стали объяснять исключительно деятельностью микроорганизмов, игнорируя деятельность животных, хотя уже задолго до открытия мощной ферментативной деятельности бактерий была известна роль животных в процессе разложения растительных и животных остатков, причем многие исследователи приписывали ей решающее значение. Несмотря на то, что накопленные данные о роли почвенных животных в почвообразовании еще окончательно не сведены, наша советская наука уже близка к синтезу знаний и по этому важному разделу почвенной биологии. Большая роль в создании почвенной зоологии принадлежит М. С. Гилярову, в своих работах ярко подчеркивающему глубокую взаимосвязь почвенных организмов со средой.

Почва как среда жизни характеризуется рядом особенностей, а действующие в ней факторы — специфичностью.

Почва отличается прежде всего своей плотностью и представляет из себя полидисперсную трехфазную систему. Твердая фаза почвы состоит из частиц различной величины, жидкая — из почвенной воды, газообразная — из почвенного воздуха. Почвы весьма сильно различаются по механическому составу и химическим свойствам.

По количеству песка (частиц размером 0, 25—3 мм, по В. Р. Вильямсу) почвы делятся по своему механическому составу на следующие виды:

Термины «легкий» и «тяжелый» в применении к почвам указывают на трудность их обработки, которая увеличивается с повышением содержания глинистых частиц.

Органические коллоиды цементируют частицы почвы в более или менее крупные отдельности. Наличие последних увеличивает скважность почвы, от которой зависят ее водопроницаемость, аэрация и другие свойства.

Промежутки между твердыми частицами почвы заполнены водой и воздухом. Различают два типа почвенной влаги: связанную (образуется путем адсорбции молекул воды поверхностью твердых частиц и представляет собой неподвижную пленку) и свободную (в виде капель или сплошь заполняющей капилляры: в последнем случае она обладает подвижностью). Наличие в почве значительных количеств свободной воды неблагоприятно для развития животной жизни, так как ухудшаются условия дыхания.

Почвенный воздух в верхних слоях почвы при незатопленных водою промежутках между почвенными частицами, при сообщающихся ходах почти не отличается от атмосферного по содержанию кислорода, но содержит в среднем в десять раз более углекислоты. Соотношение дыхательных газов в почвенном воздухе зависим от влажности и биологической активности почв; чем влажнее почва, чем труднее возобновление в ней воздуха, тем выше содержание углекислоты.

Для почвы характерен вертикальный градиент содержания кислорода (падающего с глубиной) и углекислоты (возрастающего с глубиной). Колебания соотношения количества воды и воздуха в отдельных слоях почвы, а также изменения ее температуры вызывают вертикальные миграции животных (Гиляров).

Своеобразен температурный режим почвы. Поверхность Земли играет днем и ночью центральную роль в теплообороте. Днем она служит основным местом поглощения солнечных лучей и зоной наиболее высокой температуры. С глубиной температура почвы падает. В ночные часы поверхность Земли является основным местом теплоизлучения и поэтому становится зоной самых низких температур; с глубиной в поверхностном слое почвы в это время температура возрастает. Суточные изменения температуры почвы обусловливают соответствующие суточные вертикальные миграции некоторых животных, налегающие на сезонные.

Чем суше условия района и чем выше инсоляция, тем на большей глубине протекают изменения температуры, связанные с суточным ритмом. Для пустынных почв окрестностей Ашхабада суточные колебания температуры летом сказываются на глубине 50 см. В условиях Средней Европы при суточных колебаниях июльской температуры у поверхности почвы в 10°, на глубине 15 см эти колебания составляют около 6°, а на глубине 30 см — всего около 2°.

Существенное влияние на почвенное население оказывает также химический состав почвы. Почвенная вода в зависимости от ионного состава растворимых соединений может иметь нейтральную, кислую и щелочную реакцию; кислая реакция особенно характерна для почв, богатых гумусом, образующимся в условиях повышенной влажности и недостаточной аэрации.

По В. Р. Вильямсу, следует различать три типа природных перегнойных кислот — ульминовую, гуминовую и креновую, — которые приурочены к трем типам разложения природного органического вещества:

а) ульминовая — бурая перегнойная кислота, образуется при анаэробном разложении;

б) гуминовая — черная перегнойная кислота, образуется при аэробном бактериальном разложении;

в) креновая — бесцветная перегнойная кислота, образуется при грибном разложении.

Помимо реакции среды, на почвенное население оказывает значительное влияние соленость, солевой режим почвы, зависящий от состава ионов и их концентрации. На солончаках этот фактор становится решающим, делая невозможным существование в почве большинства организмов.

Для общей характеристики почвы как среды обитания важно отметить, что почвенные животные приходят в постоянное соприкосновение поверхностью своего тела с растворами солей — момент, сближающий условия существования в почве с условиями водного обитания (Гиляров).

Большое влияние на обитающих в почве животных оказывает также практически повсеместное содержание в почве органических остатков, благодаря чему в почве постоянно бывают диспергированы вещества, могущие служить источником энергии. Вследствие этого в почве для многих форм возможно питание путем заглатывания субстрата. «Возможность питания путем пропускания через кишечник частиц субстрата, служащего средой обитания, сближает характер питания почвенных сапрофагов с типами питания водных, особенно бентических форм».

Как видим, почва отличается в качестве среды жизни рядом специфических особенностей, а действующие в ней факторы — своим своеобразием. Подчеркнем следующие черты:

1. Большая плотность среды, оказывающей механическое сопротивление движению тел.

2. Отсутствие света (он имеется лишь в самом поверхностном слое, где живут почвенные водоросли).

3. Малая амплитуда колебаний температуры.

4. Недостаток воздуха (уменьшение с глубиной количества кислорода и увеличение углекислоты).

5. Наличие большего или меньшего количества воды, содержащей растворенные вещества, характер которых определяет реакцию среды.

6. Наличие в толще окружающей организмы среды пищевых веществ в виде живых организмов и их остатков.

Почва является средой жизни разнообразных аэробных и анаэробных микроорганизмов, бесхлорофильных растений и представителей всех типов воздушных животных. Зеленых растений в почве нет ввиду отсутствия света, но вся воздушная флора в своей жизни тесно связана с почвой (наземные растения), из которой она получает элементы своей пищи и воду.

Почвенные водоросли, как и другие микроорганизмы почвы, обнаруживают определенную зависимость от растительного покрова. В зоне корней формируются группировки водорослей, отличающиеся по составу и численности от группировок окружающей почвы. Наблюдения в природе и эксперименты позволяют утверждать, что в почвах существуют взаимосвязи между почвенными водорослями и высшими растениями, основанные на взаимном использовании продуктов жизнедеятельности. Эти взаимосвязи оказываются полезными и для водорослей, и для цветковых. Вследствие многообразия способов питания почвенных водорослей (от истинно автотрофного до полностью гетеротрофного) в разных условиях главное значение для них приобретают то углекислота, образуемая корнями и ризосферными микроорганизмами, то органические корневые выделения, то подвижные формы минеральной пищи, накапливающиеся в ризосфере.

В свою очередь повышение урожая высших растений также обязано то одной, то другой стороне жизнедеятельности водорослей: ассимилирующей их деятельности, приводящей к накоплению органического вещества и усилению микробиологической активности; накоплению азота в результате азотфиксации или активации азотобактера; аэрирующему действию и, наконец, выделению биологически активных веществ, стимулирующих рост корня (Штина, 1956).

Количество организмов в почве огромно. В верхних слоях почвы в 1 г содержатся миллионы бактерий и сотни тысяч простейших. Под 1 м² поверхности почвы находятся миллионы червей (нематод), десятки и сотни тысяч мелких членистоногих (клещей, ногохвосток), десятки и сотни экземпляров более крупных беспозвоночных (дождевых червей, многоножек, личинок жуков). На 1 га могут быть встречены также разные млекопитающие — кроты, суслики, хомяки и другие.