Биосферные функции почвенного покрова¶

Педосфера — одна из геосфер наряду с литосферой, атмосферой и гидросферой. Выделение почвенной оболочки обусловлено тем, что она будучи важным регулятором взаимодействия биологического и геологического круговоротов, поддерживает исторически сложившийся тип геохимических потоков в биосфере, являясь условием ее нормального функционирования.

Почвоведение и термин «почва»¶

Почвоведение — наука о почвах, их образовании (генезисе), строении, составе и свойствах; о закономерностях их географического распространения; о процессах взаимосвязи с внешней средой, определяющих формирование и развитие главнейшего свойства почв — плодородия; о путях рационального использования почв в сельском хозяйстве и об изменении почвенного покрова в агрикультурных условиях.

Фундаментальность почвоведения состоит в его междисциплинарном характере, способствующем интеграции результатов многих смежных наук с целью создания комплексной картины строения и функционирования природных систем.

Почвоведение как научная дисциплина сформировалась в нашей стране в конце XIX века благодаря трудам русских учёных В.В. Докучаева, П.А. Костычева и Н.М. Сибирцева.

До Докучаева почву рассматривали как геологический и агрономический термин. В 1839 году под почвой понимали подлежащую в виде пласта горную породу называемую постелью или подошвой, 1863 год — в словаре Даля В.И. почва — земля, основание (от почивать, лежать), 1882 — верхний слой земли. И в 1883 году Докучаев В.В. впервые рассматривает почву как самостоятельное тело.

Первое научное определение почвы дал В.В. Докучаев: «Почвой следует называть «дневные» или наружные горизонты горных пород (все равно каких), естественно изменённые совместным воздействием воды, воздуха и различного рода организмов, живых и мёртвых». Он установил, что все почвы на земной поверхности образуются путём «чрезвычайно сложного взаимодействия местного климата, растительности и животных организмов, состава и строения материнских горных пород, рельефа местности и, наконец, возраста страны». Эти идеи В.В. Докучаева получили дальнейшее развитие в представлениях о почве как о биоминеральной («биокосной») динамической системе, находящейся в постоянном материальном и энергетическом взаимодействии с внешней средой и частично замкнутой через биологический круговорот.

В.В. Докучаев определению понятия «почва» придавал большое значение и совершенствовал его на протяжении всей своей научной деятельности. Это совершенствование заключалось в устранении из определения упоминания о конкретных свойствах почв (гумусированность, структура и другие), дополнением числа факторов (время) и усилением функциональности определения, подчёркиванием взаимодействия.

В 1879–1881 годах В.В. Докучаев определял почву как «поверхностно лежащие минерально-органические образования, которые всегда более или менее сильно окрашены гумусом и постоянно являются результатом взаимной деятельности следующих агентов: живых и отживших организмов (как растений, так и животных), материнской горной породы, климата и рельефа местности; почва, как всякий другой организм, всегда имеет известное нормальное строение, нормальную толщину и нормальное положение».

В 1886 году В.В. Докучаев предложил «разуметь под почвой исключительно только те дневные или близкие к ним горизонты горных пород (все равно каких), которые более или менее естественно изменены взаимным влиянием воды, воздуха и различного рода организмов — живых и мертвых, что сказывается известным образом на составе, структуре и цвете таких продуктов выветривания».

В 1898 году В.В. Докучаев подчеркнул, что «почвы и грунты суть зеркало, яркое и правдивое отражение, так сказать, непосредственный результат совокупного весьма тесного векового взаимодействия между водой, воздухом и породой, с одной стороны, растительными и животными организмами, с другой».

1899 год: «Почвы — вечно изменяющиеся функции от:

климата (вода, температура, кислород, углекислота воздуха),
материнских горных пород,
растительности и животных организмов, особенно низших,
рельефа и высоты местности и, наконец,
почвенного, а частью и геологического возраста страны».

Последнее, самое краткое определение почвы, данное Докучаевым В.В., — «почвы есть функция (результат) от материнской породы (грунта), климата и организмов, помноженное на время».

Эволюционировало и представление Докучаева В.В. о том, какие образования можно относить к почвам. Первоначально он подчёркивал, что к почвам можно относить только нормальные, а аллювиальным он отказывал в отнесении к почвам. В дальнейшем Докучаев В.В. выделил группу анормальных почв, у которых почвенные свойства выражены слабее из-за динамических геологических процессов.

Среди трудов многочисленных учеников и последователей В.В. Докучаева выделяются работы Н.М. Сибирцева (1860–1900), который написал первый учебник почвоведения, систематизировал и развил основы учения В.В. Докучаева о почве. Он конкретизировал определение почв, выделив на первый план взаимодействие растительности и горных пород в различных условиях климата и рельефа, разделил факторы почвообразования на биотические и абиотические, внёс существенные уточнения в классификацию почв, установил разделение почв на зональные, интразональные и азональные и продолжил докучаевские работы по борьбе с засухой.

Одновременно с развитием школы В.В. Докучаева изучение почв проводилось П.А. Костычевым (1845–1895), который заложил научные основы агрономического почвоведения и сделал ряд важных теоретических обобщений, связавших почвоведение и земледелие. П.А. Костычев подчёркивал тесную связь образования почв с жизнью растений и определял почву как «верхний слой земли до той глубины, до которой доходит главная масса растительных корней».

Определение в толковом словаре Роде А.А.: почва — самостоятельное естественноисторическое органо-минеральное тело природы, возникшее в результате воздействия живых и мёртвых организмов и природных вод на поверхностные горизонты горных пород в различных условиях климата и рельефа в гравитационном поле Земли.

Почва согласно Апарину Б.Ф. — сложная развивающаяся открытая природная система в поверхностном слое коры выветривания, являющаяся функцией постоянного взаимодействия горной породы, организмов, климата, рельефа и времени и обладающая способностью к воспроизводству плодородия.

Среди других природных тел (горные породы, животные, растения) почва занимает особое пограничное положение. Она состоит из разнородных природных компонентов: минерального, живого и мертвого органического вещества, воды и газов, образующих единую систему. Почвы, по В.И. Вернадскому, — биокосное природное тело, закономерные структуры которой состоят из косных (минеральных) и живых тел одновременно.

Согласно ГОСТу 27593-88 Почвы. Термины и определения, почва — самостоятельное естественно-историческое органоминеральное природное тело, возникшее на поверхности земли в результате длительного воздействия биотических, абиотических и антропогенных факторов, состоящее из твердых минеральных и органических частиц, воды и воздуха и имеющее специфические генетико-морфологические признаки, свойства, создающие для роста и развития растений соответствующие условия.

Происхождение почвенного покрова и его эволюция¶

Геологическая история Земли началась 4,5 млрд лет назад после образования литосферы. Древнейший и наиболее продолжительный (3,8 млрд лет) временной промежуток в истории Земли назван криптозоем — периодом скрытой жизни. Последние 0,6 млрд лет составляют фанерозойский эон со следами явной жизни.

В криптозое происходила многократная перестройка суши, поверхностный слой литосферы подвергается интенсивному выветриванию, к концу криптозоя сформировались обильные осадочные породы и появились примитивные почвы.

Основная периодизация и события этих древнейших эпох по современным научным представлениям выглядят следующим образом.

Гадейский (катархейский) эон (4,5–3,9 млрд лет назад) — образование системы Земля–Луна, образование океанов и протоконтинентов, осадочные породы отсутствуют. В это время уже могло происходить накопление органического раствора — «первичного бульона». Независимо от того, где зародилась жизнь, большинство теорий связывают зарождение жизни с появлением на Земле гиперциклов — сложных органических молекул, способных воспроизводить себя. Значительна вероятность их возникновения и в вакууме космоса, и на Земле. Но только попав в определенные экологические условия, гиперциклы могут эволюционировать. Большее преимущество должны были иметь те гиперциклы, которые адсорбировались на минеральных коллоидах. Другие органические соединения, находившиеся в почвенном растворе, взаимодействовали с сорбированными на минеральной матрице гиперциклами. Происходило достраивание их молекул или воспроизведение аналогичных молекул гиперциклов. Такие «оседлые» гиперциклы могли использовать минералы, на которых сорбировались в качестве катализаторов (например, железо в составе оксидов) и до сих пор работают как катализаторы у некоторых видов микроорганизмов.

Архейский эон (3,9–2,6 млрд лет назад) — появление магнитного поля Земли, образование древнейшего суперконтинента Пангея и древних осадочных пород. Развиваются анаэробные сообщества архебактерий, прокариотических гетеротрофов и прокариот, способных к аноксигенному фотосинтезу, ископаемые остатки которых в виде строматолитов и микрофоссилий обнаруживаются в породах архея; атмосфера восстановительная. По представлениям Л.О. Карпачевского уже на первых стадиях криптозоя некоторые участки суши были покрыты предпочвами, представлявшими собой минеральный субстрат с сорбированным на нем органическим веществом. «Развитие гиперциклов превратило предпочву в протопочву и могло одновременно привести к возникновению жизни и биосферы в современном понимании этих терминов. Почва, или, точнее, первичное почвоподобное тело, возникло раньше биосферы и послужило толчком к формированию биосферы».

Протерозойский эон (2,6–0,6 млрд лет назад) — произошло раскалывание Пангеи, образование рифтовых впадин, формирование обильных осадочных пород и появление на них примитивных почв. В начале протерозоя появляются оксифотобактерии, 2 млрд лет назад атмосфера становится окислительной, аэробные сообщества господствуют (сначала цианобактерии, затем альгобактерии). Одноклеточные эукариотические организмы появляются 1,8 млрд лет назад, многоклеточные формы эукариот — 0,9–0,7 млрд лет назад. В дальнейшем в течение длительного времени (в криптозое и начале фанерозоя) шло расселение возникших организмов и их эволюция; окислительная атмосфера Земли способствовала эволюционному процессу. Появление и повсеместное распространение многоклеточных организмов сделало возможным сохранение в окаменевшем виде разнообразных и многочисленных оранизмов — наступил фанерозой.

Фанерозойский эон (0,6–0 млрд лет назад) — к фанерозою относятся геологические периоды с явными признаками жизни, то есть обильными ископаемыми остатками всех групп живых организмов. Считается, что живые организмы зародились в океане и около 1 млрд лет развивались в нем, прежде чем вышли на сушу. Суша уже тогда в значительной степени была покрыта рыхлыми отложениями, послужившими основой для почв, зарождавшихся под действием водорослей. Выход растений на сушу произошел в силуре-девоне около 430 млн лет назад, первыми растениями суши были риниофиты, которые дали толчок эволюции высших наземных зеленых растений — мхов и папоротникообразных. Началась эволюция уже существовавших на тот момент примитивных почв, сопряженная с эволюцией наземных сообществ. Фанерозойский эон делится на эры: палеозойскую (эра древней жизни — господство морских беспозвоночных, рыб, папоротников и плаунов), мезозойскую (эра средней жизни — господствовали голосеменные и пресмыкающиеся) и кайнозойскую (эра новой жизни — господство покрытосеменных и млекопитающих).

В начале фанерозоя протопочвы были заселены как автотрофами, так и гетеротрофами. В почве накапливались органические соединения, усиливались циклы биофильных элементов (S, N, C, Fe), возник биологический круговорот. Почвенный покров Земли уже в начале палеозойской эры фанерозоя (кембрий, ордовик, силур) был представлен маломощными среднегумусированными дерновыми, луговыми, иловато-болотными почвами, карликовыми подзолистыми и дерново-подзолистыми почвами. Однако надежных следов этих почв не найдено.

Настоящие среднемощные почвы появились в девоне: перегнойно-глеевые, торфяно-глеевые, луговые, засоленные (аналогичные современные почвы встречаются в поймах рек, ручьев). Характерной чертой этой стадии было малое участие мезофауны в разложении органического вещества, что способствовало консервации органики после отмирания растений, в том числе и стволов гигантских папоротников. Возможно, именно поэтому сформировались мощные слои каменного угля, в которых сохранились окаменевшие слои древовидных папоротников. В это же время появились растения с более совершенной корневой системой, что способствовало большему охвату субстрата и формированию симбиотических связей с микробиотой.

В карбоне отмечен расцвет насекомых, усиливаются процессы разложения органических остатков, интенсифицируется гумификация. В целом сохраняются те почвы, которые сформировались в конце девона. Папоротникообразные образуют приморские и приозерные леса из древовидных плаунов (высотой до 30 м), хвощей и лепидодендронов с торфяными, перегнойно-торфяными и иловато-торфяными почвами. В дренированных условиях формируются грубогумусные почвы. В конце карбона появляются саговники, кордаиты и хвойные.

В мезозое ведущая роль в формировании почв переходит к голосеменным. Они появляются уже в конце палеозоя (пермь–триас). Первый класс голосеменных — семенные папоротники — появился в девоне и вымер в раннем мелу. Под лесами из голосеменных формировались те же торфяно-глеевые и перегнойно-глеевые почвы, но одновременно возникали и первичные дерновые и луговые почвы.

Кайнозойская эра знаменуется появлением покрытосеменных растений. Собственно дерновые почвы своим происхождением обязаны травянистым растениям, их появление датируется меловым периодом. Возможно, именно в этот период возникают и черноземы, и серые лесные почвы, но как единичные и малораспространенные. Расцвет черноземов и серых лесных почв наступает в четвертичном периоде. В нижнем (или позднем) мелу сформировался современный почвенный покров Земли, и далее он трансформировался в основном наступлениями и отступлениями ледника.

Современный дневной почвенный покров на той части суши, где было оледенение, возник после таяния (отступления) ледника и сформировался в голоцене (12–14 тыс. лет назад). Поэтому в полярных, субполярных и умеренных поясах, ограниченных 40° (что составляет более 30 % суши), практически все почвы не старше голоцена.

Из-за преобладания почв, возникших в послеледниковый период, вопросы голоценовой эволюции почв являются наиболее важными при изучении пространственной организации современного почвенного покрова, а также имеют первостепенное значение для понимания взаимодействия почв с природным и антропогенным факторами. В ландшафтах, примыкавших к леднику, но не занятых им, возраст нижних горизонтов почв может быть намного старше самого ландшафта. Ландшафты, не затронутые ни ледником, ни серьезными климатическими флуктуациями, все равно разновозрастны, т. к. они подвержены эрозии, перемешиванию, наносам.

Почвенный покров Восточной Европы и всего умеренного пояса прошел в голоцене ряд стадий развития, связанных со сменами климата и биоты.

Существенные изменения почв происходили в раннем голоцене (10,3–8 тыс. лет назад): потепление климата, развитие растительного покрова, затухание денудационно-аккумулятивных процессов, стабилизация поверхности, становление полноразвитых почв и почвенного покрова параллельно со становлением современных зональных ландшафтов; выщелачивание материнских пород. В это время из пород, местами включавших слаборазвитые почвы, сформировались хорошо развитые почвы, близкие к современным.

Средний голоцен (8–5 тыс. лет назад) характеризовался теплым климатом с непродолжительными похолоданиями и потеплениями и колебаниями увлажненности. Это период стабильного состояния почвенного покрова и ландшафтных зон при максимальном продвижении их к северу.

Поздний голоцен (3,5–1 тыс. лет назад) отличается похолоданием климата, наступлением леса на степь, тундры на лес, опусканием высотных поясов в горах. Происходила эволюция части среднеголоценовых черноземов в серые лесные почвы, части серых и темно-серых лесных — в дерново-подзолистые. В это время отмечено усиление заболачивания в тайге, наложение тундрового почвообразования на таежное по северной границе лесной зоны.

Период исторической антропогенной эволюции почв (1–0,3 тыс. лет назад) отличается постепенным распространением антропогенных воздействий, преимущественно косвенных, например через изменение биоты. Происходила вырубка лесов, вызвавшая наступление степи на лес, трансформация части серых лесных почв в черноземы. Этот период постепенно переходит в антропогенно-техногенную эволюцию почв, охватывающую последние 300 лет.

В это время происходит распространение прямых воздействий на почвы: эрозии, агротурбаций, загрязнения и деградации почв, создания урбаноземов и других антропогенно-измененных почв. Современными процессами эволюции и динамики почв, еще более усложняющими почвенный покров, являются различные деградационные процессы (дегумификация, эрозия и другие), климатогенное заболачивание, олуговение, автоморфное осолонцевание, пирогенное окарбоначивание.

Исходя из истории Земли в протерозое и фанерозое, процессы почвообразования перемежались с процессами погребения почв и разрушения почвенного покрова; новая педосфера формировалась как на новых геологических отложениях, так и на остатках старых почв. Среди былых почв — слои каменного угля, глинистые сланцы, известняки, лессы, глинистые и песчаные отложения. Все эти породы, даже подвергнутые метаморфозу (переплавке в недрах Земли), хранят более высокие доли биогенных элементов (Mg, Ba, P, S, Mn, N, C) и указывают на то, что эти слои когда-то были почвой. Современный почвенный покров — динамичное природное тело, развивающееся в пределах биосферы суши, постоянно гибнущее и возникающее вновь.

Экологические функции почв¶

Изучение функций почв в биоценозах и геосферах является фундаментальной проблемой почвоведения и началось задолго до того, как было сформулировано учение об экологических функциях.

Уже во времена существования древних цивилизаций Египта, Китая, Индии, Месопотамии много знали о важнейших свойствах почвы, что помогало успешно вести хозяйство и правильно понимать ее особую роль в жизни природы и общества. В философских системах древности почва рассматривалась как одна из природных стихий (наряду с огнем, водой и воздухом) и являлась одним из непременных условий бытия. Почва, отнесенная к первоосновам жизни, неизбежно обожествлялась, у разных народов появлялись культы богов Земли. Несмотря на ограниченность и эмпирический характер представлений о почве, интуитивным и опытным путем были правильно определены наиболее характерные почвенные свойства: высокая изменчивость в пространстве и времени, чувствительность почвы к воздействию земледельца, отзывчивость растений на почвенное плодородие.

Средние века не дали новых сведений о почве; в Западной Европе к XIII веку после длительного забвения была обобщена античная земледельческая литература, продолжалось накопление эмпирических агрономических знаний. Благодаря развитию химии, появляются попытки объяснить почвенное плодородие, закладывается аналитический подход к изучению почвы.

Только в эпоху Возрождения (ХIV–ХVI века) началось изучение отдельных почвенных свойств, в различных науках происходило обособление разделов, изучающих почвы под тем или иным углом зрения: ее изучают химики (агрономическая химия), биологи (физиология питания растений), геологи (агрогеология), экономисты (сельскохозяйственная статистика). Вплоть до второй половины ХIХ в. шло неуклонное расширение экспериментальных знаний о почве. Однако изучение почвы в рамках различных наук и сохранение прикладного сельскохозяйственного подхода неизбежно порождало разобщенность понятий, однобокость и противоречивость суждений, а также их очевидную утилитарность.

Становление почвоведения как науки связано Докучаевым В.В., которому удалось разрешить глубокие противоречия в изучении почвы. Он указал на невозможность рассматривать почву как объект геологический или агрономический, а выделил ее как особое естественно-историческое тело со своими законами развития и обосновал необходимость новой самостоятельной науки. Благодаря его работам и работам его учеников к началу 20 в. было создано первое обобщающее учение о почве (факторное почвоведение). Почвоведение постепенно приобрело статус фундаментальной науки о Земле с достаточно сложной структурой, оно вобрало в себя многочисленные смежные науки, появились морфология, физика, химия, биология, география почв и различные прикладные направления почвоведения.

В.И. Вернадский, являясь учеником В.В. Докучаева, развил и внедрил в естествознание целостный динамический подход, характерный для докучаевской научной школы. Целостное рассмотрение природы во всех ее взаимосвязях в значительной мере способствовало разработке биосферной концепции В. И. Вернадского, и именно ему принадлежат первые прямые высказывания о глобальном значении почвы на Земле.

Однако для оформления учения об экологических функциях почв в отдельное научное направление потребовалось еще около полувека. В 1986 году вышла работа Г.В. Добровольского и Е.Д. Никитина «Экологические функции почв», в которой впервые были названы функции почв в экосистемах и геосферах. Прямое указание на понимание термина «функция почвы» Г.В. Добровольский и Е.Д. Никитин дают в учебнике «Экология почв»: это роль и значение почв и почвенных процессов в жизни экосистем и геосфер, их сохранении и эволюции.

Казалось бы, что традиционное определение почвы, данное В.В. Докучаевым, является функциональным: «Почва — те дневные или близкие к ним горизонты горных пород (все равно каких), которые были более или менее естественно изменены взаимным влиянием воды, воздуха и различного рода организмов — живых и мертвых, что и сказывается известным образом на составе, структуре и цвете таких образований». В определении подчеркнуто взаимодействие, предполагающее наличие прямой и обратной связи между почвой и факторами, ее образующими. Однако за более чем столетнюю историю почвоведения основная часть исследований состояла в изучении прямого влияния факторов на почву. Обратное ответное действие самой почвы на компоненты среды сколько-нибудь комплексно не исследовалось, работы велись разрозненно и касались в основном роли почв в жизни растений. Поэтому авторы экологического почвоведения делают акцент на исследовании не только прямых взаимодействий (фактор среды–почва), но и обратных (почва–фактор среды).

Анализ взаимодействия почв с геосферами Земли и выяснение роли каждой оболочки в общем благополучии планеты показали, что почвенное звено в данном взаимодействии оказывается одним из центральных, так как появляется все больше доказательств исключительного значения почвы в нормальном функционировании приповерхностных оболочек Земли. Доказано, что без полноценного почвенного покрова было бы невозможно возникновение и существование современной биосферы.

Исследования биоценотических и глобальных функций почв имеют принципиальное значение не только для развития науки о почве, но и для создания научно обоснованной системы рационального использования и охраны природных ресурсов. Учение об экологических функциях может помочь в осмыслении информации, накопленной в почвоведении и смежных науках, и в открытии новых процессов и явлений в экосистемах и геосферах.

Биогеоценотические функции почв¶

Биосфера организована как совокупность экосистем различного масштаба, в то же время она сама является глобальной экосистемой. В современном понимании экосистема — система, включающая живые организмы и среду их обитания. В отечественной литературе вместо термина «экосистема» чаще употребляют термин «биогеоценоз», предложенный в 1940 году В.Н. Сукачевым. В зависимости от среды обитания организма принято следующее подразделение экосистем: биогенные (среда обитания — живой организм); органогенные (среда обитания — мертвый органический субстрат); биокосные (среда обитания — абиотический субстрат).

Педосфера является компонентом биосферы и принадлежит к особому классу природных тел — биокосных. К биокосным телам, кроме почвы, относят отложения морского дна, часть гидросферы (моря, реки, пруды озера) и нижнюю часть атмосферы.

Функции, обусловленные физическими свойствами почв¶

Жизненное пространство¶

В качестве жизненного пространства почву использует огромное количество живых организмов, представляющих различные систематические группы.

Подавляющее большинство растений связано с почвой теснейшим образом: они погружены в почву корнями, которые составляют от 20–30 до 90% фитомассы.

В различных природных зонах абсолютное и относительное содержание корней в почве очень различно. Абсолютное содержание корней в тропических лесах более 1000 ц/га, в хвойных и лиственных лесах — 800–950 ц/га, в степях — 250 ц/га, в арктических тундрах — 80 ц/га, в пустынях — 30 ц/га. Относительное содержание корней рассчитывается как отношение массы корней ко всей фитомассе растений, эта величина достигает максимальных величин в 70–90 % в почвах тундровой и степной зон и существенно влияет на ход почвообразовательных процессов. С помощью корней растения получают из почвы минеральное питание, процесс поглощения минеральных растворов очень сильно зависит от многих физических почвенных свойств: количества и размера почвенных капилляров, порозности, плотности, оструктуренности, гранулометрического состава, влагоемкости и другого. Кроме этого, в почве проходят ранние циклы развития растений.

Микроорганизмы очень активно используют почву в качестве среды обитания. Наиболее многочисленной и разнообразной группой являются бактерии. Особое значение для почвообразования имеют истинные бактерии, актиномицеты и миксобактерии. Их численность в почве огромна и может колебаться в зависимости от условий на несколько порядков, например для бактерий эти величины изменяются в пределах 106–1010 клеток/г почвы. Особенность микробных сообществ почв — их очаговость или микрозональность. Несмотря на свой космополитизм, микроорганизмы сильно зависят от почвенных условий: количества и качества органического вещества, плотности, порозности, влагоемкости, механического состава.

Из беспозвоночных в почве живут простейшие, плоские, круглые, кольчатые черви, немертины, моллюски, тихоходки, первичнотрахейные, членистоногие.

Позвоночные представлены амфибиями, рептилиями, млекопитающими. Распространенность почвенных животных зависит от биологии вида.

Численность почвообитающих животных очень сильно меняется в соответствии с сезонными и погодными условиями. Большим колебаниям подвержена численность и биомасса дождевых червей, которая может колебаться от 50 до 4000 кг/га. Между численностью и биомассой почвенных беспозвоночных животных часто наблюдаются обратно пропорциональные отношения. Число особей дождевых червей, дающих основной вклад в зоомассу, значительно уступает по численности более мелким животным (энхитреидам, клещам, ногохвосткам, нематодам). Наиболее обильны в почве простейшие — до 106 на 1 кв. м, их популяция может обновляться за один-три дня. У дождевых червей обновление значительно более медленное: в природных условиях живут около двух лет.

Почва, благодаря своему сложному многофазному строению и наличию локусов с разными условиями, обеспечивает жизнь самых различных групп животных.

При этом наиболее мелкие животные используют, главным образом, водную фазу почвы (коловратки, простейшие), при значительном увлажнении они плавают в порах, заполненных гравитационной водой, как в небольших водоемах и физиологически остаются водными животными; для них наибольшее значение имеет динамика водного, температурного и солевого режимов почв.

Для более крупных животных (клещей, ногохвосток, мелких жуков) почва — система ходов и полостей, для них обитание в почве сходно с жизнью в насыщенных влагой пещерах, поэтому имеет значение порозность почвы, температура, влажность, количество органики. Для дождевых червей, личинок, многоножек почва выступает как субстрат разной степени плотности, в которой приходится прокладывать ходы.

Таким образом, для разных размерных групп животных почва выступает как разная среда обитания. Данная гетерогенность почвы свидетельствует о том, что в ней в ограниченном объеме соприкасаются практически все типы экологических ниш.

Жилище и убежище¶

Почва предохраняет многие живые организмы от колебания температур, защищает от хищников, дает возможность пережить неблагоприятное время года и тем самым выполняет функцию жилища. Эта защитная способность почвы связана с тем, что температура и влажность воздуха в ней подвержены значительно менее резким колебаниям, чем на поверхности. Экстремальные условия среды (слишком низкие или слишком высокие температуры в тундре, пустыне), резкие смены погоды делают эту функцию почвы особенно важной.

Наглядно эта функция проявляется для животных, использующих несколько сред. Например, для грызунов (полевки, суслики, хомяки, бурундуки) характерна добыча пищи на поверхности, а в почве они укрываются от хищников, непогоды, создают пищевые запасы, многие впадают в спячку на неблагоприятный период. Используют почву в качестве жилища и другие позвоночные животные: барсук, бобер, выдра, лиса, песец, змеи, некоторые птицы. Бобры — обитатели тихих неглубоких речек, озер и болот, но если берега достаточно высоки и грунт прочен, то они предпочитают рыть норы. Не могут обойтись без подземного жилья лиса и песец. Многие животные используют в качестве нор подземные лабиринты, вырытые грызунами: ящерицы (круглоголовка), змеи (щитомордник), птицы (каменка и пеганка).

Многие беспозвоночные активно используют почву не только как жизненное пространство, но и как жилище. Это дождевые черви, особенно во время анабиоза; роющие осы Средней Азии, строящие в почве гнезда на разной глубине. Особенно сложные постройки в почве делают термиты, уходящие в легких грунтах на глубину до 12 м. Использование чужих сооружений в качестве жилища характерно и для беспозвоночных: пауки, мокрицы, блохи, жуки, мухи используют норы сусликов. Блохи, мухи и некоторые жуки там и размножаются, откладывая яйца в помет сусликов.

Опорная функция¶

В первую очередь эта функция почвы важна для растений — благодаря почве растения сохраняют свое вертикальное положение, противостоят ветровалам и силе тяжести. Главный способ пространственной фиксации растений — закрепление в почве с помощью корней. Многообразие опорных свойств почвы обусловливает разнообразие морфологических особенностей корневых систем растений. На рыхлых песчаных почвах большинство растений имеют хорошо развитый стержневой корень, выполняющий функцию заякоривания.

Изменение опорной функции почв сказывается на вертикальной ориентации растений, в ряде случаев могут влиять на структуру фитоценоза. Так, тиксотропность и текучесть грунта в условиях вечной мерзлоты приводит к появлению различного наклона деревьев в условиях лесотундры («пьяный лес»). На горных склонах в участках интенсивного осыпания грунта опорная функция почвы утрачивается, на осыпях растения практически не могут развиваться.

Опорная функция важна и для ряда животных. Для многих мигрирующих животных важны «дорожные» свойства почвы, эти свойства влияют на выбор конкретных путей миграции многих животных, а также определяют адаптивные изменения органов движения и способов перемещения.

Для многих роющих животных, особенно грызунов, важны «строительные» качества почвы — ее способность, не осыпаясь, сохранять целостность построек. Например, суслики в аридных районах предпочитают строить жилища на солонцеватых и солонцовых почвах, так как они обеспечивают сохранность ходов и гнездовых камер.

Хранилище семян и других зачатков¶

Почва является наиболее универсальным субстратом для хранения различных зачатков жизни: спор, цист, семян, личинок, яиц и тому подобных. Устойчивое существование и поддержание разнообразия наземных биоценозов было бы невозможно без такого хранилища генетической информации, как почва. Способность почвы сохранять зачатки организмов обусловлена ее многофазностью, многокомпонентностью, наличием в ней локусов и горизонтов, отличающихся по влагообеспеченности, кислотности, содержанию кислорода, органики, в ней не происходит резких изменений температуры и влажности. Низкое содержание кислорода в почвенном воздухе считается одной из предпосылок замедления окислительных процессов и способствует сохранению организмов в состоянии анабиоза. Гетерогенность почвенных свойств и значительная стабильность условий предоставляет самый широкий диапазон возможностей для хранения разнообразных зачатков жизни.

Семена хранятся в почве годы, десятки, иногда сотни лет, не теряя всхожести.

Длительное сохранение зачатков организмов в почве приводит к их накоплению и созданию запаса (пула); по отношению к любым зачаткам организмов почва становится местом хранения (депо). Особенно часто этим термином обозначают пул микроорганизмов. Поскольку микробный пул избыточен и не обеспечен органическим веществом и другими элементами питания, это делает большую часть микроорганизмов почвы малодеятельными или недеятельными (находящимися в состоянии глубокого покоя). Частичное сохранение физиологической активности микробов позволяет им при благоприятных условиях быстро включаться в процессы жизнедеятельности и выполнять свои почвенно-экологические функции. Кроме того, микробный пул обладает огромным видовым разнообразием, по микробному генофонду почва — самый богатый природный субстрат.

Функции, связанные с химическими свойствами почв¶

Почва как источник и депо питательных веществ и воды¶

Это одна из функций, изучение которой началось задолго до появления экологии почв.

Огромная роль растений в жизни человека объясняет, почему именно их почвенное питание стало изучаться раньше других организмов. К ХIХ в. было установлено, что растения имеют два источника питания — воздушный (двуокись углерода) и почвенный (вода и растворенные в ней минеральные вещества). Корнем поглощаются минеральные соединения почвы в виде ионов, находящиеся в обменном состоянии в составе почвенно-поглощающего комплекса или из почвенного раствора; часть воды, зольных элементов и азота может поступать через листья. В ионной форме из растворов почвы получают питательные вещества грибы и многие микроорганизмы. Некоторые микроорганизмы могут извлекать ионы непосредственно из горной породы. Гетеротрофные организмы (бактерии, грибы, животные) используют также живую и мертвую органику почвы.

Для понимания сущности процесса почвенного питания следует учитывать специфичность пищевых потребностей различных растений, определяющуюся биологией вида. В естественных экосистемах в ходе длительной эволюции произошла взаимная подгонка почв и поселяющихся на них фитоценозов, приводящая к оптимизации потоков вещества и энергии в биогеоценозах.

Запас питательных элементов представлен в почве разнообразными минеральными и органическими соединениями: первичными и вторичными минералами, гумусовыми кислотами, гумином, органоминеральными комплексами. Эти вещества устойчивы и используются организмами только после того, как израсходованы легкодоступные соединения. Различия почв по запасу питательных элементов очень велики (по кальцию в 1310 раз). По запасам гумуса почвы также могут изменяться в десятки раз.

Очень важной характеристикой является доступность элементов минерального питания: наиболее доступны ионы растворов, при их адсорбции на поверхности почвенных частиц доступность снижается. Значительно влияют на доступность и кислотно-основные свойства почвы.

Значительный запас влаги в почве обеспечивается влагой глубоких горизонтов. Запасы воды в почве обусловлены ее влагоемкостью (величиной удельной поверхности почв, способной сорбировать воду) и количеством пор, которые могут заполняться водой. Эти параметры связаны с гранулометрическим составом, структурой минеральных зерен и оструктуренностью самой почвы.

Функция стимулятора и ингибитора биохимических и других процессов¶

В почву поступают разнообразные продукты метаболизма живых организмов: аминокислоты, белки, витамины, спирты, полисахариды. Эти вещества могут как стимулировать, так и угнетать жизнедеятельность других организмов.

В настоящее время накоплен значительный материал по влиянию организмов друг на друга. Особенно подробно изучался вопрос о взаимовлияниях высших растений и их взаимосвязях с микроорганизмами почвы. В настоящее время активно изучаются взаимовлияния почвенных микроорганизмов.

Выделения растений могут влиять на другие растения по-разному: отрицательно (ясень, вяз, осина, сосна отрицательно влияют на дуб), положительно (липа и клен положительно влияют на дуб). Существует и безразличное отношение растений как к собственным, так и к чужим корневым выделениям (дуб и ель безразличны к выделениям друг друга; конопля, картофель, пшеница, ячмень, кукуруза не проявляют признаков самоотравления).

Функции, определяемые физико-химическими параметрами почв¶

Сорбция тонкодисперсного вещества¶

Огромная поверхность частиц почвенного мелкозема, особенно коллоидной фракции, позволяет сорбироваться на поверхности почвенных частиц молекулам газов, воды и других жидкостей и различным ионам, в том числе составляющим основу минерального питания организмов. Основной механизм сорбции — адсорбция веществ коллоидами почвы; кроме того, существует механическое задержание, химическое поглощение и биологическая сорбция (в телах живых организмов).

Адсорбция веществ коллоидами играет в поглотительной способности почв наибольшее значение. Чем тяжелее механический состав почвы, тем больше в составе почвы коллоидной фракции и тем больше поглотительная способность почвы. Кроме того, поглощение сильно зависит от химической природы коллоидов — от соотношения их органических и минеральных компонентов и природы глинистых минералов. Благодаря этой функции, почвой удерживаются ионы в обменном состоянии, то есть в состоянии, доступном для растений и микроорганизмов. Адсорбция веществ позволяет удерживать их в почве и противостоять выносу с атмосферными осадками. Существование организмов в ландшафтах гумидного климата было бы крайне затруднено, если бы питательные элементы не сорбировались почвой, а немедленно удалялись из нее выпадающими осадками.

Сорбция имеет и отрицательный эффект: часть ионов становится малодоступной для растений (из-за необменного поглощения); сходное явление отмечается и для воды — в защемленных порах формируется «мертвый» запас влаги. Особенно значительные запасы недоступной влаги отмечены в почвах тяжелого механического состава. Кроме того, в почве сорбируются и вредные для биоты элементы и соединения, которые изменяют свойства почвы и влияют на жизнедеятельность организмов.

Сорбция микроорганизмов на почвенном мелкоземе¶

Благодаря сорбции, микроорганизмы защищены от выноса потоками влаги за пределы почвенного профиля. Сорбция микроорганизмов зависит от их собственных свойств, особенностей сорбента и кислотности среды.

Почва гетерогенна и сложна как сорбент: в ее горизонтах и локусах можно найти поверхности с самыми разными свойствами. Поэтому в ней практически всегда может сорбироваться хотя бы небольшое количество любого микроорганизма.

Отмечается увеличение сорбции бактерий при утяжелении гранулометрического состава почвы, однако эта зависимость не прямо пропорциональна из-за влияния на сорбционные процессы многих факторов. Сорбция микробов зависит от минералогического состава почв. Зависит процесс сорбции и от генетических особенностей почв. Так, черноземы сорбируют больше микробных клеток, чем дерново-подзолистые и серые лесные почвы.

Отдельные факторы почвенной среды по-разному влияют на сорбционную активность микробов. Установлено, что есть значения рН, при которых происходит максимальная адсорбция микроорганизмов, и это определяется их видовыми особенностями.

Заряд поверхности почвенных частиц существенно влияет на сорбцию клеток, поверхность которых также может быть заряжена.

Существенным фактором, влияющим на связывание микробных клеток почвой, является размер частиц. С уменьшением их размера сорбция бактерий возрастает. Данная закономерность объясняется несколькими причинами: увеличением удельной поверхности сорбента на единицу его веса, большей склонностью мелких частиц образовывать агрегаты с микробными клетками, увеличением содержания вторичных минералов.

Биологические и физиолого-биохимические особенности микробных клеток также влияют на их способность к сорбции на мелкоземе. Отмечено, что сильнее удерживаются мелкие по размеру микробные клетки и виды микроорганизмов, способные к слизеобразованию. При этом сорбционной способностью обладают не только живые, но и мертвые клетки. Убитые нагреванием бактерии в 90 % случаев сохраняют свои сорбционные свойства. Влияет на сорбционные свойства и подвижность клеток: подвижные бактерии слабо удерживаются частицами, т. к. способны противостоять сорбционным силам.

Информационные функции¶

Передача сигнала о сезонных и других биологических процессах¶

Почва осуществляет эту функцию благодаря изменению таких периодически изменяющихся параметров, как тепловой, водный, пищевой и солевой режимы. Режимы, в свою очередь, зависят от основных свойств почвы: механического состава, гумусированности, почвообразующей породы и типа почвообразования.

Тепловой режим определяет продуктивность сообществ, начало или прекращение сезонных циклов жизнедеятельности биоты. Температура почвы контролирует развитие растений на огромных территориях. Так, в холодные годы период роста корней растений сокращается, их биомасса уменьшается на 10–15 %, это может сказаться на продуктивности лесных сообществ целого пояса, например бореального. Почвенная температура является ведущим фактором пробуждения роста корней и сигналом к началу вегетации. Осеннее снижение температуры почвы ведет к снижению интенсивности фотосинтеза, оттоку питательных веществ из листьев, листопаду и переходу растений в фазу зимнего покоя.

Температурный режим почв определяется многими составляющими: теплоемкостью и теплопроводностью почвы, влажностью, запасами тепла (холода), температурой воздуха, потоком радиации и отражающими свойствами почв.

Хорошо известно, что в районах недостаточного увлажнения смена фаз развития многих растений в годовом цикле определяется прежде всего динамикой водного режима почв. Примером может служить ускоренное развитие чувствительных к влажности эфемеров и эфемероидов. Развитие яиц насекомых также происходит при определенной влажности и так далее.

Пищевой режим сильно зависит от сезонности и прослеживается у всех организмов, обитающих в почве. Например, отмечаются весенняя и осенняя вспышка численности микроорганизмов в связи с поступлением доступного органического вещества в эти сезоны.

Регуляция численности, состава и структуры биоценоза¶

Почва влияет на формирование конкретной консортивной структуры биоценоза. Влияние это строится на следующих связях: главная роль в структуре биоценоза принадлежит высшим растениям — средообразователям. Пространственное распределение растений и особенно их корневых систем зависят от динамики, свойств почвы и ее режимов. С корнями растений связаны специфические комплексы почвообитающих организмов: грибы микоризы, ризосферные бактерии, фитофаги — нематоды, насекомые. Все перечисленные организмы, как и корни растений, тоже зависят от почвенных режимов. Поэтому изменение почвенных условий меняет структуру, численность и состав биоценоза.

Почва — пусковой механизм некоторых сукцессий¶

Изменение почвенных свойств ведет к сукцессионным изменениям в биоценозе. Такими изменениями могут быть засоление, заболачивание, оглеение, заиливание. Например, заболачивание елового леса формирует следующий сукцессионный ряд: ельник-кисличник — ельник-черничник — ельник-долгомошник — ельник-долгомошно-сфагновый — сосняк сфагновый — сфагновые болота с карликовой сосной. Подробные сукцессии можно проследить при любом типе почвенных изменений.

Деятельность почвенных фитофагов может выступать как фактор, вызывающий сукцессии растительного покрова.

Целостные биогеоценотические функции почвы¶

Трансформация почвой вещества и энергии¶

Организмы биоценозов совершают огромную геохимическую работу по трансформации материнских пород и органогенных остатков жизнедеятельности организмов. В результате этой работы почва, во-первых, обогащается биогенами; во-вторых, освобождается энергия в тепловой и химической форме, которая используется как внутрипочвенно, так и переходит в сопредельные среды. При этом почва приобретает свойства, благоприятные для поселяющихся на ней биогеоценозов. Например, в верхних аккумулятивных горизонтах почв наблюдается на только накопление соединений в растворимой форме, но и изменение соотношений между рядом элементов, которое имелось в исходной породе. Почвы содержат больше биогенов (углерода, азота, фосфора, калия и других), чем исходные материнские породы.

Благодаря постоянному преобразованию косного вещества литосферы почвы существуют как неравновесные, весьма динамичные системы, богатые свободной энергией.

Санитарная функция почв¶

Эта функция крайне важна для существования биогеоценозов и может быть рассмотрена в трех аспектах.

Очищение поверхности почвы от отмерших органических остатков осуществляется разнообразными группами почвенных организмов: микробами, грибами, беспозвоночными (роль последних долгое время игнорировалась). Подвергая разрушению и минерализации мертвую органику, почвенные организмы переводят в доступную для усвоения форму элементы и энергию, содержащиеся в опаде, и предохраняют ландшафты от самозагрязнения. При этом растительные остатки, измельченные и переработанные червями и насекомыми, становятся более доступными для бактерий.

Антисептические свойства почвы позволяют лимитировать развитие в ней патогенных микроорганизмов. Для большинства патогенов почва является неблагоприятной средой из-за низкого содержания органики и значительных колебаний температуры и влажности. Для ненарушенных почв характерны сложившиеся взаимоотношения между отдельными группами организмов почвенного микробоценоза; кроме того, накопление в почве продуктов жизнедеятельности микроорганизмов и растений, явления антагонизма и паразитизма приводят к относительной стабильности микробоценозов почв и тенденции устранения чуждых форм.

Разрушение почвенными микроорганизмами токсичных продуктов обмена других организмов. Эта деятельность микробов предотвращает чрезмерное накопление в прикорневой зоне токсичных веществ и обеспечивает их дальнейшее выведение из организма. В лабораторных экспериментах по изучению этого аспекта санитарной функции почв было обнаружено, что стерилизация почвенного субстрата угнетала рост растений даже при наличии полного удобрения.

Почва — защитный и буферный экран биогеоценоза¶

Зональные типы биогеоценозов отличаются значительной устойчивостью из-за наличия механизмов обратной связи. Почва является одним из компонентов, который обладает буферностью и способен поддерживать гомеостаз биогеоценоза. Способность почвы к гомеостатическому регулированию крайне важна, поскольку обеспечивает поддержание сложившихся биогеоценозов Земли, что является залогом благополучия биосферы. Можно выделить некоторые формы проявления буферной функции почв:

способность почвы нивелировать колебания входных потов вещества и энергии (температура, влажность, кислотность, катионы и анионы и так далее);
защита от механического разрушения (способность противостоять водной и ветровой эрозии);
восстановление нарушенных биоценозов за счет запаса семян и других зачатков жизни в почве;
наиболее интегральным проявлением буферности является почвенное плодородие, которое определяется взаимодействием всех свойств почвы и функций, перечисленных выше.

Глобальные функции почв¶

Почва и литосфера¶

Возникновение почвы изменило в первую очередь верхний слой литосферы — кору выветривания. Следует выделять несколько форм участия почв в преобразовании поверхностных слоёв Земли.

Биохимическое преобразование верхнего слоя литосферы¶

В процессе трансформации коры выветривания почва принимает как косвенное, так и прямое участие.

Косвенная роль почвы заключается в том, что она является основной средой обитания организмов суши. Без почвы живые организмы и их метаболиты не представляли бы серьезного фактора в преобразовании лика Земли.

Непосредственное участие почвы в биохимическом преобразовании литосферы многопланово.

Во-первых, почва — поставщик органических кислот специфической и неспецифической природы (гумусовые кислоты и простые органические кислоты соответственно). Химическая сторона почвообразования представляется как процесс взаимодействия кислот органического происхождения с основаниями литосферы.

Наибольшим растворяющим действием на минералы обладают фульвокислоты. Их растворяющее действие в 3–4 раза выше, чем соляной кислоты. Гуминовые кислоты также обладают значительными растворяющими свойствами, однако их способность осаждаться кальцием приводит к снижению их агрессивности по отношению к минералам. В целом гумусовые кислоты оказались более агрессивными по отношению к минералам по сравнению с простыми органическими и неорганическими кислотами из-за длительности их воздействия.

Во-вторых, кроме кислот, при разложении органики образуется большое количество продуктов жизнедеятельности микроорганизмов. Особенно значительную роль этот процесс играет на стадии первичного почвообразования, когда минеральных веществ еще слишком мало для питания растений.

Косвенный путь связан с воздействием сильных химических реагентов, образуемых микроорганизмами в процессе метаболизма. К таким веществам относят органические и минеральные кислоты (лимонную, щавелевую, уксусную, масляную, азотную, серную и другие); биогенные щелочи; комплексообразующие соединения, которые растворяют неорганические вещества или удерживают различные компоненты в растворимой форме (таким путем растворяются и предохраняются от осаждения многие металлические ионы, что создает условия для их вертикальной и горизонтальной миграции); восстановители, участвующие в биогенном образовании минералов.

Воздействие почвенных агентов на поверхность литосферы приводит к следующим результатам:

перевод законсервированного в кристаллических решетках вещества в подвижное состояние (особенно высокой миграционной способностью обладают коллоидные и истинные растворы);
образование фонда лабильных соединений и элементов, создающего основу для существования круговоротов;
резкое возрастание удельной поверхности массивно-кристаллических пород, подвергнутых выветриванию;
синтез вторичных минералов в зоне гипергенеза;
концентрация ряда соединений (новообразования кремнезема, гидроксидов железа, минералов фосфора, марганца, легкорастворимых углекислых, сернокислых, хлористых солей, органо-минеральных соединений, глинистых минералов);
образование коры выветривания (связано с почвообразованием и является в значительной мере его следствием). Кора выветривания имеет мощность от 10 до 100 м в разных климатических зонах Земли, в ней приобретают подвижность и включаются в циклы миграции различные элементы, кора выветривания служит источником минеральных элементов для биосферы.

Почва — защитный барьер литосферы от чрезмерной эрозии¶

Поверхностные горизонты литосферы испытывают постоянное разрушающее действие различных агентов: вода, ветер, перепады температур, живые организмы, участвуя в преобразовании литосферы, одновременно создают для нее защитный покров в виде чехла осадочных пород и почв. На Земле осадочный чехол практически сплошь покрывает кристаллический фундамент земной коры, достигая на некоторых участках глубины 20 км. Почва вносит значительный вклад в эффект сбалансированности развития литосферы. Практически во всех случаях, когда происходит нарушение почвенного покрова, наблюдается и усиление эрозионных процессов на поверхности литосферы.

Для развития литосферы ускоренная эрозия ее поверхности имеет ряд отрицательных последствий: подавляется химическое выветривание, преобладающим становится механическое, из-за этого снижается синтез вторичных энергоемких минералов. В конечном итоге эти процессы могут привести к снижению энергообмена Земли и непредсказуемым последствиям.

Почва — источник вещества для образования пород и полезных ископаемых¶

Почвенная оболочка, покрывая литосферу Земли, оказывается важнейшим источником для формирования в ней минералов, пород и полезных ископаемых. Вся осадочная и метаморфические оболочки образовались при участии вещества, прошедшего в той или иной степени через процессы почвообразования. Указывается, что важнейшим условием образования осадочных пород является мобилизация вещества на водосборах. Основу мобилизации вещества составляет переход соединений, законсервированных в кристаллических решетках, в подвижное состояние. Наиболее эффективно этот процесс осуществляется на территории с развитым почвенным покровом, особенно в условиях достаточного увлажнения.

Наиболее отчетливо прослеживается участие почвообразования в формировании торфов и генетически связанным с ним углеобразованием. Исследования показали, что вклад почвообразовательных процессов в торфонакопление очень велик. Почвы являются обязательным элементом торфообразования, наряду с климатическим (значительная атмосферная увлажненность) и геоморфологическим (слабая дренированность) факторами. Почва может сама стимулировать заболачивание из-за изменения ее свойств, при котором создаются предпосылки для накопления избыточных количеств влаги. Данный тип заболачивания называют автохтонным, он широко распространен на обширных гумидных территориях Западной Сибири. Почвы этих территорий в результате развития генетического профиля приобретают иллювиальные прослойки и целые горизонты с пониженной влагоемкостью, что запускает процесс торфонакопления. Органическое вещество в составе торфов накапливается из-за неполного распада растений при обилии влаги, недостатке кислорода, низких температурах и давления за короткое время (4–12 тыс. лет). При углеобразовании растительные остатки претерпевают воздействие более высокого давления и температуры в течение многих миллионов лет.

Существует стадийность превращения торфа в различные виды твердых горючих ископаемых: торф — бурый уголь — каменные угли — антрацит — шунгит — графит.

Есть основания говорить и об определенном значении почвенной оболочки Земли для формирования нефти и газа, находящихся в «родственных» связях с углём. В химическом составе угля, нефти и природного газа много общего: преобладает углерод, присутствуют водород, кислород, азот. Это именно те элементы, которые являются основой жизни на Земле. Гипотеза об органическом происхождении нефти и газа сейчас является общепризнанной: рассеянное в осадочных толщах органическое вещество в результате десорбции и концентрации образует нефтегазовые залежи.

В коре выветривания, тесно связанной с почвообразованием, представлены многие месторождения полезных ископаемых.

Передача аккумулированной солнечной энергии и вещества атмосферы в недра Земли¶

В.И. Вернадский высказал гипотезу о том, что гранитная оболочка Земли — метаморфизированная и переплавленная бывшая биосфера суши. Подтверждением этому служат высокие запасы энергии гранитных пород и минералов зоны гипергенеза по сравнению с базальтами. При опускании земной коры эта энергия расходуется на внутриземные процессы, а кристаллическая решетка теряет энергию и перестраивается в атомные структуры с меньшей энергией. Этот энергетический источник является важной составной частью в энергетике Земли, наряду с другими видами энергии, например радиоактивным распадом элементов.

Почва также участвует в передаче вещества атмосферы в недра Земли: при почвообразовании происходит поглощение газов, а они в составе почвенных соединений попадают в осадочные породы. Так, с органическим веществом поступают дополнительные количества кислорода в составе оксидов железа, марганца, серы; в глубинах Земли они восстанавливаются, освобождая кислород. Те же механизмы транспортировки в недра Земли характерны и для азота.

Особое значение имеет связывание растительно-почвенным покровом диоксида углерода и его последующая аккумуляция в осадочной оболочке Земли, достигающая колоссальных величин. При формировании органического осадочного вещества Земли аккумуляция атмосферного диоксида углерода имеет принципиальное значение для поддержания геологической активности планеты.

Почва и гидросфера¶

Гидросфера Земли образована Мировым океаном и акваториями суши. На долю океана и морей приходится 96 % водных запасов, другие ее виды занимают незначительную часть от общих запасов, но являются более подвижными и постоянно возобновляемыми. Особенно это относится к воде атмосферы и почв.

Почва является важным звеном в круговороте воды, которое длительное время недооценивалось. Почвенные растворы, по словам В. И. Вернадского, являются «основным субстратом жизни». Сейчас считается, что почва является вторым по значению гидрологическим фактором после климата. Она играет роль посредника между климатом и речным и подземным стоками, ни одно явление водного баланса не минует почву.

Участие почвы в формировании речного стока и водного баланса¶

В осуществлении данной функции первостепенное значение имеют водно-физические свойства почвы. Почва определяет соотношение грунтового и поверхностного питания рек: от нее зависит, какая часть атмосферных осадков поступит с водоразделов в реки в виде поверхностных загрязненных стоков, а какая — в виде более чистых грунтовых. От характера стока зависит равномерность питания рек и степень их загрязнения. Если почва обладает хорошей водопроницаемостью, а подстилающие породы рыхлые и трещиноватые, легко аккумулирующие влагу, то создаются условия для равномерного питания рек. Если впитывающая способность почв слабая, то создается поверхностный сток, а это вызывает ряд отрицательных последствий: длительные паводки весной, пересыхание рек в засухи, активизация эрозии, низкий запас влаги в почве.

Влияние почв на водный баланс и структуру стока зависят как от генетических особенностей почв в целом, так и от отдельных почвенных свойств. Наименьший поверхностный сток отмечается на типичных черноземах, т. к. они обладают наибольшей водопроницаемостью. На север и юг от зоны типичных черноземов поверхностный сток возрастает. На структуру стока влияет характер растительности и такие почвенные свойства, как механический состав и режим промерзания. В лесу поверхностный сток мал и дождевые и снеговые воды хорошо впитываются почвой; в поле — сильно возрастает, особенно если земля не занята посевами. На суглинистых почвах поверхностный сток больше, чем на песчаных. Промерзание почв сильно снижает фильтрацию из-за закупорки почв льдом, поэтому в условиях вечной мерзлоты так часто происходит формирование заболоченных участков и болотных почв.

Почва принимает непосредственное участие в формировании водного баланса Земли. Почвенное звено в значительной мере определяет процессы испарения с поверхности суши, общий вклад континентального испарения относительно невелик (13,8 %), но эта влага способствует образованию осадков за счет местных вод суши и контролирует многие функциональные механизмы наземных экосистем.

От почвы зависит и баланс подземных вод: инфильтрационных, седиментационных (образуются при отложении морских осадков), возрожденных (образуются в земной коре под действием высоких температур на минералы, содержащие химически связанную воду) и магматических.

Трансформация почвой атмосферных осадков в почвенно-грунтовые и грунтовые воды¶

К грунтовым водам относят подземные воды, расположенные ниже почвенной толщи, дренируемые реками или вскрываемые эрозионной сетью. Если зеркало вод постоянно или временно располагается в пределах почвенного профиля, то их можно выделить в категорию почвенно-грунтовых вод.

В формировании грунтовых вод принимают участие конденсационные воды и осадки, фильтрующиеся через почвенную толщу (инфильтрация). Состав осадков при прохождении их через почву постепенно меняется и во многом зависит от конкретных свойств почвы: реакции почвенной среды, ее газового состава, скорости просачивания вод, генетических свойств почв, унаследованных от материнской породы. Поэтому можно утверждать, что почвой контролируются все основные составляющие механизма образования грунтовых вод. Кроме почвенного звена, в формировании грунтовых вод участвуют климат и рельеф, в современную эпоху — человек.

Фильтрующиеся через почвенную толщу атмосферные осадки постепенно меняют свой состав и связывают такие разные воды, как дождевую (кислородно-азотную, пресную), воды почвенного раствора и речные (кислородно-азотно-углекислые, пресные) и морскую (кислородно-азотно-углекислую, соленую).

В настоящее время в связи со значительным загрязнением атмосферы кислотность атмосферных осадков уменьшается от 5,6 до 3,0. При этом усиливается вымывание кальция, магния и калия, активизируются железо, алюминий и марганец, связывается фосфор. Это заметно снижает почвенное плодородие, заставляя вносить минеральные удобрения. Удобрения, в свою очередь, меняют состав грунтовых вод, и появляется проблема защиты подземных вод от сельскохозяйственного загрязнения.

Почва как фактор биопродуктивности водоёмов¶

Эта функция связана с рассмотренными выше и является их логическим следствием: почвы определяют химический состав поверхностных и грунтовых вод суши, из почв в водоёмы поступают основные биогены (макро-, микроэлементы и гумус). Соединения, поступившие с континентов в конечные водоемы стока, активно вовлекаются в продукционный процесс водных экосистем и их биохимические циклы. Ежегодный ионный речной сток в Мировой океан, формирующийся при существенном участии почвенных соединений, составляет 3,1 × 109 т солей и составляет примерно 63 % общего годового поступления ионов в океан.

До 95 % кальция, 50 % магния и 30 % калия, образующихся при выветривании первичных пород на водоразделах и попадающих в моря и океаны, извлекаются из растворов главным образом живыми организмами. Подводные осадки океанов включают значительную долю углекислого кальция, который входит в состав панцирей и раковин морских животных, которыми потом слагаются мощные толщи субаквальных отложений. Не случайно именно в области контакта морских и речных вод, приносящих мобилизованные на водоразделах элементы, обособляются зоны высокой биологической продуктивности акваторий (устья рек, особенно крупных, являются местами «сгущения жизни»).

На суше ландшафтами наивысшей плотности жизни оказываются поймы рек, которые условно можно назвать «земноводными» ландшафтами. Именно на поймах частично оседают соединения, поступившие из водораздельных почв на пути их миграции в моря.

Почва — защитный барьер для акваторий¶

Почва, благодаря своей огромной активной поверхности, может поглощать многие вредные соединения на пути их миграции в водные экосистемы. В почве происходит сорбция избытка биофильных элементов и предотвращается эвтрофикация водоёмов, связываются токсические соединения. Эта функция очень важна, т. к. тяжелые металлы и радиоактивные изотопы из водной среды поглощаются организмами активнее, чем из почвы. Коэффициенты накопления радиоизотопов у пресноводных растений достигают десятков тысяч, а у наземных — единицы. Такое резкое снижение поступления элементов из почв в растения наглядно подтверждает барьерную роль почвы на пути техногенных потоков. Загрязняющие вещества сохраняются в почве длительное время (до сотен лет), особенно при непромывном водном режиме.

Но сорбционные способности почвы не беспредельны, и при интенсивной антропогенной нагрузке почва часто не справляется с избытком биофильных элементов и агрохимикатов. Избыток биофильных элементов в водоемах (эвтрофикация) сопровождается их окислением, возникает дефицит кислорода, наблюдаются избыточное минеральное питание водорослей и микроорганизмов, гибель рыбы и других обитателей водоемов, заболевания людей и животных при потреблении ими загрязненной воды.

Почвы, загрязненные агрохимикатами, становятся непригодными. Особенно страдают от загрязнения пойменные земли. На сорбционных пойменных барьерах может в десятки раз увеличиваться содержание канцерогенов и тяжелых металлов (например, свинец в гидроморфных условиях), а их пребывание в почве нередко очень продолжительно — от нескольких лет до столетий, особенно при непромывном водном режиме.

Сорбционный эффект проявляется не у всех почв. Он заметно снижен у почв, сформированных на кристаллических породах. Кроме того, существуют загрязнители, которые практически не сорбируются мелкоземом, например нитриты. Почвенный защитный барьер недостаточно эффективно срабатывает и в зонах постоянной интенсивной нагрузки на ландшафт. Прежде всего, это относится к районам широкого использования минеральных удобрений, где верхние водоносные горизонты оказываются загрязнены соединениями азота, фосфора, калия.

Почва и атмосфера¶

Почва как фактор формирования, эволюции и регулятор газового состава атмосферы¶

Среди атмосферных функций почвы особо выделяется ее влияние на формирование газового состава атмосферы. Она проявляется в двух главных формах — опосредованном и прямом воздействии почвы на состав атмосферных газов. Опосредованное воздействие определяется зависимостью функционирования наземных биоценозов, контролирующих многие параметры атмосферы (содержание кислорода, углекислого газа и других), зависит от свойств почвы; прямое заключено в самом газообмене между почвой и атмосферой.

Долгое время считалось, что ощутимое воздействие организмов на состав атмосферы выражалось в фотосинтетической деятельности в начале одноклеточных организмов Мирового океана, а затем растительного покрова суши. В настоящее время признается, что вся геологическая история тесно переплетена с историей жизни на Земле. Существенное воздействие почв и процесса почвообразования на состав атмосферы началось намного раньше возникновения высшей растительности на суше.

Пористость почвы является важнейшим свойством, влияющим на газообмен: количество пор в почве составляет 10–60 % объема. Благодаря расположению почвы на стыке с атмосферой, пористому сложению и активному продуцированию газов почвенной биотой газообмен между воздухом и почвой происходит интенсивно (воздух полностью обновляется в верхнем 20-сантиметровом слое почвы от нескольких часов до часа). Скорость газообмена существенно зависит от температуры и влажности почвы и воздуха, интенсивности ветра, меняясь в тысячи раз.

Состав почвенного воздуха существенно отличается от атмосферного, особенно по таким макрогазам, как углекислый газ и кислород: углекислого газа в почвенном воздухе в 10–100 раз больше, а кислорода — в насколько раз меньше, чем в атмосферном. Колебания содержания этих газов в почвенном воздухе почти на 100 % определяются микроорганизмами. Кроме того, в результате деятельности бактерий в атмосферу поступает метан, сероводород, закись азота. Ландшафты Земли существенно различаются по составу и объему выделяемых газов: торфяно-глеевые почвы тундры выделяют около 0,3 т/га, а степные черноземы — 40–70 т/га углекислого газа в год. Существенны и сезонные колебания состава почвенного воздуха, которые, в конечном счете, влияют на внутригодичную изменчивость концентрации газов в атмосфере.

Почва как источник твердого вещества и микроорганизмов, поступающих в атмосферу¶

Значение поступления в атмосферу твердого вещества почв и коры выветривания весьма велико для биосферы и еще не вполне оценено. Из почвы в атмосферу в результате развевания поступают: мелкозем, соли с поверхности солончаков и почвенные микроорганизмы.

Ветровая эрозия, существенно усиливающаяся при антропогенном вмешательстве, поднимает с поверхности почвы огромное количество тонкодисперсного материала, особенно во время пыльных бурь. Попадающие в атмосферу частицы почвенного мелкозема оказывают разнообразное действие на происходящие в ней процессы: сильно снижается приток солнечной радиации к поверхности земли, ухудшается качество воздуха, увеличивается вероятность выпадения дождя. Ветровая эрозия усугубляет и общую эродированность почв, ухудшает качество жизни: выдувается плодородный слой почвы, переносимым мелкоземом засыпаются поселения, водоемы, снижается фотосинтетическая активность растительного покрова.

Особый интерес представляет проблема поступления в атмосферу микроорганизмов, основным источником которых служат почвы, а также брызги водной глади океанов и поверхность растений. Микроорганизмы поднимаются на значительную высоту — до 3 км, и переносятся на огромные расстояния — до нескольких тысяч км.

Влияние почвы на энергетический режим и влагооборот атмосферы¶

Воздействие почвенного покрова на тепловой режим атмосферы определяется, прежде всего, поглощением и отражением солнечной радиации. Установлено, что почвы в разных климатических поясах и в разные сезоны обладают неодинаковой способностью поглощать лучистую энергию солнца. Теплопоглотительная способность (альбедо) зависит от цвета почвы, ее влажности, структуры, рельефа и растительности. Чем меньше альбедо, тем больше солнечной радиации поглощает почва. Антропогенное вмешательство сильно меняет все перечисленные параметры и становится основным фактором в изменении радиационного баланса земной поверхности. Особенно сильно меняет альбедо массовая распашка территорий, сведение лесов, эрозионные процессы, опустынивание.

Многократный оборот водяного пара долгое время считался решающим фактором обеспечения суши влагой. Сейчас показано, что осадки за счет местного испарения на европейской территории России составляют не более 12 %, остальное формируется за счет испарения с поверхности океана. Однако местный влагоперенос сильно влияет на относительную влажность воздуха, а именно она определяет общее количество осадков. Кроме того, значение осадков местного испарения велико и потому, что они могут предотвращать губительное действие засух или существенно ослаблять их влияние.

Роль почв в формировании влагооборота довольно существенна, т. к. она способствует увеличению количества водяного пара, выравнивая процесс влагообеспечения ландшафтов. Это имеет немаловажное значение, поскольку влагоперенос с океана на сушу подвержен частым перебоям и резким колебаниям.

Интенсивное использование почвенного покрова, приводящее к нарушению экосистем суши, вызвало аридизацию многих ее участков и учащение резких колебаний климата. В частности, участились экстремальные явления в воздушной оболочке: засухи, пыльные бури, резкое понижение температур зимой, ливни и наводнения.

Естественная и антропогенная динамика почвенных свойств¶

Изменчивость факторов почвообразования¶

Почва — результат воздействия пяти основных факторов почвообразования на горную породу и дневную поверхность Земли. Факторы уже сами по себе изменчивы, их динамика обусловлена астрономическими параметрами. Продолжительность астрономических явлений и их циклов определяет продолжительность соответствующих динамических изменений в почвах (суточные, сезонные, многолетние, столетние, тысячелетние, миллионолетние). А это, в свою очередь, предполагает изменчивость формируемых этими факторами почвенных свойств. Поэтому, изучая свойства почв, невозможно обойти вопрос об их динамике.

Традиционно почвенные свойства делят на внешние, или морфологические, и внутренние. К внешним почвенным свойствам относятся строение почвенного профиля, цвет горизонтов, гранулометрический состав, агрегированность, порозность, наличие новообразований и включений. Внутренними почвенными свойствами являются ее физические, химические и физико-химические свойства. Все перечисленные свойства динамичны, при этом их изменчивость имеет разную направленность. Одни являются обратимыми в своих изменениях, их можно вернуть к исходному состоянию. Другие цикличны; третьи кажутся циклическими, но при каждом цикле накапливаются определенные отклонения от исходной величины (ложноциклические). Четвертый вид процессов — необратимые или трендовые.

Каждое почвенное свойство обладает собственными, только ему присущими особенностями (обратимость, цикличность или необратимость), и, кроме того, зависит от действия факторов почвообразования, тоже динамичных.

Влияние на почвенные свойства особенностей почвообразующей породы. В качестве примера возьмем первичное почвообразование на горной породе, при котором можно выделить как циклические, так и трендовые процессы. Плотная кристаллическая горная порода долго сопротивляется воздействию внешних факторов, и ее разрушение может длиться тысячелетиями. Но после того как целостность породы нарушается, процесс уже характеризуется обратной положительной связью — раздробленная порода все быстрее изменяется под воздействием внешних факторов, и чем больше изменяется, тем быстрее протекают последующие процессы. Изменения затрагивают минералогический и химический состав, формируется также гранулометрический состав. Часть минералов исчезает, часть трансформируется. Изменение породы представляет собой трендовое явление, оно необратимо.

Как только на породе образуется почва, наступает фаза «педолиза»: под действием почвы идет еще более быстрая трансформация вещественного состава породы. С появлением растительности ряд процессов приобретает циклический характер: воздействие продуктов метаболизма живых организмов на минералы зависит от времени года, суточных колебаний активности; образование гумуса также циклично.

В то же время образовавшаяся почва характеризуется обратной отрицательной связью по отношению к внешним факторам — она сопротивляется воздействию, сохраняя свои свойства и общий уровень плодородия. Эти буферные свойства почвы унаследованы ею от породы и определяются в значительной степени ее минералогическим составом. С этой точки зрения процесс трансформации минералов, входящих в почву, становится обратимым: разрушившиеся вторичные минералы могут заменяться теми же вторичными, возникшими при почвообразовании. Основная трудность в оценке направления в изменениях почвообразующих пород связана со сложностью минералогического состава почв.

Влияние климата на почву еще более многозначно. Для климатических параметров свойственны суточные, годовые и вековые циклы. Каждый цикл приводит к изменениям почвенных свойств, но в зависимости от характера этого свойства изменение может быть циклическим или трендовым. Примерами циклических изменений могут быть суточные колебания температуры, влияющие на потребление воды растениями, скорость диффузии веществ в почве, биологическую активность почв. Сезонные изменения климата определяют развитие растений и влияют на водный, газовый, питательный режимы. Поступление и разложение опада прямо ведет к подкислению или подщелачиванию почв, также сильно влияет и цикл иссушения — увлажнения.

Многолетние изменения климатических параметров отмечались многими исследователями. Выделяют периодические колебания климата, связанные с одиннадцатилетними циклами активности Солнца. Для многих видов организмов установлены циклы изменения численности и биологической активности с той же периодичностью. Такие же закономерности позднее были установлены не только для отдельных видов, но для целых парцелл и биогеоценозов.

Вековые и многовековые изменения климата также отмечались неоднократно. Голоцен (12–14 тыс. лет) характеризуется многочисленными сменами климатических условий на больших территориях: после таяния ледника происходили колебания климата с периодичностью в 2,5 тыс. лет (в ближайшем прошлом это так называемый малый ледниковый период с 1400 по 1700 год).

Биота, являясь компонентом биогеоценоза, тоже подвержена определенным изменениям, связанным как с климатическим фактором, так и со свойствами самих живых организмов. Ведущим биосферным процессом следует считать трендовый направленный процесс эволюции живых организмов, а вместе с ними и эволюцию биогеоценозов. Влияние биоты существует не только в огромном временном интервале, оно важно и в короткие промежутки времени в данной локальной точке почвенного покрова. Примером этому служат локальные сукцессии, при которых возникают циклические изменения почвенных свойств с конечным возвращением к исходному состоянию. На почву влияет не только фитоценоз, но и отдельное растение, т. к. оно имеет свои особенности потребления воды и питательных веществ. Поэтому в каждой точке парцеллы под индивидуальным растением будут отмечаться свои вариации в динамике влажности, питательных веществ и рН. Таким образом, биота и, особенно растения, влияют как на вековую изменчивость почв, так и на динамику свойств в течение жизни растения. Это влияние можно объяснить влиянием фитогенного поля растения. Под фитогенным полем подразумевается сфера влияния данного растения на экосистему, размер фитогенного поля зависит от размера растения. В связи с этим в лесу динамика свойств почвы более выражена, чем на лугу.

Рельеф как фактор почвообразования тоже обладает определенной динамичностью. Рельеф влияет на перераспределение влияния других факторов — почвообразующей породы, климата и биоты. Кроме того, рельеф сам развивается и изменяется. В отношении форм макро- и мезорельефа изучены циклы эрозии, которые приводят к нивелированию, сглаживанию рельефа. Этот процесс является необратимым, то есть трендовым. Но в ходе эволюции земной коры есть и процессы, затрагивающие рельеф, которые усложняют его: это тектонические и карстовые процессы. Циклы этих процессов длительны, они измеряются тысячами и миллионами лет. Макрорельеф практически никогда не восстанавливается в исходном виде (только в аналогичном), особенно это касается эрозионных циклов, длительностью в миллионы лет.

Микро- и нанорельеф более динамичны, т. к. связаны с динамичностью биогеоценозов. Микрорельеф создается деятельностью норных животных, землероев, ветровальными процессами. Именно развитие микрорельефа по-настоящему циклично. Так, выброс крота превращается в почву через 20 лет, а вывалы деревьев сравниваются с почвой через 200 лет.

Природная динамика морфологических свойств почвы¶

Морфологические свойства почв — ее внешний облик, обусловленный сменой горизонтов. Система морфологических показателей почв опирается на визуальный анализ почвенного профиля. Основные морфологические признаки могут трансформироваться под влиянием следующих природных причин.

Строение профиля — внешний облик, обусловленный сменой горизонтов. Ход генетических горизонтов соответствует типу почвообразования. Естественных причин нарушений строения профиля несколько.

Во-первых, такой причиной может быть перемешивание почвы при вывале деревьев, вынос материала из нижних горизонтов землероями и тому подобное. Это перемешивание сопряжено с эволюцией профиля и формированием серии горизонтов. Дальнейшая эволюция вывалов требует разных сроков, зависящих от степени вмешательства в почвенный профиль.

Во-вторых, причиной изменения в строении почв может быть смена биогеоценоза. В этом случае меняются многие морфологические признаки (цвет, структура, мощность горизонтов), могут появляться новые горизонты.

Мощность горизонтов — может меняться как в многолетнем, так и в годовом циклах. В первую очередь это относится к лесной подстилке. Весной и в начале лета ее мощность значительно больше, чем в августе или начале сентября (до нового осеннего листопада). Разница обычно достигает 1–2 см, а по запасам она равна массе опада. Если отмечается постоянная убыль или прибыль в массе подстилки, то следует говорить о трендовом изменении этого органогенного горизонта. Но у лесной подстилки есть также и многолетнее циклическое изменение, связанное с возрастом лесного биогеоценоза. Она достигает максимума в приспевающих древостоях, а в начальной и конечной стадии развития парцеллы она минимальна. Подстилка — единственный морфологический горизонт, который может изменять свою мощность в течение сезона, вплоть до полного исчезновения. Другие морфологические горизонты почв в течение года не меняют свою мощность или изменяют ее очень незначительно, в связи с набуханием и усадкой почв в цикле увлажнения — иссушения.

Цвет — признак, который в сухом состоянии стабилен, а во влажном очень быстро меняется. Из-за связи цвета с увлажнением при его описании всегда учитывается влажность. Цвет, указывая на присутствие в горизонте тех или иных соединений, является важным диагностическим признаком. Так, при сильном увлажнении, когда часть профиля временно представляет собой застойный гидрологический горизонт, может измениться не только выраженность цвета, но и сам цвет, и другие свойства почвы. В застойном горизонте через некоторое время могут появиться голубоватые, белесоватые, сизые тона, которые обычно являются признаком оглеения. В гумусовом темно-сером горизонте оглеение проявляется лишь сизоватым оттенком, что характерно для луговых и дерново-луговых почв. Сухой период может привести к полному исчезновению названных тонов.

Итак, цвет почвы — очень динамичный признак, он заметно меняется в течение сезона во многих почвах. Высушивание образца до воздушно-сухого состояния даже при хранении в лаборатории может существенно изменить цвет почвы.

Механический состав — относительное содержание в почве частиц разной крупности. Поскольку механический состав, по сути, являясь внутренним (физическим) свойством почвы, распознается и по внешним (морфологическим) признакам и в значительной мере формирует другие внешние почвенные свойства — структуру и сложение, то все три перечисленные признака одновременно рассматривают как среди морфологических, так и среди физических свойств почвы. Особенности динамики механического состава почвы, так же как и двух других признаков — структуры и сложения, рассматриваются в данном курсе в разделе «Динамика физических свойств почвы».

Структура — совокупность агрегатов или структурных отдельностей разной величины, формы, пористости и прочности. Структура почвенных горизонтов может меняться в соответствии с изменением почвообразовательного процесса.

Сложение — внешнее выражение плотности и пористости почв.

В целом морфологические свойства почв достаточно динамичны (за исключением гранулометрического состава), однако скорость формирования каждого из них сильно разнится.

Итак, морфологические свойства почвы изменяются в течение жизни биогеоценов при их сукцессии, смене парцелл, а также при механическом перемешивании почвенной массы. Они отражают изменения на уровне физических и химических свойств, поэтому при изменении морфологических свойств следует ожидать существенной динамики и сопряженных с ними физических и химических свойств, как в пределах одной экосистемы, так и почвенного покрова и ландшафта.

Динамика физических свойств почвы и ее влияние на почвенную биоту¶

Природная динамика физических свойств почвы¶

К физическим свойствам почв относят гранулометрический (механический) состав, структуру, плотность почвы и ее удельную поверхность.

Гранулометрический состав является радикальным физическим свойством почвы, которое определяет и многие другие физические и химические параметры почвы и сам процесс почвообразования. Механический состав в значительной мере унаследован от соответствующих почвообразующих пород, именно порода определяет уровень содержания разных фракций.

Почвообразование на скальных породах приводит к их дроблению на механические элементы. Характер скальных пород следующим образом определяет преобладающий размер продуктов выветривания. Кислые породы (граниты, гранодиориты, с содержанием SiO₂ > 65 %) — дают при выветривании много крупнодисперсного песчаного материала, представленного кварцем. Основные (диориты, габбро — SiO₂ около 45–54 %) и суперосновные (известняки, мергели) породы обогащают почву тонкодисперсными глинистыми минералами. Поэтому частицы разной крупности имеют различный минералогический и, следовательно, химический состав.

Часть механических элементов формируются при почвообразовании; это в основном органические, органо-минеральные соединения и вторичные минералы, относящиеся к фракции илистых и коллоидных частиц. Устоявшейся точкой зрения является представление, что главной причиной изменения механического состава почв являются геологические процессы, изменения эти идут медленно. В качестве гипотез обсуждаются еще три процесса, которые могут приводить к изменению механического состава почв: кислотное разрушение минералов (при оподзоливании); перенос ила из верхних горизонтов в нижние (лессиваж); внутрипочвенное оглинивание (сиаллитизация).

Известно, что многие растения предпочитают те или иные по гранулометрическому составу почвы: это связано как с особенностями их корневых систем, так и с потребностями в питательных элементах. Даже небольшие различия в механическом составе могут быть причиной формирования сильно отличающихся по составу друг от друга растительных сообществ. Так, сосна обыкновенная предпочитает легкие почвы и по песчаным и супесчаным почвам заходит далеко в степную зону, при этом она воспроизводится в этих условиях. Ель выбирает суглинистые и глинистые почвы, она может расти на таких почвах в условиях даже черноземной зоны, но воспроизведения в этих условиях не происходит. Предпочтение теми или иными видами растений определенного механического состава почв позволили выделить растения-индикаторы по этому параметру. Индикаторы песчаных почв — сосна обыкновенная (Pinus silvestris), овсяница красная (Festuca rubra), армерия приморская (Armeria maritime), подмаренник настоящий (Gallium verum), фиалка собачья (Viola canina), кошачья лапка двудомная (Antennaria dioica). Индикаторы глинистых почв — мать-и-мачеха обыкновенная (Tussilago farfara), молиния голубая (Molinia caerulea), осоки острая и дернистая (Carex acuta и C. caespitosa).

Микроорганизмы почвы, включая и почвенные водоросли, также очень сильно зависят от гранулометрического состава. Большая часть почвенной микрофлоры находится в адгезированном состоянии на почвенных частицах. Адгезированность позволяет микроорганизмам сохранять свою эконишу: не вымываться почвенными потоками воды и одновременно получать питательные вещества из раствора и частиц, к которым прикреплены. Поэтому количество микроорганизмов в почве очень сильно связано с механическим составом — с утяжелением мехсостава увеличивается адгезия, а следовательно, и общее количество удерживаемых микроорганизмов. Однако прямой пропорциональной зависимости этих параметров не отмечено, т. к. на адгезию влияют и другие факторы, такие как количество гумуса, рН, характер поглощенных катионов. Эксперименты показали, что слабее всего микроорганизмы адгезируются на частицах размером от 50 до 100 мкм и сильно на частицах от 2 до 50 мкм; не давали эффекта адгезии частицы мельче 1,5 мкм (т. е. сравнимые с размером бактериальной клетки). Частицы меньше бактериальных клеток могут сами адгезироваться на их поверхности, образуя чехлы из адсорбентов. Многие исследователи наблюдали отложения на поверхности клеток коллоидных гидроксидов марганца и железа. То же явление характерно для глинистых минералов, особенно из группы монтмориллонита, при этом образуются очень прочные агрегаты.

Гранулометрический состав почвы важен и для немикроскопических, хотя и мелких организмов: мелких клещей, ногохвосток, жуков и их личинок. Поскольку для них почва как среда обитания представлена сетью ходов и полостей, то важнейшим свойством является порозность, зависящая от размеров механических элементов и их адгезированности. Те же свойства почв важны и для более крупных животных — дождевых червей, личинок крупных жуков, многоножек. Более крупные животные в большей степени зависят от всей совокупности свойств почвы, чем обитатели микроскопических почвенных резервуаров (простейшие, коловратки) или обитатели ходов и полостей (клещи, ногохвостки).

В целом гранулометрический состав почв — достаточно консервативное, медленно меняющееся свойство. Быстрое изменение мехсостава связано только с геологическими процессами: эрозией, привносом материала, метасоматозом (замещением одной молекулы, атома или иона вещества на другие без изменения объема).

Структура (агрегированность) почвенных частиц напрямую связана с механическим составом почвы, но уже имеет сезонные колебания. Агрегированные почвы имеют высокую водопроницаемость, на них снижается поверхностный сток, они лучше противостоят эрозии. В агрегированных почвах создается запас влаги.

В естественных ненарушенных почвах агрегатное состояние достаточно устойчиво и распад агрегатов обычно наблюдается только при застойном увлажнении. В почвах с контрастным водным режимом и тяжелым гранулометрическим составом (так называемые слитоземы) весной почва представляет собой слитую неагрегированную массу. Летом почва растрескивается, образуя плотные блоки, осенью и зимой трещины снова заплывают.

В почвах агроценозов общее количество агрегатов колеблется в течение сезона, и их максимум приходится на июль-август. Эти изменения следует считать циклическими с незначительными изменениями в течение сезона и ощутимыми в многолетних циклах. Смена биогеоценоза, особенно катастрофическая, приводит к резкому изменению агрегатного состояния почвы, вплоть до полной дезагрегации.

Механический состав и структура почвы влияют на ее плотность. Плотность почв определяет вертикальное движение воды по профилю. При наличии верхнего разрыхленного слоя с высокой порозностью происходит заметное снижение испарения воды. Тяжелые почвы могут обладать сравнительно низкой плотностью (при хорошей агрегированности) или очень высокой (в слитых). Разница в плотности очень сильно сказывается на всех почвенных обитателях и, прежде всего, на растениях: почва по-разному осваивается корнями, меняется ее водопроницаемость, водный режим и тепловые свойства. Суглинистая почва с низкой плотностью для многих растений является оптимальным субстратом. Приведем некоторые значения плотности почв, различных по механическому составу (в г/см³): пески — 1,6–1,7; супеси — 1,4–1,6; суглинки неоструктуренные — 1,2–1,5, оструктуренные — 0,9; глины — 1,0–1,9.

Наблюдения за колебаниями плотности в естественных почвах показали, что эта величина колеблется и ее колебания определяются растительным составом сообществ. Под разными видами растений плотность почвы имеет различное значение. Так, на дерново-подзолистой почве в сосняке лещиновом значения плотности под различными растениями принимают следующие значения (в \(г/см^3\)): под снытью — 0,91, под кислицей — 0,89; под ландышем — 0,68; под осокой — 0,98. Смена растений приводит к изменению плотности и порозности.

Меняется плотность и во времени: под одним растением она меняется и в течение сезона, и по годам, то есть это свойство является цикличным. Эта цикличность может быть связана с влиянием корней, их выделений, а также животных и микроорганизмов, приуроченных к фитополю данного растения.

На плотность почв влияет также замерзание и оттаивание. Замерзшая вода частично расширяет поры, но эти поры заполнены льдом, и реальная порозность почв в этом состоянии уменьшается. С этим явлением связана очень низкая водопроницаемость мерзлых грунтов, фактически играющих роль водоупоров. Другие физические свойства почвы отличаются большей динамичностью по сравнению с мехсоставом.

Одно из важнейших физических свойств почвы — ее удельная поверхность. Под удельной поверхностью понимают площадь поверхности всех почвенных частиц в единице массы. В какой-то мере об удельной поверхности почвы можно судить по гранулометрическому составу.

Удельная поверхность, наряду с другими свойствами, определяет почвенное плодородие и направленность ряда процессов почвообразования. Поверхность почвы — место взаимодействия твердой фазы почвы с корнями растений и микроорганизмами. Именно на поверхности частиц возникает градиент потенциала и начинается процесс диффузии ионов. На поверхности частиц идут процессы сорбции, десорбции, обменного и необменного поглощения, диффузии различных веществ. Минералогический состав почвы очень сильно влияет на удельную поверхность, большую роль в создании поверхности играют гумусовые кислоты, сорбирующиеся на минералах. В целом удельная поверхность — функция ряда других почвенных свойств: механического, минералогического состава и гумусированности. От удельной поверхности зависит поглотительная способность почв, а она, в свою очередь, определяет их химические свойства.

Антропогенная динамика физических свойств почвы¶

Физические свойства почв очень сильно изменяются под воздействием человека. Уже при простом рекреационном использовании ландшафта возникает сеть тропинок, дорожек, вытоптанных площадок. Они сильно уплотняют почву, что ведет к гибели растений, в том числе древесных. В лесных биогеоценозах, используемых в рекреационных целях, около деревьев образуются так называемые «вазоны» — объемы почвы, в меньшей степени уплотненные. Они окружены уплотненными почвенными стенками. Многолетняя рекреация создает постоянную сетчатую структуру почвенного покрова, характерную для парков, лесопарков и лесов с большой антропогенной нагрузкой. В вазонах устанавливается специфический режим влажности, тропы и дорожки на склонах часто способствуют усилению эрозии.

Под влиянием вспашки почвенные свойства и структура меняются еще более существенно. Основной причиной изменения свойств почвы является многоразовая вспашка, при которой теряется гумус, уплотняются под действием тяжелой техники верхние горизонты, усиливается эрозия. Необходимость распашки определяется свойствами почвы: хорошо агрегированные черноземы можно не пахать, дерново-подзолистые почвы дают урожай только при глубоком рыхлении. При распашке уменьшается плотность, увеличивается водопроницаемость, аэрированность, улучшается тепловой режим. Но при этом создаются два слоя, резко отличающиеся по порозности: верхний, вспаханный — более рыхлый; нижний, подпахотный — более плотный. Поступление капиллярной воды из подпахотного слоя в пахотный несколько затруднено. В середине вегетации это благоприятно, но затрудняет подток воды к семенам в начале их развития, поэтому почву прикатывают.

Многообразие условий, необходимых для роста растений в разные периоды их вегетации и многообразие самих почв требуют индивидуального подхода и разных приемов обработки в зависимости от типа почвы. Благоприятные физические свойства почвы — одно из главных условий получения урожая. При этом гранулометрический состав, являясь консервативным свойством, практически не поддается регулированию со стороны человека, тогда как агрегированность и плотность можно оптимизировать.

Физические нагрузки в случае необрабатываемых почв (природные экосистемы при рекреационной нагрузке) относительно невелики. В городских экосистемах и агроценозах антропогенная нагрузка может принимать более широкие масштабы. Это относится и к большей части почв, возникающих в процессе рекультивации бывших горных выработок.

Причинами физических нагрузок на почву являются:

прямые механические воздействия:
- повышенное давление на поверхность почвы (транспорт, вытаптывание);
- особые агротехнические мероприятия, проводимые в пахотном слое почвы или в подпочве;
процессы, связанные с перемещением почвы:
- водная эрозия;
- эоловые отложения (особенно вследствие промышленных выбросов).

Изменения почвенных параметров касаются, прежде всего, сложения, структуры и плотности и приводят к уменьшению вентиляции и дренажа. Так, оптимальная плотность пахотного горизонта для большинства культурных растений 1,0–1,2 г/см², а в уплотненных городских она выше 1,4–1,6 г/см². На уровне фитоценозов это сказывается в затруднении прорастания семян и проникновения корней в почву с последующим замедлением роста корней и побегов. Следует различать воздействия, проявляющиеся первично только в почве, и те, что затрагивают одновременно и напочвенный ярус (нагрузка на растительность в результате вытаптывания).

В результате таких воздействий в почвенных ценозах происходит снижение обилия организмов и их активности, особенно разлагающих органические вещества.

Динамика химических свойств почв¶

Химические свойства почв включают: химический состав почв (твердой фазы и почвенного раствора), гумусированность, кислотно-основные свойства, обменную способность и окислительно-восстановительные условия. Химический или валовый состав почв является достаточно стабильным свойством, остальные более динамичны.

Химический состав почв

Почва состоит из минеральных, органических и органо-минеральных веществ. Источник минеральных веществ — литосфера, органические образуются в результате жизнедеятельности биоты, органо-минеральные синтезируются в ходе почвообразовательных процессов. Минеральная часть почвы составляет до 80–90 % от ее массы, и только в органогенных горизонтах она может составлять меньшую долю (до 10 % в торфяниках).

В почве обнаружены почти все известные химические элементы, минеральный состав почв сходен с литосферным. Кислород, кремний, алюминий и железо в почвах присутствуют в той же последовательности по процентному составу, что и в литосфере. Однако процессы почвообразования приводят к увеличению содержания кислорода и кремния, и, кроме того, в 20 раз по сравнению с литосферой возрастает содержание углерода и в 10 раз содержание азота. В то же время следствием почвообразования является уменьшение в почве по сравнению с литосферой алюминия, железа, кальция, магния, натрия и калия. Почва наследует геохимические черты исходного материала почвообразующих пород: богатые кремнеземом породы формируют почвы с высоким его содержанием; карбонаты и другие соли из материнских пород переходят в почву. Но одновременно идет и изменение материнской породы в ходе почвообразования: минералы перераспределяются по профилю, меняется исходный минеральный состав, в верхних горизонтах аккумулируются биогены — С, S, P, N и другие. Основной причиной накопления углерода в почве являются живые организмы, в первую очередь растения. Первичный источник азота — азотфиксирующие микроорганизмы, дальнейшая трансформация соединений азота связана с деятельностью всей биоты. Фосфор и сера накапливаются в почве также благодаря концентрационной функции «живого вещества».

Кислотно-основные свойства

Любое почвообразование связано с изменением рН породы. Изменение рН почвы связывают с растворами, прошедшими сквозь полог растений и подстилку. Иногда дождевые воды, обмывающие растения (ель, березу), имеют рН 3, но в целом рН дождевых вод, прошедших сквозь кроны, колеблется в пределах 4,6–6,6 (если нет загрязнения).

Лесные подстилки также обладают относительно низкими значениями рН от 4,0 до 5,0. Подкисление почв связано и с обменными реакциями между почвой и корнем. Корень, поглощая катионы K⁺ и Са²⁺, выделяет H⁺, а поглощая анионы NO^3– и \(\ce{PO4^3–}\), выделяет \(\ce{HCO^3^–}\). В почве рН является одним из наиболее динамичных показателей, колебания рН связаны: с видом растения, через крону которого проходят осадки; с расстоянием от ствола дерева; с суточными, сезонными и многолетними циклами, а также с влажностью почвы.

Содержание гумуса

Гумус — сложный динамический комплекс органических соединений, образующихся при разложении и гумификации органических остатков и продуктов жизнедеятельности живых организмов. В составе гумуса различают неспецифические органические соединения (лигнин, целлюлоза, белки, липиды, углеводы), промежуточные продукты распада и гумификации (высокомолекулярные и низкомолекулярные) и специфические гумусовые вещества (гумусовые кислоты, гумин и прогуминовые вещества).

В почвах постоянно наблюдается сложная динамика гумуса — его синтез, трансформация и разложение. Наиболее важными показателями гумусного состояния почв являются: содержание гумуса в верхних горизонтах (в % от массы почвы), соотношение гуминовых и фульвокислот в его составе (типы гумуса) и тип распределения гумуса по профилю почвы.

Многолетние наблюдения за динамикой гумуса выявили цикличность изменения гумусовых свойств почв под природными сообществами. Эти циклы имеют различную длительность — вековую, многолетнюю, сезонную. Причиной динамичности гумусовых свойств является динамичность экосистем суши: флуктуации в количестве биомассы, составе, структуре сообществ, наличие сукцессий.

Вмешательство человека приводит к трендовому изменению гумусовых свойств почвы, главным образом, к их деградации.

Поглотительная способность почв

Поглотительная (обменная) способность почв обусловливает существование в почвах определенного фонда питательных веществ, за счет которых может существовать биогеоценоз и от которых зависит его продуктивность. Поглотительная способность определяется минеральным составом почвы, количеством гумуса в ней, рН и Еh.

Потребление растениями веществ из почвы связано с подвижностью элементов в ней. Растворяясь в воде, они активным или пассивным транспортом поступают в корень, часть веществ попадает туда в результате обменных реакций.

Содержанием подвижных веществ в почве управляют следующие факторы: растворимость этих соединений в воде; влажность и температура почвы; фаза развития растений и их масса; поступление элементов с дождевыми и талыми водами, опадом; диффузия веществ из других горизонтов.

Для таких важнейших биогенов, как азот, фосфор и калий, отмечается летний минимум в их содержании, приходящийся на период наибольшего прироста биомассы. В осенне-зимний период происходит восстановление исходного или близкого к нему количества питательных элементов. А это восстановление, в первую очередь, зависит от потенциального запаса веществ в почве, от возможности пополнения почвенного раствора и почвенно-поглощающего комплекса (ППК) подвижными, доступными веществами. Для пополнения запасов подвижных соединений должно существовать равновесие между твердой фазой, обменным комплексом и почвенным раствором. При сдвигании этого равновесия в какую-либо из сторон возникает дефицит питательных веществ, связанный либо с низкой растворимостью твердой фазы, либо со слишком интенсивным переходом веществ в раствор и их выносом (в гумидном климате) или выпадением в осадок (в аридном).

Очень тесно связано с питательным режимом почвы содержание гумуса. Гумус является как источником питательных веществ, образующихся при его минерализации, так и потенциальным их запасом.

Главным регулятором динамики питательных веществ в почве является фитоценоз. Потребление растениями питательных веществ определяет изменчивость их содержания в почве. Запасы питательных веществ в слое 0–20 см на 2–3 порядка превышают вынос их растениями, и теоретически почвенных запасов должно было бы хватить на 100–500 лет без дополнительного поступления питательных веществ. Но на практике большая часть питательных элементов недоступна растениям, поэтому внесение удобрений во многих случаях продуктивно и приносит заметную прибавку к урожаю.

Расход питательных элементов из почвы определяется биологическими особенностями растений, их химическим составом. Поэтому динамика питательных веществ, в первую очередь, связана с типом биогеоценоза или агроценоза, в котором функционирует почва. Естественные биогеоценозы по своему круговороту почти сбалансированы, и поэтому существуют бесконечно долго, и не снижают своей общей продуктивности. Агроценозы из-за ежегодного выноса биомассы довольно быстро вступают в период дефицита питательных веществ и не могут существовать без их дополнительного внесения. Внесение удобрений существенно влияет на циклы элементов в экосистемах, оно ведет к интенсификации круговорота, а не только пополняет фонд подвижных питательных веществ. Для почв разных типов существуют свои оптимальные значения содержания питательных веществ.

У растений существуют фазы роста, в которых они потребляют наибольшее количество питательных веществ. Так, злаки имеют максимум потребления биогенов при выходе в трубку, при наливе зерна их потребление резко снижается.

Естественные ценозы отличаются от агроценозов смазанностью максимумов потребления питательных веществ. Это связано с тем, что в естественных ценозах растения имеют разную продолжительность жизни и несовпадающие сроки фаз развития. Обычно в них отмечается несколько максимумов и минимумов, связанных с интенсивностью потребления веществ разными растениями. Так, для дерново-подзолистых почв в лесных биогеоценозах отмечены следующие особенности поведения фосфора. Ранней весной при переходе температур воздуха через +5 °С подвижность фосфора возрастает (весенний максимум). В начале активной вегетации растений (май — начало июня) содержание фосфора в почве падает, дальнейшая смена фаз развития растений обусловливает июльский максимум этого элемента в почве. Общее возрастание количества фосфора в почве отмечается в сентябре — октябре в связи с поступлением опада. К январю содержание фосфора снижается и выравнивается. Аналогичная динамика отмечена для калия.

Весеннее возрастание содержания большинства питательных элементов связано с повышением их химической подвижности при повышении температуры (увеличивается их растворимость, скорость диффузии, концентрация). Распускание листвы резко снижает содержание подвижных питательных веществ в почве, затем в потреблении наступает небольшой перерыв — с ним связан июльский максимум содержания питательных элементов в почве. Общее увеличение питательных веществ происходит в связи с поступлением опада осенью. При этом до 20 % зольных веществ вымывается в горизонт А1 в течение месяца. В аридных почвах подвижность веществ зависит от количества влаги, поэтому в них часто в зимние месяцы наблюдаются максимумы.

Таким образом, динамика питательных веществ в почве является цикличной и бывает суточной, многодневной, сезонной и многолетней. Цикличность обусловлена климатическим фактором, который в значительной мере формирует ход кривой потребления питательных веществ (максимумы, минимумы, зимняя пауза). Роль растений в питательном режиме всех экосистем также велика и четко прослеживается.

Окислительно-восстановительные условия

Важным фактором, влияющим на химизм почв, следует признать окислительно-восстановительные условия.

В почве присутствует большое количество веществ минеральной и органической природы, способных вступать в реакции окисления и восстановления. Эти реакции оказывают существенное влияние на ход почвообразования. В целом почву можно рассматривать как сложную окислительно-восстановительную систему. К наиболее распространенным реакциям окисления относятся реакции, связанные с гумификацией растительных остатков; изменение степени окисления железа, марганца, серы, азота и других элементов — реакции как окисления, так и восстановления. Часть протекающих в почве окислительно-восстановительных реакций имеет обратимый характер (для элементов с переменной валентностью), большинство же идет необратимо (окисление органических веществ).