Экологические функции почв
Экологические функции почв в биосфере базируются на следующих основополагающих ее качествах. Во-первых, почва служит средой обитания и физической опорой для огромного числа организмов; во-вторых, почва является необходимым, незаменимым звеном и регулятором биогеохимических циклов, практически круговороты всех биогенов осуществляются через почву.
Главная функция почвы — это обеспечение жизни на Земле. Это определяется тем, что именно в почве концентрируются необходимые организмам биогенные элементы в доступных им формах химических соединений. Кроме того, почва обладает способностью аккумулировать необходимый для жизнедеятельности продуцентов биогеоценозов запасы воды, также в доступной им форме, равномерно обеспечивая их водой в течение всего периода вегетации. Наконец, почва служит оптимальной средой для укоренения наземных растений, обитания многочисленных беспозвоночных и позвоночных животных, разнообразных микроорганизмов. Собственно эта функция и определяет понятие «плодородие почв».
Вторая функция почв заключается в регулировании всех потоков вещества в биосфере. Все биогеохимические циклы элементов, включая циклы таких важнейших биогенов, как углерод, азот, кислород, фосфор, а также циклы воды осуществляются именно через почвы при ее регулирующем участии в качестве аккумулятора биогенных элементов. Почва — это связующее звено и регулирующий механизм в системах биологической и геологической циркуляции элементов.
Третья функция почвы — регулирование состава атмосферы и гидросферы. Атмосферная функция почвы осуществляется вследствие ее высокой пористости (40-60%) и плотной заселенности организмами, благодаря чему идет постоянный газообмен между почвой и атмосферой. Почва постоянно поставляет в атмосферу различные газы, в том числе и «парниковые» — СО2, СН4, а также множество так называемых «микрогазов». Одновременно почва поглощает кислород из атмосферы. Таким образом, в системе «почва — атмосфера» именно почва является генератором одних газов и «стоком» для других.
В сухопутной ветви глобального круговорота воды почва избирательно отдает в поверхностный и подземный сток растворимые в воде химические вещества, определяя тем самым гидрохимическую обстановку в водах и прибрежной части океана.
Четвертой важнейшей функцией почвы является накопление в поверхностной части коры выветривания, в почвенных горизонтах описанного выше специфического органического вещества — гумуса и связанной с ним химической энергии.
Пятая функция заключается в ее защитной роли по отношению к литосфере. Почва защищает литосферу от воздействия экзогенных факторов, регулируя процессы денудации суши.
Наконец, еще одна, шестая функция почвы — это генерирование и сохранение биологического разнообразия. Почва, являясь средой обитания для огромного числа организмов, ограничивает жизнедеятельность одних и стимулирует активность других. Чрезвычайно большое разнообразие почвенных свойств по кислотности, щелочности, засоленности или отсутствию солей; окислительная или восстановительная обстановка-все это создает огромные возможности жизнедеятельности различных организмов. По отношению к человеку почва имеет еще одну специфическую функцию, являясь главным средством сельскохозяйственного производства и местом поселения людей.
Источник
Экологические функции почв
Почва является центральным звеном во взаимодействии геологического и биологического круговоротов вещества в биогеосфере, служит средой обитания живых организмов, обеспечивает преобразование и утилизацию отходов жизнедеятельности растений и животных. Биоразнообразие населения суши в значительной степени определяется разнообразием почв и их экологических функций. Использование в земледелии экологических функций почвы — основа благосостояния человека, основа его существования. Появление экологических функций — первый признак рождения почв. Экологическая роль почв в биосфере и жизни человека незаменима.
Современное почвоведение рассматривает почву не только как особое природное тело, обладающее плодородием, но и как полифункциональную природную систему, воздействующую на состав и режим атмосферного воздуха, грунтовых и поверхностных вод, на весь растительный и животный мир земной суши. Разнообразные функции почв подразделяются на экосистемные (биогеоценотические) и глобально-биосферные.
Среди многочисленных функций почв выделяются также функции физические, химические, биологические, физико-химические, информационные, целостные [76].
Глобальные функции почвенного покрова проявляются в его воздействии на атмосферу, гидросферу, литосферу и в целом на биосферу Земли.
Совокупность экосистемных и биосферных функций почв играет незаменимую экологическую роль в сохранении воспроизводства жизни на планете Земля.
Среди многочисленных экологических функций почв особо важное значение имеет функция почвы как уникальной среды обитания и эволюции огромного разнообразия форм жизни. По данным генетиков 92% всех известных видов животных и растений обитают в почве или на почве [74]. Это объясняется гетерогенностью строения и состава почвы — в ней одновременно находятся вода, воздух, твердые вещества, элементы минерального и органического питания животных, растений и микроорганизмов. В каждом грамме почвы могут одновременно жить миллиарды микроорганизмов, сотни тысяч мелких беспозвоночных животных, бесчисленное количество тончайших корешков и корневых волосков растений, общая длина которых достигает многих километров. Почва буквально пронизана жизнью и поэтому получила название «биокосного» природного тела (В.И. Вернадский).
Об уникальности почвы как среды обитания жизни говорит огромный суммарный объем сухой массы растительности земной суши. Он равен 2420 млрд т. А биомасса океана составляет всего 3,2 млрд т, т. е. около 0,1% всей биомассы Земли, несмотря на несоизмеримую величину водной массы океана по сравнению с тонкой почвенной оболочкой суши, вмещающей корневую систему растительности и доставляющей ей элементы питания.
С этими данными непосредственно связана вторая важнейшая функция почвы — ее биологическая продуктивность. Ежегодная биологическая продуктивность фитомассы зеленой суши оценивается в 171,54 млрд т и также во много раз превышает биологическую продуктивность океана [16]. Географические закономерности продуктивности фитомассы на почвах разных природных зон хорошо иллюстрируются данными на рисунке. Биологическая продуктивность почв, используемых в земледелии, обеспечивает около 77% всей массы продовольствия, получаемой человечеством, а с учетом продукции пастбищного животноводства — еще 16%, т.е. всего — 93% [24].
Третьей важнейшей экологической функцией почв является их роль связующего звена между биологическим и геологическим круговоротом веществ на земной суше.
Аккумулируя в своем составе биофильные химические элементы (азот, фосфор, калий, микроэлементы) почвенный покров суши совместно с ее растительным покровом используют эти элементы в биологическом круговороте в системе почва-растение и удерживают их тем самым от выноса с поверхностным и речным стоком с территории суши в океан. По геохимическим данным суммарный мировой геохимический сток с суши в океан составляет 2,7 млрд т, а объем удерживаемых в биологическом круговороте веществ — 10–11 млрд т, т.е. в четыре раза больше. По словам А.Е. Ферсмана «кларки почв и кларки живого вещества очень близки… Мы должны признать, что средний состав живого вещества… ближе всего следует кларкам почвенного покрова» [257].
В условиях нарастающего антропогенного загрязнения почв и ландшафтов очень важное значение приобретает функция почв по устойчивости их к загрязнению и способности к самоочищению. М.А. Глазовская разработала схематическую карту районирования территории СССР по вероятной интенсивности самоочищения и устойчивости против техногенного загрязнения [49]. На картосхеме видно, например, что продукты нефтедобычи на севере Сибири могут сохраняться существенно дольше по сравнению с южными районами России.
Почвенный покров мира выполняет глобальные функции взаимодействия с гидросферой, атмосферой, литосферой и биосферой Земли, а значит, влияет и на условия жизни человека.
Несмотря на то, что на поверхность земной суши выпадает всего пятая часть мирового количества осадков, почвенный покров Земли играет существенную роль в водном балансе Земли, формировании состава грунтовых, озерных, речных и даже морских вод. Выпадающие на поверхность почв атмосферные осадки просачиваются вглубь толщи почвы, вступают в химические реакции с минеральными и органическими компонентами почвы, с почвообитающими животными, микроорганизмами и корневыми системами растений. В результате этих реакций часть поступившей в почвы атмосферной влаги преобразуется в почвенные растворы, обогащаясь минеральными и органическими веществами почвы, в грунтовые воды, стекает поверхностным стоком в речные системы и далее с суши в Мировой океан.
По словам В.И. Вернадского «мы обычно не учитываем и не представляем себе то огромное значение, которое имеет в жизни и химических реакциях океана почвенный покров нашей суши. Почва и морская вода химически и генетически связаны» [32]. Такова глобальная гидрологическая функция почв по преобразованию атмосферной влаги на ее пути с суши в океан.
Не менее существенное значение имеет и глобальная функция взаимодействия почвенного покрова Земли с ее атмосферой. По новейшим данным почвоведов и микробиологов, важнейшим источником содержания диоксида углерода в атмосфере является так называемое «дыхание» почвы, т.е. взаимообмен почвенным воздухом с приземными слоями атмосферы. Эмиссия CO2 из почвенного покрова России составляет 2,74 млрд т в год, что почти в пять раз больше индустриальных выбросов двуокиси углерода на её территории.
Не менее значима в экологическом плане эмиссия почвой закиси азота, метана из заболоченных почв, а также из оттаивающих толщ вечных мерзлых грунтов.
Все более очевидным становится влияние биогеохимических почвенных процессов на гипергенез верхних слоев литосферы. Древние континентальные коры выветривания все чаще рассматриваются как результат воздействия почвообразовательных процессов на поверхностные слои горных пород [70 175, 181].
Даже краткое рассмотренное разнообразие экологических функций почв и в целом почвенного покрова Земли позволяет утверждать, что сохранение и разумное использование этой тончайшей оболочки земной суши — её педосферы — является необходимым условием сложившегося функционирования биосферы и дальнейшего развития человеческой цивилизации.
Г. В. Добровольский
- Районирование по вероятной интенсивности самоочищения от твердых, жидких и газообразных продуктов техногенеза, масштаб 1:60 000 000
Источник
Научная электронная библиотека
18. Экологические функции почв
Земля – источник сил глубокий
И свойств таинственный запас
Из почвы нас пронзают токи,
Неотличимые на глаз.
Описание важнейших экологических функций почв приведено в работах известных российских ученых. Ученые обосновали наличие в почве биосферных, литосферных, атмосферных и гидросферных и энергетическихфункций, а также установили, что жизнедеятельность живых организмов на 90 % сопряжена с почвой (2000). В. М. Фридланда (1977), Г. В. Добровольского, Е. Д. Никитина (2000), Д. С. Орлова и др. (2001)
Экологическое состояние почв – степень их соответствия природно-климатическим условиям почвообразования и пригодности для существования естественных и антропогенных экосистем (Березин и др., 2002). «Под экологическими функциями почв понимаются такие их свойства, которые влияют на условия жизни на Земле во всем ее разнообразии» (Добровольский и др., 2012, с. 21). Классификация функций почвы дана на рис. 71 (Шоба и др., 2012).
Любая «здоровая» почва, не зависимо от ее типа, выполняет целый ряд экологических функций. Рассмотрим основные.
Литосферная. Почва аккумулирует солнечную энергию, передает ее вглубь литосферы, защищает недра от жесткого космического излучения, преобразует ее верхний слой.
Атмосферная. Почва поглощает и отражает солнечную энергию. Регулирует влагооборот и газообмен. Почва дышит как человек – поглощает кислород, выделяет углекислый газ. Почвенный воздух обеспечивает растения углекислым газом только при условии его постоянного обмена с атмосферным. Процесс выделения почвой СО2 так и называется – дыхание.
Гидросферная. Почва перераспределяет поверхностные воды – часть их трансформируется в грунтовые, а часть стекает по уклону. Эти воды участвуют в формировании речного стока. Биофильные элементы питания (С, N, Р, К, Са и др.) поступают в океан с водами поверхностного (почвенного), а затем и речного стока.
Рис. 54. Основные функции почвы как базового компонента окружающей природной среды
Энергетическая. «Почва лежит на перекрестке всех потоков энергии, через нее проходит почти все тепло, посылаемое солнцем на сушу», – писали ученые (Фридланд, Буяновский, 1977, с. 9). Биомасса растений служит источником энергии для травоядных. В почве обитают микробы, насекомые, грызуны – все это пища, а значит, и источник энергии.
• Почва является связующим звеном геосферы, гидросферы, атмосферы.
• Почва – неотъемлемая и наиболее «консервативная» часть экосистем, обеспечивает существование жизни на Земле, является средой обитания, убежищем, жилищем.
Рис. 72. Среда обитания и пища
• Какими бы не были пищевые цепи, они начинаются и заканчиваются в почве. На 90 % жизнедеятельность живых организмов связана с почвой (рис. 72-75).
Рис. 74. Урожденные почвой
Рис. 75. «Источник» жизни
Информационная. Почва не только самый консервативный элемент экосистемы, ее «фундамент», но и «банк» информации об эволюции экосистем. Информация фиксируется в генетических горизонтах, новообразованиях, включениях. Почва регулирует сезонные процессы, численность и структуру биоценозов (Вальков и др., 2001).
Санитарная (средозащитная). Санитарные функции почв очень многообразны. Приведем некоторые из них. Известно, что еще в 1880–1890 гг. немецкие ученые опубликовали свои работы, посвященные этой теме. Это Й. Фодор «Гигиена почвы» и М. Петенкофер «Почва и ее влияние на здоровье человека».
Защита сопредельных сред (рис. 76):
– От твердых поллютантов. Почва является сорбционным барьером. В ней выделяют пять видов поглотительной способности, которые действуют одновременно. Это мощный механизм накопления любых соединений. Она веками удерживает поллютанты и ксенобиотики, защищая собой сопредельные среды и биоту от токсикантов. Период полуудаления кадмия изменяется от 13 до 110 лет, цинка – в диапазоне 70–510 лет, меди – в интервале от 70 до 510 лет, свинца – в течение 740–5900 лет (Орлов, Гришина, 1981).
– От жидких форм поллютантов. Почва – мощный фильтр очистки воды и водных растворов, она обладает высокой способностью связывать химические элементы. Почва длительное время «удерживает» загрязняющие вещества с помощью сорбционных барьеров и поглотительной способности.
– От инфекций. Возбудители тифа, паратифа, дизентерии живут в почве не более двух суток. Но если почва нарушена, могут сохраняться в ней в течение двух лет.
– От болезней. В почвенной микрофлоре содержатся микроорганизмы, которые используют для приготовления антибиотиков и патогенных возбудителей столбняка, сибирской язвы. Лечебный эффект основан на том, что одновременно действуют разные факторы: механические, физические (активная удельная поверхность, термические свойства), химические (основные элементы, гумус, гормоны), биологические (бактерии, грибы, антибиотики) компоненты (Безуглова, 2009).
«По микробному генофонду почва, вероятно, самый богатый субстрат. Недаром при поиске микроорганизмов – продуцентов определенных ценных веществ (антибиотиков, витаминов, ферментов, аминокислот) – в большинстве случаев обращаются к почве, как наиболее надежному источнику разнообразных микробов» (Звягинцев.1987, с. 154).
К санитарной функции почв Г. В. Добровольский с соавторами относят способность почв к сорбции, преобразованию загрязнителей (2004).
Самозащита от отравления. У живых организмов выделяют четыре основных механизма защиты от поллютантов: систему барьеров, механизмы выведения, ферментные системы и депонирование. Аналогичные механизмы есть и у почвы (Околелова, 2004, 2011).
– Система барьеров препятствует проникновению ксенобиотиков во внутреннюю среду. Сорбционные барьеры характерны для гумусовых и иллювиальных горизонтов почв, зон контактов горизонтов с различным гранулометрическим составом.
Почвоведы к ним относят геохимические барьеры, в которых происходит избирательное накопление одних элементов и удаление других.
– Механизмы выведения поллютантов. Процессы миграции в почвах постоянны. Можно выделить следующие «транспортные» системы, механизмы миграции (выведения) элементов: вертикальная миграция (зависит от гранулометрического состава и водного режима); латеральная (от автономных ландшафтов к подчиненным); механическая (с поверхностными водами и в результате дефляции); биологическая (при участии живых организмов).
– Ферментные системы. У живых организмов эти системы превращают токсиканты в менее опасные соединения, которые, затем, легко удаляются из организма. Ферменты также катализируют разрыв химической связи в молекуле загрязнителя или способствуют образованию нового соединения.
В почве аналогичную роль выполняют микроорганизмы, а также весь спектр биоорганических и минеральных соединений, которые химически взаимодействуют с поступающими элементами.
Рис. 75. Сорбционные барьеры
– Депонирование. Аккумуляция вредных веществ в почве происходит с образованием органо-минеральных соединений, закреплением в почвенно-поглощающем комплексе. Сроки подобного сохранения (депонирования) – десятки и даже сотни лет. Максимальное накопление свойственно почвам аккумулятивных ландшафтов.
Выполняя санитарные функции почва защищает все сопредельные среды, всю биоту «собой», собственным здоровьем. Проблема диагностики которого до настоящего времени не решена (Janvier, 2007).
«Здоровье почвы – способность почвенной биосистемы (педоценоза) в заданных пространственных границах поддерживать продуктивность растений, животных, приемлемое качество воды и воздуха, а также обеспечивать здоровье людей, животных и растений. Здоровая почва не содержит техногенные радионуклиды, ксенобиотические и природные поллютанты, а также фитопатогенные агенты сверх допустимых санитарно-гигиенических, экологических и фитосанитарных нормативов» (В. В. Добровольскому с соавторами, 2012, с. 364).
Плодородие почв – способность почв удовлетворять потребности растений в элементах питания (N, Р, К), обеспечивать их корневые системы водой, достаточным количеством тепла и влаги. Почва способна к воспроизводству этого общего и важнейшего своего качества. «С позиций экологии, плодородие – следствие биологического круговорота биофильных элементов» (Апарин и др., 2006, с. 172).
Природное или естественное плодородие – состояние почв с естественным почвообразованием. Создается тысячелетиями в результате есС-тественного биологического процесса (рис. 76).
Рис. 76. Плодородие почв
По выражению В. Р. Вильямса: «Горная порода, чтобы стать почвой, должна развить два новых свойства, которые составляют существенный признак почвы – ее плодородие. Она должна приобрести способность к образованию и сохранению запаса воды . сконцентрировать и удержать необходимый для развития растений запас элементов их зольной и азотной пищи» (1947, с. 37).
Искусственное плодородие – создание длительного плодородия за счет антропогенного воздействия (рис. 77).
Рис. 77. Искусственное плодородие
Плодородие проявляется в двух формах:
– в продуктивности (урожайности) произрастающих на ней культур, в количестве синтезируемой биомассы. Плодородие разных почв сравнивают по многолетней урожайности растений при равных экономических затратах.
– богатстве элементов питания, гумусом, растительно-экологи-ческом равновесии и их количественно-качественных особенностях.
Потенциальное плодородие – способность почвы в благоприятных условиях (оптимальные для растений водный, воздушный и тепловой режимы) длительное время поддерживать необходимое количество питательных элементов, обеспечивая высокий уровень эффективного плодородия.
Экономическое (совокупное, эффективное) плодородие – сумма двух первых, отражающая возможность почв продуцировать биомассу.
В начале прошлого века среди ученых велись дискуссии: можно ли почву считать живым организмом. Пришли к выводу, что нельзя, потому что для этого ей «не хватает» одного свойства – репродуктивной способности.
Экономическая функция. Почва-земля – основное средство производства и природный ресурс одновременно. Она, в отличие от других средств производства, одновременно выполняет функции предметов труда (выращивание культур) и орудий труда (воздействие на почву для получения урожая нужного качества и количества).
«В настоящее время, когда обществом признается (экономически и законодательно) только две экономические функции почв – плодородие и место для размещения жилищных, производственных и других объектов, нет и не может быть иных экономических оценок почв, кроме тех, которые учитывают показатели этих функций. Все рассуждения почвоведов о важности других биосферных и потребительских качеств почв останутся лишь предметом теоретических исследований до тех пор, пока эти качества (реальные или потенциально возможные) не получат экономического и /или самостоятельного выражения» (Добровольский и др., 2012, с. 333).
Как результат труда почва не должна стать хуже, потерять естественное плодородие. Только земля, почва в отличие от техники и сооружений не создана человеком и ничем не заменима. Поэтому в первозданном виде «бесценна» – не имеет стоимости.
При отводе земли на сегодняшний день в ее цену, в первую очередь, входит близость и развитость инфраструктуры, в последнюю – качество. Почва – актуальный экономический ресурс. Ее рассматривают как объект недвижимости (Макаров и др., 2008).
Сельскохозяйственная. Главный ресурс агроэкосистемы – почва. Какие бы виды сельскохозяйственных угодий на ней не размещали, основные – растениеводство и животноводство, не мыслимы без учета качества почв и ее плодородия. «Тот, кто сумеет вырастить две травинки или два початка кукурузы, на том месте, где прежде произрастал лишь один, больше заслуживает благодарности человечества и оказывает более существенную услугу свое стране, чем все политики вместе взятые» (Дж. Свифт, 1726).
Системный ресурс. Почва – системный ресурс, в первую очередь, природный и экономический. «Системный ресурс – это внутренний эволюционный запас системы, позволяющий ей совершать энергопреобразования определенного объема» (Веллер, 2012, а, с. 268).
Исходя из определения понятия «почва» саму почву можно считать эволюционным ресурсом, продуктом эволюции. Почву можно рассматривать и как адаптационный ресурс. По М. Веллеру это качественный и количественный запас психофизиологических возможностей организма адаптироваться к изменению условий существования
( 2012, в, с. 167). Точно также можно сказать о возможности почвы адаптироваться. Качественный и количественный состав органических остатков, поступающих в почву, зависит от вида биоморфов и изменяется в очень широком диапазоне. Например, в молекуле лигнина хвойных деревьев преобладает кониферил, лиственных – синан, травах – кумаровые спирты.
Природные ресурсы (естественные) – объекты и силы природы (природные блага), общественная полезность которых изменяется в результате трудовой деятельности человека. Их используют в качестве средств труда, источников энергии, сырья, материалов, условий жизни, в том числе и почву.
Природные ресурсы классифицируются по ряду признаков, основная классификация – по исчерпаемости и возобновимости.
1). Возобновимые – ресурсы, создаваемые текущим потоком солнечной энергии, способные к восстановлению за время, соизмеримое со сроками их потребления. К ним относят: зоологические, биологические ресурсы, соли и другие минеральные ресурсы, осаждающиеся на дне морей, озер. Природные ресурсы биосферы, нуждаются в мерах по охране и воспроизводству.
2). Относительно возобновимые – ресурсы, обладающие способностью к самовосстановлению в течение очень долгого времени (почва, лес, вода).
3). Невозобновимые – ресурсы, возникающие на определенных этапах геологических процессов, а также выпавшие из биосферного круговорота и погребенные в недрах продукты прошлого – осадочные породы, ископаемое топливо. Они включают и уникальные ресурсы, для которых в природе нет аналогов. К ним относят большинство минерально-сырьевых ресурсов.
Для оставшихся в недрах природных ресурсов безразлично, сколько их извлечено. А для почвы, леса, живого, где все взаимосвязано, степень изъятия имеет огромное значение.
Экологические ресурсы, ресурсы природной среды, окружающей человека – это часть природных ресурсов, включая почву, совокупность средообразующих компонентов, обеспечивающих экологическое равновесие в биосфере и нормальную среду обитания человека.
Почвенно-земельные – ресурсы сельскохозяйственных угодий или почвенного покрова вне зависимости от форм использования. «Одной из важнейших экологических функций почвы является генерирование и сохранение биологического разнообразия», – считает А. С. Владыченский (2004, с. 102). Цитаты ученых, специалистов и экологов указаны на рис. 78.
В 1924 г. образовано Международное общество почвоведов. Первый международный конгресс проходил в 1927 г. в США, второй, в 1930 г. – в Москве. Отклик этого события можно найти в знаменитом романе «Золотой теленок» И. Ильф и Е. Петров. Там описан эпизод, когда О. Бендера второй раз не пускают в московскую гостиницу, поскольку она занята вернувшимися из экспедиции участниками международного симпозиума почвоведов. Он стал бить себя в грудь и сказал администратору: «Я сам в душе почвовед!».
Источник