Почва это живое разумное вещество
Живое вещество
Само понятие «живое вещество», весь комплекс представлений о его геохимической деятельности введены в науку В. И. Вернадским. Гениальная его работа «Биосфера» известна достаточно широко, но не все знают, что к созданию учения о биосфере и ноосфере, многих принципиально новых направлений в науке Вернадский пришел через почвоведение.
На Украине он начинал свой путь под руководством В. В. Докучаева с оценки черноземов Полтавщины и Приднепровья. На протяжении всей своей долгой творческой жизни ученый сохранил глубокий интерес к почвоведению, к практике сельского хозяйства. Значительная часть громадного научного наследия Вернадского непосредственно связана с разработкой фундаментальных проблем почвоведения.
Его интересовала роль живого вещества в создании почвы, биогеохимическая роль алюминия и кремния в почвах, значение почвенной атмосферы и ее биогенной структуры, роль почвенных растворов в биосфере, биогеохимический круговорот, распространение радиоактивных элементов и их накопление живыми организмами.
Учениками Вернадского были ученые, работы которых определили лицо и проблематику геохимии: академики А. Е. Ферсман, В. Г. Хлопин, Д. И. Щербаков, А. А. Полканов, А. П. Виноградов, А. А. Твалчрелидзе, члены-корреспонденты Академии паук СССР А. А. Сауков, К. А. Власов, К. А. Ненадкевич.
В 1919 году Вернадский организовал Украинскую академию наук и стал ее первым президентом. Судьба, однако, распорядилась так, что многие фундаментальные работы Вернадского о деятельности живого вещества в биосфере стали известны широкому читателю несколько десятилетий спустя после смерти их автора, в том числе написанная в начале 20-х годов и опубликованная в 1978 году книга «Живое вещество». А в 1984 году январский номер журнала «Наука и жизнь» украсила впервые увидевшая свет работа Владимира Ивановича «Об участии живого вещества в создании почв», которая 65 лет лежала в архивах. Что же именовал ученый живым веществом?
«Под именем живого вещества, — писал В. И. Вернадский в 1919 году, — я буду подразумевать всю совокупность всех организмов, растительности и животных, в том числе и человека. С геохимической точки зрения эта совокупность организмов имеет значение только той массой вещества, которая ее составляет, ее химическим составом и связанной с ней энергией. Очевидно, только с этой точки зрения имеет значение живое вещество и для почвы, так как, поскольку мы имеем дело с химией почв, мы имеем дело с частным проявлением общих геохимических процессов. Живое вещество, вошедшее в состав почвы, обусловливает в ней самые разнообразные изменения ее свойств, обычно не учитываемые в почвоведении. На первом месте я остановлюсь здесь на его влиянии на мелкоземлистость почвы, ибо это свойство почвы является самым основным и резким ее отличием от всех других продуктов земной поверхности. Оно же определяет ход всех химических реакций в почве и делает из почвы активнейшую область с химической точки зрения в биосфере».
Тогда же ученый впервые высказал мысль об органогенном парагенезисе как факторе геохимических преобразований — совместном нахождении химических элементов в живом веществе, которое определяется биологическими свойствами организмов, а не химическими свойствами элементов. К основным элементам органогенного парагенезиса Вернадский относил C, O, H, N, S, P, Cl, K, Mg, Ca, Na, Fe, к которым обычно присоединяют еще Si, Mn, F, J, Co, B, Ba, Sr, Pb, Zn, Ag, Br, V и т. д. В живом организме всегда содержится не менее 20-25 химических элементов, эти элементы оказываются вместе после гибели живого в исключительно малых объемах, высоких концентрациях и в соотношениях, которые определяют жизнь.
Вернадский здесь высказался с присущей гению ясностью: «. в почве нет химических процессов вне участия в них живой материи и продуктов ее изменения».
Но измерять количество живого вещества в почвах и на планете в целом биологи и почвоведы научились не сразу, даже когда поняли, что делать это необходимо. Еще медленнее шло познание химического состава растений, животных, микробов, тех химических реакций, которые благодаря им осуществляются в почве.
Еще Вернадский отмечал, что масса растений в 10-100 тысяч раз превышает массу животных, и ему было хорошо известно о почвообразующей деятельности дождевых червей и грызунов, термитов и муравьев, о биохимических процессах в почвах, вызываемых микробами. Но точную количественную меру всем этим явлениям биологи нашли только в наши дни.
Многие поколения ученых интересовались жизнью корневых систем растений, почвенных животных и микроорганизмов. Они вели наблюдения, собирали и классифицировали материал. Постепенно вырабатывались и точные количественные методы учета. А подвела итоги всей этой работы Международная биологическая программа — МБП.
В 60-х годах нашего века началось планомерное изучение всей биосферы, в том числе и наземных биогеоценозов. Исследовали состав растительного покрова, его массу, ее ежегодный прирост, отмирание и разложение растительных остатков. Учитывали количество разных химических элементов, поступающих в растения и возвращающихся в почву с опадом. Определяли, какую часть биомассы составляют корни, листья, стебли. Исследования по международной программе резко изменили оценку роли животных и микроорганизмов в биологическом круговороте и почвообразовании.
Международная биологическая программа предусматривала «глобальное комплексное изучение биологических основ продуктивности и благосостояния человека» и первоначально была рассчитана, на восемь лет. В ней участвовали 58 стран, и еще в 33 странах разрабатывались отдельные пункты программы. Основные исследования велись самостоятельно каждой страной на строго добровольных началах, за счет национальных средств.
Об окончательных научных итогах говорить пока рано, но некоторые выводы сделать все же можно. Вероятно, главный из них в том, что первый опыт международного сотрудничества в области биологии показал плодотворность разработки на международной основе тех ее капитальных проблем, которые трудно решить в национальных границах. МБП активизировала изучение продуктивности биосферы, что имеет очень большое значение.
Собранные в разных ландшафтно-климатических зонах земного шара сведения помогут провести другую международную программу — «Человек и биосфера», которая в известной мере явится продолжением МБП.
МБП убедительно доказала опасность неблагоприятных изменений природной среды, особенно загрязнения в результате деятельности человека. И в рамках МБП возникла идея создания глобальной биологической службы, без которой невозможно определить тенденции таких изменений.
Так сколько же биомассы вокруг нас? В умеренной полосе СССР в лесах основная биомасса сосредоточена в древесине, ее — от 100 до 400 тонн на гектар. Эта биомасса многолетняя, в почву ежегодно поступает только 3,5-9 тонн опада листвы и сучьев. Масса корней составляет одну четверть от надземной части деревьев, но ежегодно и они дают 3-5 тонн сухого вещества за счет ежегодно отмирающих мелких корневых волосков.
В травянистых сообществах ежегодно отмирает большая часть как наземной, так и корневой биомассы, в степях и на лугах эта величина может быть очень значительной; так, опад в луговых степях только наземной части растений равен 11 тоннам на гектар.
Урожай с полей собирает человек, поэтому в биологический круговорот включаются только остатки жнивья и отмирающие корни. В дерново-подзолистых почвах, на суглинках, на полях однолетних культур остается 0,3-1,9 тонны таких остатков и 1,3-5 тоны корней (сухого вещества) на гектар.
Труднее определить биомассу микробов. Она зависит от продуктивности наземной растительности, содержания гумуса и азота почвы, продолжительности теплого времени года, когда микробы могут активно функционировать. В тундрах, например, активное время жизни микробов ограничено 1-2 месяцами, а на юге они способны развиваться, если хватает влаги, круглогодично. По данным ленинградского профессора Т. В. Аристовской, в разных типах почв бактерии дают 3-15 генераций в месяц, но в среднем за год это составит, по-видимому, 10-15 генераций, учитывая разную продолжительность активной жизнедеятельности микробов.
По данным известного исследователя Э. Рассела, живой вес бактериальных клеток в пахотных почвах, южной Англии составляет 2-4 тонны на гектар. При этом на долю бактерий приходится 0,5-1 процент от веса органического вещества почвы; биомасса грибов примерно такая же. По другим подсчетам, в пахотных почвах обитает около 20 тонн живых микробов на гектар. Академик Е. Н. Мишустин для разных типов почв дает цифру от 0,6 до 5 тонн сырого веса (0,1-1,3 тонны сухого веса). Для водорослей Э. А. Штина определила биомассу порядка 60-500 килограммов сухого веса в почвах под естественной растительностью, в исключительных случаях — до 1400 килограммов на гектар, при четырех генерациях в год в условиях средней полосы СССР. Велика биомасса почвенных водорослей в агроценозах — порядка 0,2-2,2 тонны на гектар.
Живое вещество
Таким образом, общая продукция микрофлоры в почвах средней полосы европейской части СССР может быть оценена в 2-3 тонны сухого вещества на гектар в год. На долю почвенных животных приходится 15-20 процентов от веса всех живых существ почвы, то есть около 1-1,5 тонны сухого вещества.
Биомасса млекопитающих в тайге — 141 килограмм на квадратный километр, в смешанных лесах — 511, лесостепи — 1230, степи — около 600. Птиц меньше: в тайге их около 80 килограммов, в смешанных лесах — 40. лесостепи — 60, степи — около 13 килограммов на квадратный километр. Величины эти очень малы, если иметь в виду, что речь идет о «живой», а не о «сухой» биомассе, и притом на квадратный километр, а не на гектар.
В некоторых зарубежных странах биомассу животных в естественных ландшафтах удалось определить достаточно полно благодаря наблюдениям, которые велись десятилетиями. К таким районам в первую очередь относятся леса северо-западной Европы на бурых лесных почвах. Так, в Бельгии на гектар лесной растительности приходится 4 тонны листвы, 270 тонн ветвей и стволов, 1 тонна травы, ежегодная первичная продукция составляет 12 тонн, из них 52 процента составляют древесные растения и 8 процентов травы.
Потребителями этой первичной продукции являются (в живом весе) крупные млекопитающие (косули, кабаны — 2 килограмма на гектар), мелкие млекопитающие (грызуны, хищные, насекомоядные) — 5 килограммов, около 1,3 килограмма — птицы и около 1000 килограммов — почвенные беспозвоночные. Суммарная сухая масса всех животных составляет не более 100 килограммов на гектар.
Какие же изменения в сообществах живых организмов на суше происходят под влиянием хозяйственной деятельности человека?
Расхожее мнение, будто человек лишь губит живой покров Земли, разрушая его, не соответствует истине. Научно обоснованная, продуманная деятельность человека отнюдь не ведет к обеднению биосферы. По важнейшим биологическим показателям — продуктивности, количеству белка, генетическому разнообразию экосистем — агросистемы и другие культурные ландшафты не только не уступают естественным, но часто и превосходят их.
И это вполне понятно: человек резко интенсифицирует протекание биологических процессов в биосфере, внося в почву минеральные удобрения, повышая продуктивность засушливых или переувлажненных бесплодных земель, выводя все более продуктивные породы растений, животных, а в последнее время — и микроорганизмов. Правда, структура естественных сообществ нередко упрощается в агросистемах, но надо учитывать, что созданные человеком экосистемы несравнимо лабильнее. Это и дает основание экологам быть оптимистами, думая о будущем нашей планеты.
Источник
Почва — живой организм
Почва — это живой организм, состоящий из бесчисленных микроскопических живых существ. Число и разнообразие живых микроорганизмов в почве неизмеримо. В 1 г. почвы содержатся миллиарды бактерий, грибков, водорослей и других организмов, а кроме того, великое множество дождевых червей, мокриц, многоножек, улиток и других почвенных организмов, которые в результате процесса обмена веществ перерабатывают отмершие белковые организмы и другие органические остатки в питательные вещества, доступные для усвоения растениями. Благодаря их деятельности в почве из исходного растительного и белкового материала образуется гумус, из которого в результате соединения с водой и кислородом высвобождаются питательные вещества для растений. Рыхлая структура почвы также достигается во многом благодаря деятельности
почвенных организмов, которые естественным образом перемешивают минеральные и органические вещества, вырабатывая новую обогащенную субстанцию. Это значительно повышает плодородие почвы. Изучением почвообитающих животных занимается специальная отрасль науки — почвенная зоология, сформировавшаяся лишь в нашем столетии. После того как специалисты разработали методы учета и фиксации животных, что связано со значительными техническими трудностями, глазам зоологов предстало целое царство существ, разнообразных по строению, образу жизни и своему значению в естественных процессах, происходящих в почве. По биологическому разнообразию животный мир почвы можно сравнить разве что с коралловыми рифами — классическим примером наиболее богатых и разнообразных природных сообществ на нашей планете.
Среди них и крупные беспозвоночные типа дождевых червей, и микроорганизмы, которые невозможно увидеть невооруженным глазом. Помимо мелких размеров (до 1 мм) большинство почвообитающих беспозвоночных животных имеет и незаметную окраску покровов тела, беловатую или серую, поэтому разглядеть их можно только после специальной обработки фиксаторами, под лупой или микроскопом. Микроорганизмы составляют основу животного населения почвы, биомасса которой достигает сотни центнеров на гектар. Если говорить о численности дождевых червей и других крупных беспозвоночных, то она измеряется десятками и сотнями на один квадратный метр, а численность мелких и микроскопических организмов достигает миллионов и миллиардов особей.
К примеру, простейшие и круглые черви (нематоды) с размером тела до 0,01 мм по своей физиологии — типично водные существа, способные дышать кислородом, растворенным в воде. Мельчайшие размеры позволяют им довольствоваться микроскопическими капельками влаги, заполняющей узкие почвенные полости. Там черви передвигаются, находят пищу, размножаются. При пересыхании почвы они способны длительное время находиться в неактивном состоянии, покрываясь снаружи плотной предохранительной оболочкой из застывающих выделений.
Из почвенных организмов покрупнее можно назвать почвенных клещей, ногохвосток, мелких червячков — ближайших родственников дождевых червей. Это уже настоящие сухопутные животные. Они дышат атмосферным кислородом, заселяют воздушные внутрипочвен-ные полости, корневые ходы, норы более крупных беспозвоночных. Мелкие размеры, гибкое
Почвенные организмы являются жизненно необходимым звеном в замкнутом цикле обмена веществ. Благодаря их жизнедеятельности все продукты органического происхождения разлагаются, перерабатываются и приобретают доступную для растений минеральную форму. Минеральные вещества, растворенные в воде, поступают из почвы к корням растений, и цикл начинается сначала
тело позволяют им использовать даже самые узкие промежутки между почвенными частицами и проникать в глубокие горизонты плотных суглинистых почв. Например, панцирные клещи уходят вглубь на 1,5—2 м. Для этих мелких почвенных обитателей почва также не плотная масса, а система ходов и полостей, соединенных между собой. Животные обитают на их стенках, как в пещерах. Переувлажнение почвы оказывается столь же неблагоприятным для ее обитателей, как и пересыхание. Хорошо различимы почвенные беспозвоночные с размерами тела крупнее 2 мм. Здесь можно встретить разнообразные группы червей, наземных моллюсков, ракообразных (мокрицы, бокоплавы), пауков, сенокосцев, лож-носкорпионов, многоножек, муравьев, термитов, личинок (жуков, двукрылых и перепончатокрылых насекомых), гусениц бабочек Дождевые черви и некоторые личинки насекомых имеют сильно развитую мускулатуру. Сокращая мышцы, они увеличивают диаметр своего тела и раздвигают почвенные частицы. Черви заглатывают землю, пропускают ее через свой кишечник и продвигаются при этом вперед, как бы «проедаясь» сквозь почву. Позади они оставляют свои экскременты с продуктами обмена и слизью, обильно выделяемой в полости кишечника. Этими слизистыми комочками черви покрывают поверхность хода, укрепляя его стенки, поэтому такие ходы долго сохраняются в почве.
А личинки насекомых имеют особые образования на конечностях, голове, иногда на спине, которыми они действуют, как лопатой. Например, у медведок передние ноги превращены в сильные орудия копания — они расширены, с зазубренными краями. Эти скребки способны рыхлить даже очень сухую почву. У личинок же
хрущей, роющих ходы на значительную глубину, орудием рыхления служат верхние челюсти, которые имеют вид треугольных пирамидок с зубчатой вершиной и с мощными гребнями по бокам. Личинка ударяет этими челюстями в почвенный комочек, разбивает его на мелкие частицы и подгребает их под себя. Другие крупные обитатели почвы живут в уже имеющихся полостях. Они отличаются, как правило, очень гибким тонким телом и могут проникать в очень узкие и извилистые ходы. Роющая деятельность животных имеет большое значение для почвы. Система ходов улучшает ее аэрацию, что благоприятствует росту корней и развитию аэробных микроби-альных процессов, связанных с гумификацией и минерализацией органического материала. Недаром Чарльз Дарвин писал, что задолго до того, как человек изобрел плуг, дождевые черви научились правильно и хорошо обрабатывать землю. Он посвятил им специальную книгу «Образование почвенного слоя дождевыми червями и наблюдения над образом жизни последних».
Основная роль почвенных организмов заключается в способности быстро перерабатывать растительные остатки, навоз, бытовые отходы, превращая их в высококачественное естественное органическое удобрение биогумус. Во многих странах, в том числе и в нашей, червей научились разводить на специальных фермах для получения органических удобрений. Оценить вклад невидимых тружеников почвы вуюрмировании ее структуры помогут следующие примеры. Так, муравьи, строящие почвенные гнезда, выбрасывают на поверхность из глубоких слоев почвы более тонны земли на 1 га. За 8—10 лет они перерабатывают практически весь заселенный ими горизонт. А пустынные мокрицы поднимают с глубины 50— 80 см на поверхность почву, обогащенную элементами минерального питания растений. Там, где находятся колонии этих мокриц, растительность более высокая и густая. Дождевые же черви способны перерабатывать в год до 110 т земли на 1 га.
Передвигаясь в земле и питаясь отмершими растительными остатками, животные перемешивают органические и минеральные частицы почвы. Затаскивая наземный опад в глубокие слои, они тем самым улучшают аэрацию этих слоев, способствуют активизации микро-биальных процессов, что приводит к обогащению почвы гумусом и питательными веществами. Именно животные своей деятельностью создают гумусовый горизонт и почвенную структуру.
Роль дождевых червей в биологической жизни почвы
Дождевые черви рыхлят почву, проникая в отличие от других почвенных организмов, способных проживать лишь в одном почвенном слое, в разные слои почвы. Через проделанные червями отверстия к корням растений проникают воздух и вода.
Дождевые черви способствуют обогащению почвы кислородом, что предотвращает процессы гниения органического материала
: Дождевые черви поглощают органические остатки, вместе с которыми в пищеварительный тракт попадают минеральные частицы, крупицы глины, почвенные водоросли, бактерии, микроорганизмы. Там этот разнородный материал перемешивается и перерабатывается, благодаря обменным процессам, дополняется выделениями кишечной микрофлоры червя, приобретая новое состояние, и затем в виде помета попадает в почву. Это качественно улучшает состав почвы и придает ей склеенную комковатую структуру.
Человек научился обрабатывать почву, удобрять ее и получать высокие урожаи. Заменяет ли это деятельность почвенных организмов? В какой-то степени да. Но при интенсивном землепользовании современными методами, при перегрузке почвы химикатами (минеральные удобрения, пестициды, стимуляторы роста), при частых нарушениях ее поверхностного слоя и уплотнении его сельскохозяйственными машинами возникают глубокие нарушения естественных процессов, которые ведут к постепенной деградации почвы, снижению ее плодородия. Завышенные количества минеральных удобрений отравляют землю и убивают ее биологическую жизнь. Химобработки уничтожают в почве не только вредителей, но и полезных животных. Для восстановления этого ущерба требуются годы. Сегодня, в период экологизации нашего мышления, стоит задуматься и над тем, какими критериями оценивать ущерб, нанесенный урожаю. До сих пор было принято считать только потери от вредителей. Но давайте же посчитаем и потери, нанесенные самой почве от гибели почвообразователей.
Для сохранения почвы, этого уникального природного ресурса Земли, способного к самовосстановлению своего плодородия, необходимо прежде всего сохранить ее животный мир. Почвенные организмы, почвообразователи делают то, что пока не может делать человек со своей мощной техникой. Они нуждаются в стабильной среде. Им необходимы кислород в системе проделанных ходов и запас органических остатков, убежища и ходы, которые не нарушаются человеком. Разумное ведение хозяйства, щадящие методы обработки почвы и максимальный отказ от химических средств защиты растений означают создание условий для сохранения живого биомира почвы — залога ее плодородия.
Питательные вещества в составе почвы
Все необходимые для жизни компоненты растения могут получать из почвы только в минеральной форме. Питательные вещества, которыми богаты органическая масса, гумус и органические удобрения могут быть усвоены растениями только после завершения процесса разложения органических соединений или их минерализации.
Наличие в почве достаточного количества питательных веществ является одним из главных факторов успешного развития растений. Свою надземную часть, корневую систему, цветы, плоды и семена растения строят из органических веществ: жиров, белков, углеводов, кислот и других веществ, вырабатываемых зеленой листовой массой растений. Для синтеза органических веществ растениям необходимы десять главных элементов, которые называются биогенными. Биогенные химические элементы постоянно входят в состав организмов и выполняют определенные биологические функции, обеспечивающие жизнеспособность организмов. К биогенным макроэлементам относятся углерод (С), кальций (Са), железо (Fe), водород (Н), калий (К), магний (Mg), азот (N), кислород (О), фосфор (Р), сера (S). Часть этих элементов растение получает из воздуха, например кислород и углерод, водород получает при разложении воды в процессе фотосинте-
Процесс обмена питательных веществ
Питательные элементы играют важнейшую роль в цикличном процессе обмена веществ, обеспечивая жизнедеятельность растений. Вода растворяет питательные вещества и микроэлементы, создавая почвенный раствор, который усваивается корнями растений Солнечная энергия способствует преобразованию питательных веществ в результате процесса фотосинтеза, который, в свою очередь, зависит от присутствия в тканях растений ряда микроэлементов, участвующих в образовании окрашенного вещества хлорофилла
за, остальные элементы поступают растению исключительно из почвы в виде растворенных в воде соединений, так называемого почвенного раствора. Если в почве наблюдается серьезный недостаток какого-либо из элементов, растение слабеет и развивается только до определенной стадии, пока не исчерпает свой внутренний биологический запас данного элемента, существующий в тканях растения. После этой стадии растение может погибнуть. Кроме биогенных макроэлементов для развития растения необходимы микроэлементы, содержащиеся обычно в очень маленьком количестве, но тем не менее играющие важную роль в процессах обмена. К микроэлементам следует отнести: алюминий (А1), бор (В), кобальт (Со), медь (Си), марганец (Мп), молибден Мо), натрий (Na), кремний (Si), цинк (Zn). Hei -остаток или избыток микроэлементов приводит к нарушению обмена веществ, что влечет
за собой отставание в росте и развитии растения, снижение урожайности и другие последствия. Некоторые из перечисленных микроэлементов не являются жизненно необходимыми и часто выделяются исследователями в группу так называемых «полезных элементов». Тем не менее их наличие требуется для полноценного развития растения. Все компоненты должны присутствовать в питании растения в сбалансированном виде, так как отсутствие хотя бы одного из главных элементов, как-то азота, фосфора, калия или кальция, неизбежно влечет за собой недостаточность или невозможность усвоения растением остальных трех элементов, а также других питательных веществ. Именно поэтому наличие всех элементов так важно для полноценного усвоения растением всего питательного комплекса.
Способность растений усваивать питательные вещества из окружающей среды определяется качеством и объемом корневой системы. Растения усваивают питательные вещества в течение всей вегетации, но неравномерно. Потребность растений в питательных веществах меняется в различные периоды развития. В период интенсивного роста растения особенно нуждаются в азоте, во время цветения и плодоношения возрастает потребность в фосфоре и калии. Усвоенные питательные вещества избирательно закрепляются в различных органах растений.
Источник