Почва как жизненное пространство

Биология. 10 класс

§ 12. Почвенная среда жизни. Адаптации организмов к жизни в почве

Общая характеристика почвы как среды жизни

Почва — верхний слой земной коры, обладающий плодородием. Она образовалась в результате взаимодействия климатических и биологических факторов с подстилающей породой (песок, глина). Она является источником минерального питания для растений. В то же время почва — среда жизни для многих видов организмов. Это самая молодая среда жизни на Земле. С момента возникновения она играет важную роль в эволюции органического мира. Для нее характерны следующие свойства: высокая плотность, водный и температурный режим, аэрация (обеспечение воздухом), кислотность (рН), засоленность.

Плотность почвы увеличивается с глубиной и зависит от структуры, которая определяется относительным содержанием в почве песка и глины. Наиболее благоприятна для роста растений почва, содержащая песок и глину примерно в равных количествах. По механическому составу наиболее распространенными являются глинистые (тяжелые), суглинистые и песчаные (легкие) почвы, которые существенно различаются по водному и температурному режиму.

Водный и температурный режим почвы тесно взаимосвязаны и взаимозависимы. Почвенную влагу по степени доступности разделяют на три вида: свободную (гравитационную), капиллярную, пленочную (гигроскопическую).

Свободная вода подвижная, заполняет широкие промежутки между частицами почвы, но не удерживается в ней. Она способна просачиваться вниз под действием силы тяжести, пока не достигнет грунтовых вод. Организмы ее легко усваивают. Капиллярная вода удерживается в узких почвенных каналах силами поверхностного натяжения. Она может подниматься к поверхности по порам от грунтовых вод, легко испаряться, свободно поглощаться растениями. Пленочная вода в почве удерживается за счет водородных связей с почвенными частицами и практически недоступна для растений. В глинистых почвах ее содержание достигает 15 %, в песчаных — 5 %. По мере накопления пленочной воды она переходит в капиллярную.

Температурные колебания в почве сглажены по сравнению с приземным воздухом и на глубине 1—1,5 м уже не прослеживаются. Хорошо увлажненные почвы медленно прогреваются и медленно остывают и наоборот. Это обусловлено высокой теплоемкостью воды. Гидротермический режим почвы зависит от структуры почвы и содержания гумуса (органического вещества). Глинистые почвы хорошо удерживают влагу, поэтому хуже прогреваются, но дольше сохраняют тепло, чем песчаные. Темный цвет гумуса способствует лучшему прогреванию почвы, а его высокая влагоемкость — удержанию воды почвой.

Почвенный воздух, также как и почвенная вода, находится в порах между частицами почвы. Все поры, свободные от влаги, заполнены воздухом. Так происходит аэрация (обеспечение воздухом) почвы. Пористость почвы возрастает от глин к суглинкам и пескам. На легких (песчаных) почвах аэрация лучше, чем на тяжелых (глинистых). Между почвой и атмосферой происходит свободный газообмен, в результате чего газовый состав обеих сред имеет сходные параметры. Однако в воздухе почвы из-за дыхания населяющих ее организмов содержится меньше кислорода и больше углекислого газа, чем в атмосферном воздухе. Аэрация почвы зависит от ее влажности и температуры. Повышение влажности и температуры почвы ухудшает ее аэрацию и наоборот. С глубиной в почве увеличивается содержание углекислого газа. Указанные факторы являются одними из причин вертикальной миграции организмов в почве.

Кислотность почвы (рН) выражается через рН почвенного раствора (жидкой фазы почвы) — отрицательный логарифм концентрации водородных ионов.

При рН, равном 7, реакция почвенного раствора является нейтральной, если его значение ниже 7, то почва кислая, если выше 7, то щелочная. Таким образом, чем ниже значение рН, тем выше кислотность почвы.

Растения более чувствительны к рН почвы, чем животные. Для каждого вида растений существует оптимальное значение кислотности почвы, при котором они развиваются наилучшим образом, поэтому pH является одним из наиболее важных показателей качества плодородия. При несоответствии кислотности почвы потребностям растений у них нарушается нормальный процесс питания и некоторые полезные вещества и соединения не усваиваются или усваиваются крайне плохо, в результате чего замедляется рост растений.

*Засоленность почвы характеризуется содержанием в ней легкорастворимых солей в токсичных для растений количествах (> 0,25 %). Примерно четвертая часть поверхности суши имеет засоленные почвы. Много засоленных земель в пустынях, полупустынях, в степях, а также на морских и океанических побережьях.

Засоленные почвы различаются по глубине залегания солевого горизонта, химическому составу засоления и степени засоления. По первому признаку почвы делятся на солонцы — соли расположены в глубоких слоях почвы (80—150 см) и солончаки — содержащие большое количество водорастворимых солей у самой поверхности (до 30 см) и в профиле (30—80 см). По химическому составу солей почвы классифицируются исходя из преобладающих анионов (например, хлоридные, сульфатные).

Причины засоления разные. В засушливых местах, где выпадает мало осадков, соли остаются в верхних слоях почвы, так как слабо вымываются дождевой водой. Почвы морских побережий во время прилива пропитывает соленая морская вода. Соленые брызги прибоя, постоянно оседая на прибрежной полосе, тоже засоляют почву. Причиной засоления может быть и неправильный режим орошения пахотных земель в зоне засушливого климата.

Источник

Почва как жизненное пространство

Теоретическое почвоведение и его история возникли практически одновременно. Основатель почвоведения В.В. Докучаев был и его первым историком.

Основные этапы развития науки:

І. Этап накопления фактов (эмпирический)

Периоды:

7-8 век до н.э. Первые исследовательские попытки у эллинов. Колыбель современного почвоведения – в Греции. Главное качество периода – наблюдательность (выделили почвенные слои);
2-1 век до н.э. В древнем Риме появились первые агроприемы, направленные на восстановление плодородия (“так терпи же, чтобы поле отдыхало под паром покой на досуге вкушая”);
Период средневековья. Основная решаемая проблема: чем питаются растения – водой, частицами, воздухом … Решение данного вопроса способствовало исследованию состава почвы, ее происхождения. Появились первые гипотезы о наличии гумуса в почве.

Теории происхождения почвы:

-геологическое или растительное образование

-гумусовая теория

-болотная теория

-гипотеза М.В. Ломоносова (почва – продукт взаимодействия минерального и растительного царства). Работа «О слоях земных».

ІІ. Этап современного почвоведения (эмпирический)– основатель В.В. Докучаев

Периоды:

почва самостоятельное «естественноисторическое» тело природы;
намечена методология исследования почв;
открыты законы природной зональности;
появилось учение о классификации почв (генетическая), в название почв используются цветовые шкалы;
взаимопроникновение с агрономией;
новая наука приступила к решению прикладных задач

2.) Период окончательного утверждения и дальнейшего развития Докучаевских идей (1901 – 1916 гг.)

начало дифференциации почвоведения;
первые оценочные работы;
исследование почвенных ресурсов;
начало исследований почв в Сибири

Наиболее авторитетные ученые: К.Д. Глинка, П.С. Коссович

3.) Дифференциация почвоведения (1917 – 1947 гг.)

углубленное изучение свойств почв и почвенных процессов;
появление разделов – физика, химия, биология, минералогия, генезис, география почв;
начало «картографии почв»;
почвенно-оценочные работы

Наиболее авторитетные ученые: Б.Б. Полынов, В.Р. Вильямс, Л.И. Прасолов, С.П. Кравков, К.К Гедройц, Р.С. Ильин

4.) Дифференциация почвоведения (1948 – 1973 гг.)

дальнейшее развитие картографии;
развитие классификации и стационарных исследований;
развитие сети почвенных учреждений;

5.) (1974 – 1990 гг.)

развитие разделов почвоведения;
выявление биосферных и экологических функций почв;
проблема деградации почв;
разработка почвенного мониторинга

6.) Экологизация почвоведения (1991 – по настоящее время)

усиленное внимание к теоретическим проблемам природного и антропогенного почвообразования;
решение экологических проблем;
ослабление экспериментальных и экспедиционных исследований;
анализ почвы как системы

Резюме: Фактами истории почвоведения являются все события интеллектуальной, организационной и практической деятельности почвоведов, а историческими источниками – воспоминания, материалы архивов, все публикации научного, прикладного, хроникального характера, особенно в журнале «Почвоведение».

2. Понятие о почве и почвоведении

Почва – четырехфазная открытая система. Состоит из 4 фаз (частей):

Твердая фаза – характеризуется гранулометрическим, минералогическим и химическим составом, сложением, структурой и пористостью.

В состав твердой фазы почвы входят минералы и химические соединения, унаследованные от исходной горной породы и практически неизменные при последующем выветривании и почвообразовании. Минералы и соли, перешедшие в почву из исходной породы, называют первичными. Твердую фазу формируют также вторичные минералы. Они образуются при выветривании исходной горной породы и почвообразовании .

Органическое вещество почвы в т.ч. гумус также формирует твердую фазу почвы. На долю минеральной части приходится до 90 % от объема твердой фазы.

Жидкая фаза – это вода в почве, циркулирующая в пределах почвенного профиля вместе с растворенными в ней разнообразными минеральными, органическими и органоминеральными соединениями. Она называется почвенным раствором.

Почвенный раствор представляет собой исключительно динамичную фазу почвы, он играет важную роль в жизни живых организмов, а также в процессах миграции веществ в почвенном профиле. Почвенный раствор располагается в почвенных порах.

Газообразная фаза – представляет собой почвенный воздух, который заполняет разнообразные пустоты (поры, трещины), имеющиеся в почве и не занятые водой. Почвенный воздух существенно отличается от атмосферного и динамичен во времени. Основные газы почвенного воздуха – кислород, углекислый газ, которого в почве в несколько раз больше, чем в атмосферном воздухе, азот. Почвенный воздух располагается в порах, которые формируют пористость аэрации.

Живая фаза – представлена живыми организмами, населяющими почву, которые служат важнейшим фактором почвообразования. В состав фазы входят разнообразные микроорганизмы (бактерии, грибы, актиномицеты), почвенные животные, корневые системы зеленых растений.

Все фазы почвы взаимосвязаны, оказывают взаимное влияние друг на друга и существуют как единое целое.

Почвоведение – наука об образовании (генезисе), строении и свойствах почв, закономерностях их географического распространения, путях рационального использования и повышении почвенного плодородия.

Почвоведение принадлежит к наука о природе, т.е. является естественнонаучной дисциплиной. Оно тесно соприкасается с фундаментальными науками (математика, физика, химия), естественно-историческими (биология, геология, география), прикладными науками (земледелие, растениеводство, мелиорация, агрохимия, землеустройство и т.д.).

Как любая другая наука, почвоведение имеет свои методы исследований, адекватные предмету исследований.

3. Функции почв

І. Биогеоценотические – объединены в несколько групп по основным контролирующим их свойствам почв.

жизненное пространство

жилище и убежище

опорная функция

функция сохранения и депо семян

Химические и биохимические функции

источник питательных элементов и соединений

депо элементов питания, энергии и влаги

функция стимулятора и ингибитора биохимических и других процессов

Физико-химические функции

сорбция тонкодисперсного вещества, поступающего из атмосферы, с боковыми и грунтовыми водными потоками и растительным опадом

сорбция почвенным мелкоземом микроорганизмов, обитающих в почве

функция стимулятора и ингибитора биохимических и других процессов

Информационные функции

функция сигнала для сезонных и других биологических процессов

регуляция численности, состава и структуры биогеоценоза

пусковой механизм некоторых сукцессий

«память» биогеоценоза (ландшафта)

Биогеоценоз – это экосистема в границах фитоценоза.

Целостные функции

Трансформация вещества и энергии

Санитарная функция

Функция защитного и буферного экрана

В целом все перечисленные функции прямо или косвенно определяют почвенное плодородие.

ІІ Глобальные – входят функции, реализуемые почвенным покровом в его взаимодействии с литосферой, гидросферой, атмосферой и биосферой.

защитный слой литосферы

источник вещества для формирования пород и полезных ископаемых

передача аккумулированной солнечной энергии и вещества в недра Земли

Гидросферные

Роль в круговороте воды, регулировании водного баланса

Атмосферные

Фактор формирования и эволюции газового состава атмосферы

Источник и приемник твердого вещества и микроорганизмов атмосферы

Общебиосферные

среда обитания организмов суши

связующее звено биологического и геологического круговорота

ІІІ Экологические функции городских почв

Отличие городских почв от почв природных ландшафтов в том, что их свойства формируются под влиянием антропогенных факторов. С участием почв в антропоэкосистемах города протекают биогеохимические циклы различных химических веществ (природного и техногенного происхождения), в них происходит преобразование культурного насыпного слоя, трансформация поверхностных вод в грунтовые.

Утилитарное (практическое) значение имеет плодородие этих почв, пригодность их для произрастания зеленых насаждений. Почвы служат банком для семян, регулятором газового обмена. Особую значимость в урбанизированных ландшафтах приобретает протекторная функция почвы.

Таким образом, в городах, почва служит:

защитным барьером от вертикального проникновения веществ химического и биологического происхождения
биогеохимическим преобразователем грунтов, мусора и свалок.

4.Принципы и формула почвообразования

В основе генетического почвоведения, созданного Докучаевым, лежит два фундаментальных принципа:

1) Почва, есть самостоятельное естественно-историческое природное тело, объективно отличающиеся от других природных тел строением, свойствами, законами образования (генезисом) и функционирования.
2) Почва как природное тело является функцией взаимодействия факторов – почвообразователей во времени.

Однако еще Докучаеву и его ученикам было ясно, что связь почвы со средой осуществляется благодаря почвообразовательным процессам, постепенно превращающему исходный геологический субстрат в почву. Так, почти одновременно с учением о почве родилось учение о почвообразовательном процессе как передаточном «механизме» от факторов среды к свойствам почв.

Только в 60-70-е годы двадцатого века произошло окончательное осознание, что процессы – необходимое звено в докучаевской формуле:

Свойства почв &#171 Факторы почвообразования

В качестве фундаментальной формулы почвоведения в 1973-1975 гг. Герасимов И.П. предложил использовать триаду:

Свойства почв &#171 Процессы &#171 Факторы почвообразования

В результате дискуссий в почвоведении (на современном этапе) выделяются следующие виды (категории) почвообразовательных процессов:

Микропроцессы
Мезопроцессы (элементарные почвообразовательные процессы)
Макропроцессы

5. Почвенные микропроцессы

Микропроцессы &#150 это наиболее простые и многочисленные процессы и явления в почвах, идущие на молекулярном, ионном, атомном и подобных уровнях.

Как правило, это различные противоположно направленные явления.

Главная черта – не оставляют в почвах в данный момент заметных морфологически выраженных признаков; обратимы и цикличны.

Микропроцессы подразделяются на 3 группы:

Процессы обмена веществом и энергией между почвой и другими природными телами – газами, водой, теплом, энергией.
Микропроцессы превращения веществ и энергии, происходящие в самой почве:
Микропроцессы передвижения веществ и энергии в почве

6. Почвенные мезопроцессы

Мезопроцессы, или элементарные почвообразовательные процессы (ЭПП) &#150 занимают промежуточный уровень между микропроцессами и типовыми макропроцессами.

Эта такая группа процессов, из которых ни один взятый в отдельности не способен сформировать почву. ЭПП – это обязательно только составная часть (элемент) типового почвообразовательного процесса.
Это процессы, которые обязательно приводят к изменению твердой фазы почвы или породы. Все ЭПП приводят к тому, что мы можем каким-то образом зафиксировать это изменение.

Выделяют следующие группы ЭПП:

Первичный почвообразовательный процесс
Метаморфизм органического вещества, гумусообразование in situ
Метаморфизм минерального вещества
Переорганизация почвенной массы
Оглеение почвенной массы – процесс трансформации на месте минеральной массы почв в условиях постоянного или длительного переувлажнения и анаэробиозиса, приводящий к созданию «холодных» тонов окраски
Миграция вещества

Элементарные почвообразовательные процессы это такая группа процессов, из которых ни один взятый в отдельности не способен сформировать почву. ЭПП &#150 это обязательно только составная часть (элемент) типового почвообразовательного процесса. Любая почва формируется тем или иным сочетанием конкретных ЭПП разных групп, но никогда не образуется ЭПП из одной только группы. Именно в этом проявляется &#171элементарность&#187 этого уровня процессов &#150 любой типовой почвообразовательный процесс составляется из омбинации более чем одного ЭПП.

7. Почвенные макропроцессы (общие, типовые)

Это процессы, которые обязательно имеют своим конечным или промежуточным результатом изменение в твердой фазе почвообразующей породы или почвы. Ни в одном из действующих списков ЭПП нет такого процесса, который не имел бы подобного &#171 твердофазного &#187результата&#150 признака, маркирующего процесс.

Макропроцессы – формируют почвы определенных генетических групп. В почвоведении они рассматриваются как черноземообразование, подзолообразование, солонцеобразование и т.д. Чернозем, подзол или солонец образуются в результате определенного совместного воздействия нескольких ЭПП. Главенство процессов не абсолютно. В зависимости от типов почв и конкретных условий главное может стать второстепенным, подчиненным.

Дерновый &#150 обязательное условие постоянный приток влаги извне, корни не тянутся вниз в поисках воды. Формируемые почвы – дерново-подзолистая, серая лесная с поверхностным горизонтом А1.
Черноземный &#150 отсутствует внешнее увлажнение, корни растений тянутся вниз в поисках воды. Формируемые почвы – черноземы с поверхностным горизонтом А.
Подзолистый &#150 процесс разрушения первичных и вторичных минералов. Формируются подзолистые почвы с горизонтом А2.
Болотный &#150 состоит из 2 процессов: торфообразование и оглеение.
Солончаковый &#150 процесс накопления легкорастворимых солей в почвенном профиле.
Солонцовый &#150 процесс внедрения в почвенный комплекс (ППК) иона натрия (Na+).

8. Формирование почвенного профиля

Процесс формирования полноразвитого профиля длится от сотен до сотен тысяч лет.

Почвенный профиль – это совокупность генетически сопряженных и закономерно сменяющихся горизонтов почвы, на которые расчленяется материнская порода в процессе почвообразования.

Главные факторы образования профиля – процессы разрушения, синтеза и миграции органических, минеральных и органо-минеральных веществ и энергии; вертикальное распределение живого вещества.

Выделяют следующие факторы вертикальной дифференциации почвенного профиля:

Вертикальная ярусность корневых систем растений, связанная с биологическими особенностями растительных организмов, строением почвообразующих пород, уровнем и составом грунтовых вод
Вертикальное распределение микроорганизмов
Вертикальное распределение и миграция почвенных животных
Вертикальное перемещение влаги в почве
Вертикальный поток тепла
Вертикальная диффузия газов из атмосферы во внутренние слои литосферы

Наверх

Источник

➤