Экологические функции почв и ландшафтов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Курская государственная сельскохозяйственная академия им. проф. И.И. Иванова»

Кафедра экологии и охраны природы

Курсовая работа

по дисциплине «Сельскохозяйственная экология»

Экологические функции почв и ландшафтов

Выполнила

Студентка 5 курса 2 группы

агрономического ф-та «Агроэкология»

Ермакова С.

Проверил:

профессор Герасименко В.П.

Курск - 2014



Содержание

почва земледелие агроценоз

Введение

1. Почва - экологическая полифункциональная система

1.1 Роль почвы в регулировании состава атмосферы и гидросферы

1.2 Почва - среда обитания для организмов суши

1.3 Почва - аккумулятор и источник вещества и энергии для организмов

1.4 Экологическая роль микробного комплекса

1.5 Почва - связующее звено биологического геологического круговоротов веществ

2. Регулирование режима органического вещества в почве

2.1 Функции органического вещества почвы в современном земледелии

2.2 Изменение гумусового состояния почв в процессе трансформации естественных биогеоценозов в агроценозы

2.3 Влияние различных приемов земледелия на режим органического вещества почв

2.4 Влияние органического вещества почвы на урожай сельскохозяйственных культур

2.5 Балансовый подход к регулированию режима органического вещества в агроэкосистеме

2.6 Критерии и пути оптимизации режима органического вещества почв в агроландшафтах

Заключение

Список использованных источников



Введение

Почва - элемент географического ландшафта. Первопричиной образования почв явились живые организмы (главным образом растения и микробы), поселяющиеся в разрушенной выветриванием горной породе. Происхождение почвы и ее свойства неразрывно связаны с условиями окружающей среды. Она отражает в своих свойствах исторический ход влияющих на нее природных условий, производительных сил и производственных отношений.

Почва таит в себе огромные резервы плодородия. Задача заключается в умелом использовании их, что возможно на основе углубленного познания процессов почвообразования и мелиоративного воздействия на почву.

Плодородие любой почвы может быть повышено при правильном ее использовании. Почвы разных участков могут обладать одинаковым химическим составом, но различным эффективным плодородием на данном отрезке времени из-за различия в водно-физических свойствах, биологических и производственных особенностях. Различия в естественном, или природном, плодородии обуславливаются всем ходом почвообразования, а также составом (химический состав, органическое вещество, коллоиды, газы), свойствами (физико-химические, биологические) и строением почвы.

Современное почвоведение достигло такого уровня, при котором можно приступить не только к коренному улучшению почв, но и созданию новых вариантов почв с максимально высоким плодородием. До начала ХIХ века почву изучали крайне недостаточно и науки о ней не было. Только в конце ХIХ учение о почве стало четкой, ясно очертанной дисциплиной, имеющей свои методику, теорию, задачи и перспективы. Почвоведение было впервые основано в нашей стране. Приоритет русской науки о почве признается во всех странах мира. Он обусловлен следующими причинами:

1) огромными пространствами нашей страны с разнообразными природными условиями почвообразования от полярных областей до субтропиков и возможностями улучшения природных почв от тундровых до красноземов включительно;

2) элементами диалективно-материалистической методологии, на базе которой стихийно развивалось русское почвоведение с первых моментов его формирования.

Освоение не используемых земель пустынь, болот и улучшение качества почв мало продуктивных сенокосов значительно увеличит площадь сельскохозяйственных угодий и пахотных земель.



1. Почва - экологическая полифункциональная система

Итак, почва - это полифункциональная природная система. Из многочисленных важнейших функций следует выделить наиважнейшие, а именно определяющую роль почвы в производстве первичной биологической продукции как основы возобновимых природных ресурсов и главного источника питания человечества, и роль почвы как тонкой поверхностной оболочки экосферы, через которую осуществляется обмен веществом и энергией во многих звеньях глобальных биогеохимических циклов и регулируется химический состав вод и воздуха. Выражаясь языком журналистов, можно сказать, что роль почвы во многом похожа на роль кожи у животных.

Плодородие Почвы - способность почвы обеспечивать растения питательными веществами, влагой и др. условиями для обеспечения продукционного процесса. Понятие не несет в себе количественной оценки.[6]

Основные черты агроландшафта определяет человек, который стоит на вершине экологической пирамиды и заинтересован в спрямлении пищевых цепей с целью получения максимального количества первичной (растениеводческой) и вторичной (животноводческой) продукции нужного качества. Он управляет составом продуцентов и консументов, соотношением потоков энергии по главным пищевым цепям («растение-человек» и «растение-скот-человек»), уровнем первичной и вторичной биологической продукции, оттоком вещества и энергии по дополнительным цепям («почва-сорные растения», «культурные растения-насекомые-фитофаги», «хозяин-паразит»).[11]

Баланс элемента в экосистеме может быть как положительным (прогрессивная аккумуляция), так и отрицательным (прогрессивное объединение). В природных экосистемах дефицит того или иного элемента для создания биологической продукции восполняется за счет резервов атмосферы, гидросферы и литосферы в пределах данного пространственного элемента экосферы, а в антропогенных агроэкосистемах - преимущественно за счет искусственных удобрений, импортированных со стороны.[2]

1.1 Роль почвы в регулировании состава атмосферы и гидросферы

Третья глобальная функция почвы - регулирование химического состава атмосферы и гидросферы. Почвенное «дыхание» вместе с фотосинтезом и дыханием живых организмов играет определяющую роль в создании и поддержании состава приземного слоя атмосферного воздуха, а через него и атмосферы в целом. В геологической истории Земли, вероятно, почва сыграла немаловажную роль в создании современной атмосферы. С другой стороны, именно почвенный покров определяет состав тех веществ, которые поступают в гидросферу на континентальной ветви глобального круговорота воды. Роль почвы в природе. По учению В.И. Вернадского, почва входит в состав биосферы - области распространения жизни на Земле. Располагаясь на границе соприкосновения и взаимодействия литосферы, атмосферы и гидросферы, почва играет специфическую роль в этой сложной системе планетарных оболочек, формируя особую геосферу - педосферу, или почвенный покров Земли. При этом роль почвы в природе сводится к выполнению нескольких глобальных функций.

Главнейшая из всех функций - обеспечение существования жизни на Земле. Из почвы растения получают элементы питания и воду, создают свою биомассу, которая является условием жизни животных и человека. Почва -это среда обитания многочисленных животных, а также микроорганизмов.

Следующая глобальная функция почвы заключается в регулировании химического состава атмосферы и гидросферы. Фотосинтез растений вместе с почвенным «дыханием» и дыханием организмов играют главную роль в поддержании состава приземного слоя атмосферного воздуха, а через него и атмосферы в целом.

Почвенный покров определяет также состав веществ, поступающих в реки, моря и океаны.

Кроме перечисленных глобальных функций почва играет роль общепланетарного аккумулятора энергии, трансформировавшейся в процессе фотосинтеза растений, и служит экраном, удерживающим в биосфере важнейшие элементы от геохимического стока в Мировой океан. Почвенный покров вместе с его микромиром выполняет функции универсального биологического поглотителя и нейтрализатора различных загрязняющих веществ.

Роль почвы в жизни человека. Благодаря плодородию почвы человек получает необходимые для жизни продукты питания.

Почва является основным средством сельскохозяйственного производства и характеризуется незаменимостью, ограниченностью в пространстве и неперемещаемостью. По отношению к человеческому обществу почва имеет двойственную природу: с одной стороны, это физическая среда, жизненное пространство существования людей, а с другой - экономическая основа, средство производства.

1.2 Почва - среда обитания для организмов суши

Земля - единственная из планет имеет почву (эдасфера, педосфера) - особенную, верхнюю оболочку суши. Эта оболочка сформировалась в исторически обозримое время - она ровесница сухопутной жизни на планете. Впервые на вопрос о происхождении почвы ответил М.В. Ломоносов ("О слоях земли"): "…почва произошла от согнития животных и растительных тел … долготою времени…". А великий русский ученый В.В. Докучаев (1899) впервые назвал почву самостоятельным природным телом и доказал, что почва есть "…такое же самостоятельное естественноисторическое тело, как любое растение, любое животное, любой минерал … оно есть результат, функция совокупной, взаимной деятельности климата данной местности, ее растительных и животных организмов, рельефа и возраста страны…, наконец, подпочвы, т.е. грунтовых материнских горных пород. … Все эти агенты - почвообразователи, в сущности, совершенно равнозначные величины и принимают равноправное участие в образовании нормальной почвы…". И уже современный известный ученый почвовед Н.А. Качинский ("Почва, ее свойства и жизнь", 1975) дает следующее определение почвы: "Под почвой надо понимать все поверхностные слои горных пород, переработанные и измененные совместным воздействием климата (свет, тепло, воздух, вода), растительных и животных организмов".

Основными структурными элементами почвы являются: минеральная основа, органическое вещество, воздух и вода.

Минеральная основа (скелет) - это неорганическое вещество, образовавшееся в результате подстилающей горной (материнской, почвообразующей) породы в результате ее выветривания. Размеры скелетных частиц: от валунов и камней до мельчайших песчинок и илистых частиц. Физико-химические свойства почв обусловлены в основном составом почвообразующих пород.

Осуществляется постоянный обмен поверхностных почвенных и грунтовых вод, как звено общего круговорот воды в природе, меняющий скорость и направление в зависимости от сезона года и погодных условий.

Строение почв неоднородно как по горизонтали, так и по вертикали. Горизонтальная неоднородность почв отражает неоднородность размещения почвообразующих пород, положения в рельефе, особенности климата и согласуется с распределением по территории растительного покрова.

Исходя из степени подвижности и размеров, вся почвенная фауна сгруппирована в следующие три экологические группы:

Микробиотип, или микробиота (не путать с эндемиком Приморья - растением микробиотой перекрестнопарной!): организмы, представляющие промежуточное звено между растительными и животными организмами (бактерии, зеленые и сине-зеленые водоросли, грибы, простейшие одноклеточные). Это водные организмы, но мельче обитающих в воде. Живут в порах почвы, заполненных водой - микроводоемах. Основное звено детритной пищевой цепи. Могут высыхать, а с возобновлением достаточной влажности вновь оживают.

Мезобиотип, или мезобиота - совокупность мелких, легко извлекающихся из почвы подвижных насекомых (нематоды, клещи (Oribatei), мелкие личинки, ногохвостки (Collembola) и др. Очень многочисленны - до миллионов особей на 1м2. Питаются детритом, бактериями. Пользуются естественными полостями в почве, сами не роют себе ходов. При снижении влажности уходят вглубь. Приспособления от высыхания: защитные чешуйки, сплошной толстый панцирь. "Паводки" мезобиота пережидает в пузырьках почвенного воздуха.

Макробиотип, или макробиота - крупные насекомые, дождевые черви, подвижные членистоногие, живущие между подстилкой и почвой, другие животные, вплоть до роющих млекопитащих (кроты, землеройки). Преобладают дождевые черви (до 300 шт/м²).

Каждому типу почв и каждому горизонту соответствует свой комплекс живых организмов, участвующих в утилизации органики - эдафон. Наиболее многочисленным и сложным составом живых организмов обладают верхние - органогенные слои-горизонты. В иллювиальном обитают только бактерии (серобактерии, азотфиксирующие), не нуждающиеся в кислороде.

По степени связи со средой обитания в эдафоне выделяются три группы:

Геобионты - постоянные обитатели почвы (дождевые черви (Lymbricidae), многие первичнобескрылые насекомые (Apterigota)), из млекопитающих кроты, слепыши.

Геофилы - животные, у которых часть цикла развития проходит в другой среде, а часть - в почве. Это большинство летающих насекомых (саранчовые, жуки, комары-долгоножки, медведки, многие бабочки). Одни в почве проходят фазу личинки, другие - фазу куколки.

Геоксены - животные, иногда посещающие почву в качестве укрытия или убежища. К ним относятся все млекопитающие, живущие в норах, многие насекомые (таракановые (Blattodea), полужесткокрылые (Hemiptera), некоторые виды жуков).

Особая группа - псаммофиты и псаммофилы (мраморные хрущи, муравьиные львы); адаптированы к сыпучим пескам в пустынях. Приспособления к жизни в подвижной, сухой среде у растений (саксаул, песчаная акация, овсяница песчаная и др.): придаточные корни, спящие почки на корнях. Первые начинают расти при засыпании песком, вторые при сдувании песка. От заноса песком спасаются быстрым ростом, редукцией листьев. Плодам присуща летучесть, пружинистость. От засухи предохраняют песчаные чехлы на корнях, опробковение коры, сильно развитые корни. Приспособления к жизни в подвижной, сухой среде у животных (указаны выше, где рассматривался тепловой и влажный режимы): минируют пески - раздвигают их телом. У роющих животных лапы-лыжи - с наростами, с волосяным покровом.

Почва - промежуточная среда между водой (температурный режим, низкое содержание кислорода, насыщенность водяными парами, наличие воды и солей в ней) и воздухом (воздушные полости, резкие изменения влажности и температуры в верхних слоях). Для многих членистоногих почва была средой, через которую они смогли перейти от водного к наземному образу жизни. Основными показателями свойств почвы, отражающими возможность ее быть средой обитания для живых организмов, являются гидротермический режим и аэрация. Или влажность, температура и структура почвы. Все три показателя тесно связаны между собой. С повышением влажности повышается теплопроводность и ухудшается аэрация почв. Чем выше температура, тем сильнее идет испарение. Непосредственно с этими показателями связаны понятия физической и физиологической сухости почв.

Физическая сухость обычна место при атмосферных засухах, в связи с резким сокращением поступления воды из-за долгого отсутствия осадков.

В Приморье такие периоды характерны для поздней весны и особенно сильно выражены на склонах южных экспозиций. Причем при одинаковом положении в рельефе и прочих сходных условиях произрастания, чем лучше развит растительный покров, тем быстрее наступает состояние физической сухости. Физиологическая сухость - более сложное явление, оно обусловлено неблагоприятными условиями среды. Заключается в физиологической недоступности воды при достаточном, и даже избыточном ее количестве в почве. Как правило, физиологически недоступной становится вода при низких температурах, высоких засоленности или кислотности почв, наличии токсических веществ, недостатке кислорода. Одновременно недоступными становятся и растворимые в воде элементы питания: фосфор, сера, кальций, калий и др. Из-за холодности почв, и обусловленными ею переувлажнением и высокой кислотностью, физиологически недоступны корнесобственным растениям большие запасы воды и минеральных солей во многих экосистемах тундры и северо-таежных лесов. Этим объясняется сильное угнетение в них высших растений и широкое распространение лишайников и мхов, особенно сфагновых. Одним из важных приспособлений к суровым условиям в эдасфере является микоризное питание. Практически все деревья имеют связь с грибами-микоризообразователями. Каждому виду дерева соответствует свой микоризообразующий вид гриба. За счет микоризы увеличивается активная поверхность корневых систем, а выделения гриба корнями высших растений легко усваиваются.

Как сказал В.В. Докучаев "…Почвенные зоны являются и зонами естественноисторическими: тут очевидна теснейшая связь климата, почвы, животных и растительных организмов…". Это хорошо видно на примере почвенного покрова в лесных районах на севере и юге Дальнего Востока.

Характерной особенностью почв Дальнего Востока, формирующихся в условиях муссонного, т.е. очень влажного климата, является сильное вымывание элементов из элювиального горизонта. Но в северных и южных районах региона этот процесс неодинаков из-за разной теплообеспеченности местообитаний. Почвообразование на Крайнем Севере происходит в условиях короткого периода вегетации (не более 120 дней), и повсеместного распространения вечной мерзлоты. Недостаток тепла, часто сопровождается переувлажнением почв, низкой химической активностью выветривания почвообразующих пород и замедленным разложением органики. Жизнедеятельность почвенных микроорганизмов сильно угнетена, а усвоение питательных элементов корнями растений - заторможено. В результате северные ценозы отличаются низкой продуктивностью - запасы древесины в основных типах лиственничных редколесий не превышают 150 м2/га. При этом накопление отмершей органики превалирует над ее разложением, вследствие чего формируются мощные торфянистые и гумусовые горизонты, в профиле высоко содержание гумуса. Так, в северных лиственничниках мощность лесной подстилки достигает 10-12 см, а запасы недифференцированной массы в почве - до 53% от общего запаса биомассы насаждения. Одновременно идет вынос элементов за пределы профиля, а при близком залегании мерзлоты они аккумулируются в иллювиальном горизонте. В почвообразовании, как во всех холодных областях северного полушария, ведущий процесс - подзолообразовательный. Зональными почвами на северном побережье Охотского моря являются Al-Fe-гумусовые подзолы, в континентальных районах - подбуры. Во всех районах Северо-Востока обычны торфяные почвы с многолетней мерзлотой в профиле. Для зональных почв характерна резкая дифференциация горизонтов по цвету. В южных районах климат имеет черты, сходные с климатом влажных субтропиков. Ведущими факторами почвообразования в Приморье на фоне высокой влажности воздуха служат временно-избыточное (пульсирующее) увлажнение и продолжительный (200 дн), очень теплый вегетационный период. Ими обусловливается ускорение делювиальных процессов (выветривание первичных минералов) и очень быстрое разложение отмершей органики на простые химические элементы. Последние не выносятся за пределы системы, а перехватываются растениями и почвенной фауной. В смешанных широколиственных лесах на юге Приморья за лето "перерабатывается" до 70% годичного опада, а мощность подстилки не превышает 1,5-3 см. Между горизонтами почвенного профиля зональных бурых почв границы выражены слабо. При достаточном количестве тепла главную роль в почвообразовании играет гидрологический режим. Все ландшафты Приморского края известный дальневосточный ученый-почвовед Г.И. Иванов разделил на ландшафты быстрого, слабо сдержанного и затрудненного водообмена. В ландшафтах быстрого водообмена ведущим является буроземообразовательный процесс. Почвы этих ландшафтов, они же и зональные - бурые лесные под хвойно-широколиственными и широколиственными лесами и буро-таежные - под хвойными, отличаются очень высокой продуктивностью. Так, запасы древостоев в чернопихтово-широколиственных лесах, занимающих нижние и средние частях северных склонов на слабоскелетных суглинках достигают 1000 м3/га. Бурые почвы отличаются слабо выраженной дифференциацией генетического профиля.

В ландшафтах слабо сдержанного водообмена буроземообразование сопровождается оподзоливанием. В профиле почв, помимо гумусового и иллювиального горизонтов, выделяется осветленный элювиальный и появляются признаки дифференциации профиля. Им присущи слабокислая реакция среды и высокое содержание гумуса в верхней части профиля. Продуктивность этих почв меньше - запасы древостоев на них снижаются до 500 м3/га.

В ландшафтах затрудненного водообмена из-за систематического сильного переувлажнения в почвах создаются анаэробные условия, развиваются процессы оглеения и оторфованности гумусового слоя, Для них наиболее типичны буро-таежные глеево-оподзоленные, торфянисто- и торфяно-глеевые почвы под пихтово-еловыми лесами, буро-таежные торфянистые и торфяно-оподзоленные - под лиственничниками. Из-за слабой аэрации снижаются биологическая активность, увеличивается мощность органогенных горизонтов. Профиль резко разграничен на гумусовый, элювиальный и иллювиальный горизонты. Поскольку каждому типу почв, каждой почвенной зоне свойственны свои особенности, то и организмы отличаются избирательностью по отношению к этим условиям. По облику растительного покрова можно судить о влажности, кислотности, теплообеспеченности, засоленности, составе материнской породы и прочих характеристиках почвенного покрова.

Не только флора и структура растительности, но и фауна, за исключением микро- и мезофауны, специфична для разных почв. Например, около 20 видов жуков - галофилы, обитают только в почвах с повышенной соленостью. Даже дождевые черви наибольшей численности достигают во влажных, теплых, с мощным органогенным слоем почвах.

1.3 Почва - аккумулятор и источник вещества и энергии для организмов

Почва как фактор формирования и эволюции газового состава атмосферы.

Опосредованное влияние - функционирование наземных биоценозов (которые контролируют многие параметры атмосферы - содержание О₂, СО_2, микрогазов и др.) зависит от свойств почв.

Прямое - газообмен между почвой и воздушной оболочкой (В. И. Вернадский говорил: «газы биосферы те же, которые создаются при газовом обмене живых организмов»).

Почва - регулятор газового состава современной атмосферы.

Существенное воздействие почвы на газовый состав атмосферы обусловлено также сильным различием их газовой фазы. Хотя почвенный воздух и отличается по составу в десятки и сотни раз от атмосферного; происходит высокоскоростной взаимообмен с ним.

Почва - источник и приемник твердого вещества и микроорганизмов атмосферы.

Двустороннее движение твердого вещества и микроорганизмов в системе почва - атмосфера (они попадают в воздушную оболочку с почвенной поверхности, а спустя некоторое время вновь возвращаются на нее, переместившись на большое расстояние) обусловлено потоками воздушных масс значительной силы, способных отрывать мелкозем.

Воздействие почвы на тепловой режим атмосферы определяется поглощением и отражением почвенной солнечной радиации (динамика тепла и влаги в нижних слоях атмосферы).

Почва способствует увеличению общего количества водяного пара, поступающего в атмосферу и, посредством местного круговорота, выравнивает процесс водообеспечения ландшафтов.

1) Почва - защитный слой и фактор развития литосферы

Почвенно-растительный чехол защищает поверхность литосферы от мощного фронтального эрозионного воздействия текучих вод. Почва уравновешивает процессы развития литосферы (эндо- и экзогенные факторы ее эволюции, внутренние и внешние источники энергии литосферы). Косвенная роль - без почвы (а она основная среда обитания организмов суши) активное биохимическое изменение литосферы было бы невозможно.

Непосредственное участие - почва - поставщик органических кислот, которые разлагают первичные минералы; продукты жизнедеятельности м/о мобилизуют химические элементы, законсервированные в кристаллических решетках (пример: микробиологическая деструкция минералов на ранних стадиях почвообразования).

Исходное накопление органогенного материала на поверхности Земли и последующая его трансформация в более глубоких слоях приводит к образованию органогенных полезных ископаемых - торфов, углей, нефти находящихся в тесной связи с почвообразованием и выветриванием находится формирование минеральных полезных ископаемых.

Почва участвует в передаче вещества атмосферы в недра Земли (в процессе почвообразования происходит поглощение газов, которые в составе почвенных соединений поступают в осадочные породы).

Биомасса живого вещества много больше биомассы океана

Почвенная среда обитания - аккумулятор и источник вещества и энергии для организмов суши.

Характер почвенного покрова определяет обособление зон, хотя основной фактор формирования географических зон.

Почва - связующее звено биологического и геологического круговоротов.

1.4 Экологическая роль микробного комплекса

Почва является главным резервуаром и естественной средой обитания микроорганизмов в природе, которые принимают активное участие в процессах формирования и самоочищения почвы, а также в круговороте веществ в природе (азота, углерода, серы, железа и других соединений). Почва формируется из горных пород, разрушающихся под действием ветра, воды, живых организмов, и из органических соединений, образующихся в результате гибели растений и животных. Разнообразные микроорганизмы почвы обитают в водных и коллоидных пленках, которые как бы обволакивают почвенные частицы. Широко осуществляется передвижение и расселение почвенных подвижных бактерий по гифам грибов, вокруг которых так же обнаруживаются микроскопические тонкие пленки.

Качественный состав микрофлоры почвы очень разнообразен: множество видов бактерий (преимущественно спорообразующих), актиномицет, спирохет, архебактерий, простейших, сине - зеленых водорослей, микоплазм, грибов, вирусов. Состав и соотношение между различными группами микроорганизмов изменяются в зависимости от вида почвы, способ ее обработки, содержание органического вещества, влаги, от климатических условий и многих других причин. Так, в песчаных почвах, хорошо аэрирующихся, преобладают аэробные микроорганизмы, а в глинистых, влагоемких, в которых проникновение кислорода затруднено, живут в основном анаэробы.

Микроорганизмы находятся в сложном биоценозе, характеризующимся антагонистическими и симбиотическими взаимоотношениями, как между собой, так и с растениями. В самой почве идет непрерывная борьба за существование, конкуренция за питание, кислород. Нередко жизнедеятельность одних групп бактерий подавляется действием антибиотических веществ и бактериоцинов, выделяемых другими группами.

Живая масса микроорганизмов в почве на 1 га в среднем составляет около 1000 кг. Численность микроорганизмов подвержена сезонным колебаниям: весной число особей увеличивается, достигая максимума к лету, в разгар лета уменьшается, по-видимому, в результате наиболее активного воздействия солнечных лучей, осенью опять увеличивается и снижается зимой.

Распределение микробов в почве неравномерно. На поверхности и в слое толщиной 1-2 мм относительно мало микробов, несмотря на постоянное обсеменение почвы, что объясняется губительным действием ультрафиолетовых лучей солнца и высушиванием. Наиболее обильна микрофлора на глубине 10-20 см. В этом слое протекают основные биохимические процессы превращения органического вещества, обусловленные жизнедеятельность разнообразных микроорганизмов, последовательно сменяющих друг друга. В более глубоких почвенных слоях флора становится скудной и на глубине 4-5 м микроорганизмы обнаруживаются очень в малых числах. В составе микрофлоры почвы принято выделять так называемые физиологические группы микроорганизмов, которые участвуют в различных процессах и на разных этапах постепенного разложения органических веществ.

1. Бактерии - аммонификаторы, являющиеся гнилостными микроорганизмами, вызывают гниение остатков растений. Трупов животных, разложение мочевины, бактерии рода Proteus; грибы рода Aspergillus, Мucor, Рenicillium; анаэробы - C. Sporogenes, C. putrificum; уробактерии - Urobacillus pasteuri Sarcina urea расщепляющие мочевину.

2. Нитрифицирующие бактерии: Nitrosomonas и Nitrobacter. Nitrosomonas обладают способность окислять аммиак (образующий как результат жизнедеятельности аммонифицирующих бактерий) до азотистой кислоты, образуя нитраты. При деятельности Nitrobacter азотистая кислота окисляется до азотной и превращается в нитраты.

3. Азотфиксирующие бактерии. Клубеньковые и свободноживущие азотфиксирующие бактерии обладают исключительной способностью усваивать из воздуха атмосферный азот и в процессе жизнедеятельности образуют из молекулярного азота белки и другие органические соединения азота, которые используются растениями.

4. Бактерии, расщепляющие клетчатку, вызывающие различные виды брожения, наблюдаемые при разложении микробами органических соединений углерода (молочнокислое, спиртовое, маслянокислое, уксусное, пропионовокислое, ацетонобутиловое и др.).

5. Бактерии, участвующие в круговороте серы, железа, фосфора и других элементов - серобактерии, железобактерии, разнообразные виды которых осуществляют окисление и восстановление этих соединений в природе.

Микроорганизмы могут выполнять различные физиологические функции, поэтому такое выделение групп условно, к тому же процессы, протекающие в почве, всегда взаимосвязаны, последовательность, направление, темпы их развития зависит от условий окружающей среды.



1.5 Почва - связующее звено биологического геологического круговоротов веществ

Бесконечное взаимодействие абиотических факторов и живых организмов экосистемы и биосферы в целом сопровождается непрерывным круговоротом вещества. В биосфере во времени постоянно протекают два взаимосвязанных процесса преобразования веществ в природе: большой (геологический) и малый (биотический) круговороты, производящие все химические вещества.

В связи с действием солнечной энергии и внутренней энергии Земли в биосфере совершается постоянный процесс движения и перераспределения веществ. В ней осуществляется массовый перенос твердых, жидких и газообразных тел при различных температурах и давлениях. Главные химические элементы литосферы - О, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K участвуют в большом круговороте, который проходит различные стадии развития от глубинных частей верхней мантии до поверхности литосферы.

Большой круговорот длится сотни тысяч или миллионы лет. Он заключается в том, что горные породы подвергаются разрушению, выветриванию, а продукты выветривания, в том числе растворимые в воде питательные вещества, сносятся потоками воды в Мировой океан. Здесь они образуют морские напластования и лишь частично возвращаются на сушу с осадками, с извлеченными человеком из воды организмами. Крупные медленные геотектонические изменения, процессы опускания материков и поднятия морского дна, перемещение морей и океанов в течение длительного времени приводят к тому, что эти напластования возвращаются на сушу, и процесс начинается вновь. Часть осадочных горных пород погружается на большие глубины и в области повышенных температур и давлений подвергается метаморфизму и ультраметаморфизму - переплавлению. При переправлении возникает магма, которая в благоприятных условиях может снова поступить в верхние горизонты земной коры. Таким образом, в течение веков происходит глобальный круговорот вещества: магматическая порода - осадочная порода - метаморфическая порода - переправление и новое образование магмы.

В распределение химических элементов вмешался человек. Последствия воздействия человека на круговорот веществ становятся всё значительнее. Они стали сравнимы с результатами геологических процессов: в биосфере возникают новые пути миграции веществ, появляются новые химические соединения, которых не было прежде, меняется круговорот воды. Так, при добыче полезных ископаемых огромное количество веществ изымается из земной коры. Их промышленная переработка сопровождается выбросами химических элементов с отходами производства в атмосферу, воды, почвы. Это загрязняет среду обитания живых организмов. На земле появляются новые участки с высокой концентрацией химических элементов рукотворные геохимические аномалии. Они распространены вокруг рудников цветных металлов (меди, свинца). Эти участки иногда напоминают лунные пейзажи, потому что практически лишены жизни из-за высоких содержании вредных элементов в почвах и водах.

Основным источником углерода для наращивания биомассы организмами-продуцентами является углекислый газ, находящийся в атмосфере либо в растворенном состоянии в воде. Поскольку все живые организмы дышат, то часть углерода в виде С02 еще в процессе дыхания возвращается в атмосферу. [13]

В дальнейшем, после смерти организмов, при минерализации органических веществ происходит полный возврат С02 в окружающую природную среду и цикл таким образом замыкается. В некоторых условиях круговорот углерода замедляется.

В масштабах геологического времени результатом такого замедления круговорота углерода выступает образование залежей каменного угля и нефти, а в водной среде - известняков и кораллов. Лишь поднимаясь на поверхность планеты благодаря тектонической активности, эти запасы углерода снова могут включаться в круговорот. Таковы общая схема естественного движения углерода и процессы его биогенного и геологического круговоротов.

Хозяйственная деятельность приводит, прежде всего, к повышению интенсивности возвращения в круговорот запасов углерода, находящегося в природных залежах, следовательно, временно выключенных из круговорота. Одним из основных путей извлечения углерода из таких его биологических тупиков является сжигание ископаемого топлива. Этот вид хозяйственной деятельности служит источником поступления в атмосферу колоссальной массы СО и СО₂.[12]

Хозяйственная деятельность затрагивает не один какой-либо природный круговорот, а все без исключения циклы круговорота веществ в природе, что приводит и к нарушению баланса в азотном цикле природного круговорота веществ в сторону увеличения содержания азота в атмосфере. Источниками поступления азота в форме аммиака, оксидов или молекулярного азота являются, прежде всего, процессы сжигания ископаемого топлива.

Всевозрастающий "вклад" вносит и сельское хозяйство. В то же время уничтожение лесов, замена бобовых культур злаками, сокращение площади свободной земной поверхности, не занятой городами, дорогами и т.п., вызывают уменьшение биогенной фиксации азота в общем круговороте. В результате всех этих процессов и происходит деформация природного круговорота азота.

Вовлечение в сферу хозяйственной деятельности в возрастающем количестве соединений фосфора приводит к фосфатизации суши на территориях индустриально развитых стран, и общему увеличению содержания соединений фосфора в окружающей среде. Известно, например, что в 1 л биологически чистых вод содержатся лишь сотые и тысячные доли миллиграмма фосфора, а если его свыше 10 мг/л, бурно развивается фитопланктон, происходит эвтрофикация водоемов. Массовое развитие водорослей вызывает "цветение" воды, водоемы превращаются в зловонные болота, что означает уничтожение биогеоценозов и является шагом к разрушению фундамента биосферы.

Остановить научно-технический прогресс невозможно, но человек должен помнить, что существует порог в загрязнении природной среды, переходить который нельзя, за которым неизбежны болезни людей и даже вымирание цивилизации. [18]



2. Регулирование режима органического вещества в почве

Большая часть органического углерода приходится на сушу, и в первую очередь на почвенный гумус. В результате фотосинтеза ежегодно связывается около 50.109 т углерода из атмосферы, а при отмирании организмов в виде опада на поверхность почвы поступает около 40.109 т. Часть опада минерализуется до СО2 и Н2О, но его значительная доля превращается в гуминовые вещества (ГВ) - по разным источникам, от 0,6 до 2,5.109 т углерода в год. Образование гуминовых веществ не просто утилизация органических остатков, которая необходима в биосфере. Важнее то, что при этом возникает новый класс природных соединений, не существующих в живых организмах, но необходимых для существования и обеспечения непрерывности современных жизненных форм.

Азот - важнейший элемент питания растений. Соединения азота играют большую роль в процессах фотосинтеза, обмена веществ, образования новых клеток. Основные запасы азота на Земле находятся в атмосфере. В почве его всего 3-5%. Но главным источником азота в почве является гумус.

Гуминовые вещества отдают живым организмам необходимые им элементы питания постепенно, по мере их потребления, сохраняя тем самым необходимый запас этих элементов для последующих поколений. Этим они существенно отличаются от многих минеральных соединений, которые могут снабжать растения элементами питания, но представлены, как правило, легкорастворимыми веществами, которые быстро расходуются или вымываются из почвы.

В то же время часть минеральных элементов входит в кристаллическую решетку алюмосиликатов, они недоступны живым организмам и только после разрушения минералов потребляются растениями.



2.1 Функции органического вещества в современном земледелии

Гуминовые вещества выполняют в биосфере множество функций, из которых важнейшие следующие.

1. Аккумулятивная функция. Она заключается в накоплении химических элементов и энергии, необходимых живым организмам. В составе гуминовых веществ найдено от 40 до 60% С, 3-5% N, 30-40% О, а также водород, сера, фосфор, многие металлические катионы, в том числе так называемые микроэлементы. Не случайно темно-серые и черные по цвету почвы в народе всегда считали плодородными и называли, хотя и не всегда правильно, черноземами. Окраску таким почвам придают ГВ.

2. Транспортная функция. Она заключается в формировании геохимических потоков минеральных и органических веществ, преимущественно в водных средах, за счет образования устойчивых, но сравнительно легкорастворимых комплексных соединений гумусовых кислот с катионами металлов или гидроксидами. Транспортная функция до некоторой степени противоречит аккумулятивной функции, поскольку их результаты прямо противоположны, но противоречивость действия обеспечивает многообразие влияния гуминовых веществ на минеральные компоненты почв и горных пород.

3. Регуляторная функция. Эта функция объединяет множество различных явлений и процессов и относится к почвам, водам и другим природным телам. В регуляторной функции гуминовых веществ можно выделить несколько главных составляющих: формирование почвенной структуры и водно-физических свойств почв; регулирование реакций ионного обмена между твердыми и жидкими фазами; влияние на кислотно-основные и окислительно-восстановительные режимы; регулирование условий питания живых организмов путем изменения растворимости минеральных компонентов; регулирование теплового режима почв и атмосферы, включая проявления парникового эффекта.

4. Протекторная функция, которая заключается в способности гуминовых веществ связывать в малоподвижные или трудно диссоциирующие соединения токсичные и радиоактивные элементы, а также соединения, негативно влияющие на экологическую ситуацию в природе, в том числе они могут инкорпорировать некоторые пестициды, углеводороды, фенолы. Защитная функция гуминовых веществ настолько велика, что богатые ими почвы могут полностью предотвратить поступление в грунтовые воды ионов свинца и других токсичных веществ.

5. Физиологическая функция. Многими исследователями было установлено, что различные гуминовые вещества, особенно гуминовые кислоты и их соли, могут стимулировать прорастание семян, активизировать дыхание растений, повышать продуктивность крупного рогатого скота, птицы. Более того, было показано, что некоторые препараты гуминовых веществ сдерживают развитие злокачественных опухолей, повышают устойчивость организмов к различного рода воспалительным процессам.

Все органические вещества по своему происхождению, характеру и функциям делятся на 2 большие группы: органические остатки и гумус. Первую из них составляют отмершие части живых организмов, еще не утратившие своего анатомического строения. Эти компоненты подвергаются в почве первичному процессу гумификации, сущность которого заключается в формировании особых гуминовых веществ.

Гумус (перегной) - совокупность всех органических соединений, находящихся в почве, но не входящих в состав живых организмов.

Гуминовые вещества находятся в составе гумуса. Это - более или менее темноокрашенные, азотосодержащие высокомолекулярные соединения, образующиеся в почвах, торфах, углях, других природных телах. Они накапливают элементы питания и энергию, участвуют в миграции катионов, снижают негативное действие токсичных веществ, влияют на развитие организмов и тепловой баланс планеты. Они устойчивы, высокомолекулярны, полидисперсны, содержат различные функциональные группы, аминокислоты, полисахариды, бензоидные фрагменты.

Гуминовые вещества представлены гумусовыми кислотами, прогуминовыми веществами и гумином.

Гумусовые кислоты представляют собой азотосодержащие высокомолекулярные оксикарбоновые кислоты с интенсивной темно-бурой окраской.

Гумусовые кислоты по растворимости разделяют на гуминовые кислоты, гиматомелановые кислоты и фульвокислоты.

Гуминовые кислоты - сложная смесь природных органических соединений, образующихся при разложении отмерших растений и их гумификации (биохимического превращения продуктов разложения органических остатков в гумус при участии микроорганизмов, влаги и кислорода атмосферы). В сухом состоянии - неплавкий аморфный темно-бурый порошкообразный.

На планете Земля общее количество органического углерода в биосфере оценивается величиной 2-3.1012 т. Большая часть органического углерода приходится на сушу, и в первую очередь на почвенный гумус. В результате фотосинтеза ежегодно связывается около 50.109 т углерода из атмосферы, а при отмирании организмов в виде опада на поверхность почвы поступает около 40.109 т. Часть опада минерализуется до СО2 и Н2О, но его значительная доля превращается в гуминовые вещества (ГВ) - по разным источникам, от 0,6 до 2,5.109 т углерода в год. Образование гуминовых веществ не просто утилизация органических остатков, которая необходима в биосфере. Важнее то, что при этом возникает новый класс природных соединений, не существующих в живых организмах, но необходимых для существования и обеспечения непрерывности современных жизненных форм.

Гуминовые вещества выполняют в биосфере множество функций, из которых важнейшие следующие.

1. Аккумулятивная функция. Она заключается в накоплении химических элементов и энергии, необходимых живым организмам. В составе гуминовых веществ найдено от 40 до 60% С, 3-5% N, 30-40% О, а также водород, сера, фосфор, многие металлические катионы, в том числе так называемые микроэлементы. Не случайно темно-серые и черные по цвету почвы в народе всегда считали плодородными и называли, хотя и не всегда правильно, черноземами. Окраску таким почвам придают ГВ.

Гуминовые вещества отдают живым организмам необходимые им элементы питания постепенно, по мере их потребления, сохраняя тем самым необходимый запас этих элементов для последующих поколений. Этим они существенно отличаются от многих минеральных соединений, которые могут снабжать растения элементами питания, но представлены, как правило, легкорастворимыми веществами, которые быстро расходуются или вымываются из почвы. В то же время часть минеральных элементов входит в кристаллическую решетку алюмосиликатов, они недоступны живым организмам и только после разрушения минералов потребляются растениями.

Азот - важнейший элемент питания растений. Соединения азота играют большую роль в процессах фотосинтеза, обмена веществ, образования новых клеток. Основные запасы азота на Земле находятся в атмосфере. В почве его всего 3-5%. Но главным источником азота в почве является гумус.

2. Транспортная функция. Она заключается в формировании геохимических потоков минеральных и органических веществ, преимущественно в водных средах, за счет образования устойчивых, но сравнительно легкорастворимых комплексных соединений гумусовых кислот с катионами металлов или гидроксидами. Транспортная функция до некоторой степени противоречит аккумулятивной функции, поскольку их результаты прямо противоположны, но противоречивость действия обеспечивает многообразие влияния гуминовых веществ на минеральные компоненты почв и горных пород.

3. Регуляторная функция. Эта функция объединяет множество различных явлений и процессов и относится к почвам, водам и другим природным телам. В регуляторной функции гуминовых веществ можно выделить несколько главных составляющих: формирование почвенной структуры и водно-физических свойств почв; регулирование реакций ионного обмена между твердыми и жидкими фазами; влияние на кислотно-основные и окислительно-восстановительные режимы; регулирование условий питания живых организмов путем изменения растворимости минеральных компонентов; регулирование теплового режима почв и атмосферы, включая проявления парникового эффекта.

4. Протекторная функция, которая заключается в способности гуминовых веществ связывать в малоподвижные или трудно диссоциирующие соединения токсичные и радиоактивные элементы, а также соединения, негативно влияющие на экологическую ситуацию в природе, в том числе они могут инкорпорировать некоторые пестициды, углеводороды, фенолы. Защитная функция гуминовых веществ настолько велика, что богатые ими почвы могут полностью предотвратить поступление в грунтовые воды ионов свинца и других токсичных веществ.

5. Физиологическая функция. Многими исследователями было установлено, что различные гуминовые вещества, особенно гуминовые кислоты и их соли, могут стимулировать прорастание семян, активизировать дыхание растений, повышать продуктивность крупного рогатого скота, птицы. Более того, было показано, что некоторые препараты гуминовых веществ сдерживают развитие злокачественных опухолей, повышают устойчивость организмов к различного рода воспалительным процессам. [8]



2.2 Изменение гумусового состояния в процессе трансформации естественных биогеоценозов в агроценозы

В природе все больше проявляются изменения, вызываемые сельскохозяйственной деятельностью человека в связи с увеличением потребностей в продовольствии и с ростом населения. В результате естественные (первичные) биоценозы вытесняются пашнями, садами, огородами, поливными лугами, искусственными пастбищами и возникают трансформированные экосистемы - агробиоценозы.

Агробиоценозами принято называть искусственные сообщества, формирующиеся в результате растениеводческой, животноводческой деятельности человека.

В свете современных представлений агробиоценозы - вторичные, измененные человеком биогеоценозы, ставшие значительными элементарными единицами биосферы; их основу составляют искусственно созданные, как правило, обедненные видами живых организмов биотические сообщества. Эти сообщества формируют и регулируют люди для получения сельскохозяйственной продукции. Агроэкосистемы отличаются высокой биологической продуктивностью и доминированием одного или нескольких избранных видов (сортов, пород) растений или животных. Как экологические системы, агроэкосистемы неустойчивы: у них слабо выражена способность к саморегулированию, без поддержки человеком они быстро распадаются или дичают и трансформируются в естественные биоценозы.

Заслуживает внимание такое определение агроценоза - специальный вид экосистемы, на котором произрастают культурные растения, обитают другие виды растений и животных и происходит сложная цепь физических, химических трансформаций энергии и вещества.

Все агроценозы - поля, сады, огороды, культурные пастбища - с позиции экологии специально поддерживаются человеком на начальных стадиях формирования агроэкосистемы, поскольку эта молодая стадия сукцессии дает наиболее высокую чистую продукцию.

В результате вмешательства человека в процессы, идущие в экосистеме, в ее функционировании возникают отдельные помехи, поэтому и создаются агроэкосистемы, не способные к самовозобнавлению, саморегулированию и крайне неустойчивые. Антропогенное вмешательство вызывает соответствующие помехи в механизмах передачи обратных связей между биологическими компонентами экосистемы, но только неустанная забота о них со стороны человека позволяет им существовать.

Для создания высокопродуктивной и устойчивой экосистемы необходимо поддерживать максимально возможное разнообразие биогеоценозов, создавая оптимальный ландшафт. Агроценозы, должны быть разнообразны, и содержать такие компоненты, как лесные полосы, перелески, живые изгороди.

Отдельные виды луговой растительности различно реагируют на удобрения, что определяется несколькими причинами. Удобрения вносят на поверхность луга, они растворяются в воде, содержащейся в почве и поступающей из вне, главным образом, с атмосферными осадками, и в растворенном виде проникают в почву. Формируется особый поверхностный биогеоценотический почвенный горизонт, периодически обогащающийся элементами минерального питания. Естественно, что растения с более развитой поглощающей корневой системой, расположенной близ поверхности почвы, способны поглощать большее количество элементов минерального питания, содержащихся в удобрениях, что определяет увеличение их конкурентной способности в данных условиях.

В зависимости от исходного состояния, форм и доз удобрений, длительности их применения и использования лугов и луговых фитоценозов происходят определенные изменения, связанные с тем, что конкурирующая способность одних видов возрастает, а других снижается. При этом имеют значения не только различия отдельных видов в их отношении к обеспеченности элементами минерального питания, помимо того, различия и в реакции к затенению, подкислению почвы и другим явлениям. [18]

При внесении минеральных удобрений повышается урожай и одновременно улучшается ботанический состав травостоя: уменьшается количество разнотравья, особенно осоковых. В связи с улучшением ботанического состава травостоя возрастает и поедаемость его скотом.

Для нормального роста и развития растений необходимы самые разнообразные химические элементы, но главные азот, фосфор, калий. Низкий урожай природных и сеяных лугов объясняется в основном недостатком в почвах именно этих питательных элементов.

Азотные удобрения резко усиливают рост и развитие растений. При внесении этих удобрений на лугах листья и стебли растений развиваются сильнее, становятся более мощными, благодаря чему значительно повышается урожай, это относится к злаковым растениям, тогда как бобовые нуждаются в азоте в меньшей степени. На бобовые положительное действие оказывают фосфорные и калийные удобрения.

Фосфорные удобрения сокращают период вегетации трав, способствуя быстрому развитию корневой системы и более глубокому проникновению ее в почву, делают растение более засухоустойчивыми.

...