Круговорот веществ в экосистемах

Круговорот углерода. Углерод является основным «строительным материалом» молекул углеводородов, белков, нуклеиновых кислот (та­ких, как ДНК и РНК) и других важ­ных для жизни органических соеди­нений. Большинство наземных расте­ний получают необходимый им углерод, поглощая через поры в сво­их листьях углекислый газ из атмос­феры, концентрация которого там со­ставляет 0,04%. Фитопланкто (мик­роскопические растения, плавающие в водных экосистемах) получает углерод из атмосферного углекислого газа, растворенного в воде.

Растения-продуценты осущест­вляют фотосинтез, в процессе кото­рого углерод углекислого газа преоб­разуется в углерод сложных органи­ческих соединений, например глю­козы:

 

углекислый газ

+

вода

+

солнечная энергия

®

глюкоза

+

кислород

 

 

Затем в клетках кислородопотребляющих растений, животных и редуцентов происходит процесс клеточно­го дыхания, при котором глюкоза и другие сложные органические соеди­нения расщепляются и преобразуют углерод обратно в углекислый газ для повторного использования проду­центами:

глюкоза

+

кислород

®

углекислый газ

+

вода

+

энергия

 

Такая связь между фотосинтезом и аэробным дыханием заставляет углерод циркулировать внутри эко­системы, что составляет важнейшее звено круговорота углерода. В очень упрощенной форме эта часть газово­го цикла изображена на рисунке 4-16. На диаграмме ясно прослеживается жизненно важная взаимозави­симость растений, животных и редуцентов в биосфере. Одновременно с углеродом в экосистемах циркулиру­ют и две другие составные части глюкозы и прочих углеводов — кис­лород и водород.

 

 

 

 

Упрощенная диаграмма части углеродного цикла, показывающая круговорот вещества (закрашенные стрелки) и однонаправленный поток энергии (незакрашенные стрелки) в процессах фотосинтеза и аэробного дыхания. Этот круговорот вещества в экосистемах и в экосфере является также важным элементом кислородного и водородного циклов

 

Рисунок 4.16

 

Углерод быстро циркулирует между атмосферой, гидросферой и живыми организмами. На рисунке 4-17 показаны некоторые другие звенья круговорота углерода. Например, не­которая часть планетарного углерода на длительные периоды «связывает­ся» в форме ископаемых видов топ­лива — каменного и бурого угля, нефти, природного газа, торфа, битуминозных песков и сланцев, — процесс образования которых в лито­сфере длился миллионы лет. В таком виде углерод остается «связанным» до тех пор, пока не будет снова вве­ден в атмосферу в форме углекислого газа, что происходит при добыче и сжигании минерального топлива.

 

 

 

Упрощенная диаграмма других частей углеродного цикла,

включающая последствия антропогенной деятельности.

Рисунок 4.17

 

В водных экосистемах углерод и кислород, соединяясь с кальцием, образуют нерастворимый карбонат кальция, из которого состоят рако­вины моллюсков и минералы. Когда моллюски умирают, они опускаются на дно, и их раковины погружаются в слой донных осадков (рисунок 4-17). Возврат углерода из осадочных от­ложений в активный круговорот происходит чрезвычайно медленно, на протяжении миллионов лет, путем растворения этих отложений в океанической воде и образования растворенного углекислого газа, ко­торый впоследствии может попадать в атмосферу. Расплавление горных пород в ходе длительных геологиче­ских процессов и при вулканических извержениях также приводит к вы­бросу углекислого газа в воздух и в воду. Кроме того, вертикальные дви жения земной коры могут поднимать блоки осадочных пород выше уровня моря, что приводит к образо­ванию островов и целых материков, а также подвергает обнажившиеся карбонатные породы активным хи­мическим реакциям с выделением углекислого газа.-

Другой важной частью кругово­рота углерода (не показанной на ри­сунках 4-16 и 4-17) является анаэроб­ное дыхание, происходящее без доступа кислорода. В ходе этого процесса различные виды анаэробных бактерий преобразуют органические соединения в газообразный метан (СН₄) и другие вещества. Такой тип дыхания встречается в основном в бо­лотных экосистемах. Он может также наблюдаться на свалках, где происхо­дит захоронение промышленных и бытовых отходов.

Вмешательство человека в круго­ворот углерода резко возрастает, осо­бенно начиная с 1950-х годов, из-за быстрого роста населения и использования ресурсов, и происходит оно в основном двумя способами:

— Сведение лесов и другой расти­тельности без достаточных лесо-восстановительных работ, в свя­зи с чем уменьшается общее ко­личество растительности, способ­ной поглощать СО₂. Кроме того, дополнительные количества угле­кислого газа поступают в атмос­феру при разложении порубоч-ных остатков на лесосеках и при взаимодействии атмосферного кислорода с корнями и органи­кой из нарушенного почвенного покрова.

— Сжигание углеродсодержащих ис­копаемых видов топлива и древе­сины (рисунок 4-17). Образующийся при этом углекислый газ попада­ет в атмосферу. Ученые предска­зывают, что этот углекислый газ вместе с другими летучими тех-ногенными выбросами может в ближайшие десятилетия вызватьпотепление земной атмосферы и тем самым нарушить процесс про­изводства продуктов питания на планете.

Круговорот азота. Организмы нуждаются в различных химических формах азота для образования бел­ков и генетически важных нукле­иновых кислот типа ДНК. Боль­шинству зеленых растений требуется азот в форме нитрат-ионов (N0з^-) и ионов аммония (NН₄⁺). Газообраз­ный азот (N₂), составляющий 78% объема земной атмосферы, ни расте­ниями, ни людьми, ни большинст­вом других организмов не может быть использован непосредственно. К счастью, газообразный азот может преобразовываться в растворимые в виде соединения, содержащие нит­рат-ионы и ионы аммония, усваиваемые корнями растений в процессе круговорота азота. Этот газовый цикл в упрощенном виде показан на рисунке 4-18.

 

Упрощенная диаграмма круговорота азота

Рисунок 4.18

 

Преобразование атмосферного га­зообразного азота в усваиваемые растениями химические формы на­зывается фиксацией азота. Осуществляется она в основном ли­бо сине-зелеными водорослями и оп­ределенными видами бактерий в по­чве и воде, либо бактериями из рода Rhizobium, обитающими в неболь­ших клубеньках на корнях люцер­ны, клевера, гороха, фасоли и других бобовых растений. Опреде­ленный вклад в фиксацию азота вносят грозовые разряды молний, при которых газообразные азот и кислород в атмосфере превращаются в оксид и диоксид азота. Эти газы взаимодействуют с водяным паром и преобразуются в нитрат-ионы, кото­рые попадают на земную поверх­ность в форме азотной кислоты, рас­творенной в атмосферных осадках, и в форме частиц нитратных солей.

Неорганические нитрат-ионы и ионы аммония, поглощаемые расте­ниями из почвенной влаги, преоб­разуются ими в белки, ДНК и другие необходимые им азотсодер­жащие органические соединения. Животные покрывают большую часть своих потребностей в азотных питательных веществах, поедая рас­тения или других растительноядных животных.

Особые бактерии-редуценты пре­вращают азотсодержащие органиче­ские соединения биологических отхо­дов (то есть экскрементов и мертвых организмов) в неорганические веще­ства, такие, как газообразный аммиак (NНз) и растворимые в воде соли, со­держащие ионы аммония (NН₄⁺). Другие специальные группы бакте­рий затем преобразуют эти неоргани­ческие формы азота в нитрат ионы в почве и в газообразный азот, кото­рый, попадая в атмосферу, замыкает цикл.

Вмешательство человека в кру­говорот азота состоит в следую­щем:

— Сжигание древесины или ископае­мого топлива, при котором в ат­мосферу выбрасываются большие количества оксида азота (NО). Оксид азота затем соединяется в атмосфере с кислородом и об­разует диоксид азота (N0₂), кото­рый при взаимодействии с водя­ным паром может образовывать азотную кислоту (НNОз). Эта кислота становится компонентом кислотных осадков, наносящих вред лесам и убивающих рыбу в озерах многих районов мира.

— Воздействие некоторых бактерий на удобрения и отходы животно­водства приводит к выделению в атмосферу «парникового газа — закиси азота (N₂0).

— Добыча полезных ископаемых, со­держащих нитрат-ионы и ионы аммония, для производства мине­ральных удобрений.

— Вынос из почвы нитрат-ионов и ионов аммония при сборе урожая с сельскохозяйственных культур с высоким содержанием азота.

— Увеличение количества нитрат-ионов и ионов аммония в водных экоси­стемах при попадании в них загряз­ненных стоков с животноводческих ферм, смытых с полей азотных удобрений, а также очищенных и неочищенных коммунально-быто­вых канализационных стоков. Со­здаваемый таким образом избыток питательных веществ способствует быстрому росту водорослей и других водных растений. Для разложения отмерших водорослей аэробными редуцентами рас­ходуется растворенный в воде кис­лород, что приводит к массовым за­морам рыб.

Круговорот фосфора. Фосфор главным образом в виде фосфат-ионов (РО₄^3- и НРО₄²) является важным питательным элементом как для растений, так и для животных. Он входит в состав молекул ДНК, несущих генетическую информацию; молекул АТФ и АДФ, в которых запасается необходимая для организ­мов химическая энергия, используе­мая при клеточном дыхании; мо­лекул жиров, образующих клеточ­ные мембраны в растительных и жи­вотных клетках; а также веществ, входящих в состав костей и зубов животных.

Круговорот фосфора в упрощен­ном виде показан на рисунке 4-19. В этом круговороте осадочного типа фосфор медленно перемещается из фосфатных месторождений на суше и мелководных океанических осадков к живым организмам и затем обратно. Бактерии здесь играют менее важную роль, чем в круговороте азота.

Фосфор, высвобождаемый при медленном разрушении (или вывет­ривании) фосфатных руд, растворя­ется почвенной влагой и поглощает­ся корнями растений. Тем не менее в большинстве почв содержатся очень незначительные количества фосфора, так как фосфатные соеди­нен ля очень плохо растворяются в вод; и встречаются лишь в опреде­ленных типах горных пород. Таким образом, во многих почвах и водных экосистемах содержание фосфора является лимитирующим фактором роста растений.

 

 

Упрощенная диаграмма круговорота фосфора

Рисунок 4-19

 

Животные получают необходи­мый им фосфор, поедая растения или других растительноядных животных. Значительная часть этого фосфора в виде экскрементов животных и продуктов разложения мертвых жи­вотных и растений возвращается в почву, в реки и, в конце концов, на дно океана в виде нерастворимых фосфатных осадочных пород.

Часть фосфора возвращается на поверхность суши в виде гуано — обогащенной фосфором органиче­ской массы экскрементов питающих­ся рыбой птиц (пеликанов, олуш, бакланов и т.п.). Однако несравнимо большее количество фосфатов ежегодно смывается с поверхности суши в океан в результате природ­ных процессов и антропогенной дея­тельности.

Вследствие длящихся миллионы лет геологических процессов могут подниматься и осушаться участки океанического дна, образуя острова или материки. Последующее вывет­ривание обнажившихся горных пород приводит к высвобождению новых количеств фосфора и продолжению круговорота.

Вмешательство человека в круговорот фосфора сводится в ос­новном к двум вариантам:

— Добыча больших количеств фос­фатных руд для производства ми­неральных удобрений и моющих средств.

— Увеличение избытка фосфат-ионов в водных экосистемах при попадании в них загрязненных стоков с животноводческих ферм, смытых с полей фосфатных удобрений, а также очищенных и неочищенных коммунально-быто­вых стоков. Как и в случае с нит­рат-ионами и ионами аммония, из­быток этих питательных элемен­тов способствует «взрывному» росту сине-зеленых водорослей и других водных растений, что нарушает жизненное равновесие в водных экосистемах.

Круговорот серы. Сера преоб­разуется в различные соединения и циркулирует в экосфере (круговорот серы) (рисунок 4-20). Из природных ис­точников она попадает в атмосферу в следующем виде:

— сероводород (Н₂S) — бесцветный, сильно ядовитый газ с запахом тухлого яйца — при извержении вулканов, при разложении орга­нических веществ в болотах и затапливаемых приливами низи­нах;

— диоксид серы (S0₂) — бесцветный удушливый газ — при изверже­нии вулканов;

— частицы сульфатных солей, на­пример сульфата аммония, — из мельчайших брызг океанической воды.

Около трети всех соединений се­ры и 99% диоксида серы, попадаю­щих в атмосферу, имеют антропогенное происхождение. Сжигание серосодержащих углей и нефти для производства электроэнергии дает примерно две трети всех антропогенных выбросов диоксида серы в ат­мосферу. Оставшаяся треть выделя­ется во время таких -технологиче­ских процессов, как переработка нефти, выплавка металлов из серо-< одержащих медных, свинцовых и цинковых руд.

В атмосфере диоксид серы окисляется кислородом до газообразного триоксида серы, который в свою оче­редь при реакции с водяным паром образует мельчайшие капельки сер­ной кислоты (Н₂S0₄). Взаимо­действуя также с другими атмосфер­ными компонентами, триоксид серы может образовывать мельчайшие час­тицы сульфатных солей. Эти капель­ки серной кислоты и частицы сульфатов вносят свой вклад в обра­зование кислотных осадков, наруша­ющих жизнедеятельность лесных и водных экосистем.

Упрощенная диограмма круговорота серы

Рисунок 4-20

Круговорот воды. Круговорот во­ды, или гидрологический цикл, в процессе которого происходит накоп­ление, очистка и перераспределение планетарного запаса воды, в упрощенном виде изображен на ри­сунке 4-21. Солнечная энергия и зем­ное притяжение непрерывно переме­щают воду между океанами, атмосфе­рой, сушей и живыми организмами. Важнейшими процессами этого круговорота являются испарение(превращение воды в водяной, пар), конденсация (превращение водяного пара в капли жидкой воды), осадки (дождь, изморось, град, снег) и стокводы назад в море для возобновления цикла.

 

 

Упрощенная диограмма круговорота воды

 

Рисунок 4-20

 

Под воздействием поступающей солнечной энергии вода испаряется с поверхности океанов, рек, озер, почв и растений и поступает в атмосферу. Ветры и воздушные массы переносят водяной пар в различные районы Земли. Понижение температуры в от­дельных частях атмосферы приводит к конденсации водяного пара и обра­зованию массы мельчайших капелек воды в виде облаков или тумана. В конце концов капли воды сливаются вместе и становятся настолько тяже­лыми, что выпадают на поверхность суши или водоема в виде атмосфер­ных осадков. В среднем молекула во­ды находится в воздухе около 10 дней, прежде чем попадает с осадка­ми на землю. Примерно половина всех осадков на планете выпадает в зоне тропических лесов.

Часть пресной воды, возвращаю­щейся на поверхность земли в виде осадков, замерзает в ледниках. Одна­ко в основном она заполняет пониже­ния и ложбины и стекает в ближай­шие озера, ручьи и реки, которые несут ее назад в океан, тем самым за­мыкая кольцо круговорота. Такой сток пресных вод с поверхности суши вызывает также эрозию почв, кото­рая приводит к перемещению различ­ных химических веществ в рамках других биогеохимических циклов.

Значительная часть возвращаю­щейся на сушу воды просачивается глубоко в грунт. Там происходит на­копление грунтовых вод в водонос­ных горизонтах — подземных резер­вуарах, расположенных как внутри, так и между различными формация­ми горных пород. Подземные источ­ники и водотоки в итоге возвращают воду на поверхность суши и в реки, озера, ручьи, откуда она вновь испа­ряется или стекает в океан. Пресная дождевая вода просачивается сквозь почву и пополняет водоносные горизонты. Однако циркуляция подзем­ных вод происходит несравнимо мед­леннее, чем циркуляция поверхност­ных и атмосферных вод.

Человек вмешивается в кругово­рот воды двумя способами:

— Забор больших количеств пресной воды из рек, озер и водоносных горизонтов. В густозаселенных или интенсивно орошаемых райо­нах водозабор привел к истоще­нию запасов грунтовых вод или к вторжению океанической соленой воды в подземные водоносные го­ризонты.

— Сведение растительного покрова суши в интересах развития сель­ского хозяйства, при добыче по­лезных ископаемых, строительст­ве дорог, автостоянок, жилья и других видах деятельности. Это приводит к уменьшению просачивания поверхностных вод под зем­лю, что сокращает пополнение за­пасов грунтовых вод, увеличивает риск наводнений и повышает интенсивность поверхностного стока, тем самым усиливая эрозию почв.

-

4-1. КОМПОНЕНТЫ, ТИПЫ И СВОЙСТВА ПОЧВ

Почвенные горизонты и компоненты. Возьмите в руки немного почвы, осмотрите ее и попробуйте на ощупь. Почва представляет собой сложную смесь неорганических минералов (преимущественно глины, ила и песка), разложившегося органического вещества, воды, воздуха и миллиардов живых организмов.

Компоненты зрелой почвы располагаются слоями, называемыми почвенными горизонтами (рис.4-1). Каждый горизонт имеет собственную мощность, цвет, структуру и химический состав, который меняется в зависимости от типа почвы. Вертикальный разрез почвенной толщи называется профилем почвы. Большинство зрелых почв имеют по крайней мере три из шести возможных почвенных горизонта. Однако некоторые моло­дые или слаборазвитые почвы горизонтов не имеют.

Поверхностный горизонт, подстилка, или горизонт 0, состоит большей частью из свежеопавших и частично разложившихся листьев, веток, остатков животных, грибов и других органических веществ. Окрашен обычно в темный цвет — коричневый или черный. Лежащий под ним гумусовый горизонт, или горизонт А, как правило, представляет собой пористую смесь частично разложившегося органического вещества (гумуса), живых организмов и некоторых неорганических минеральных частиц. Обычно он более темный и рыхлый, чем нижние го­ризонты. В этих двух верхних горизонтах сконцентрирована основная часть органического вещества почвы и корни растений (рис. 4-1).

В двух верхних горизонтах большинства зрелых почв также сконцентрированы

 

 

 

бактерии, грибы, дождевые черви и мелкие насекомые. Эти горизонты являются местообитанием и более крупных обитающих в норах животных, таких как кроты и суслики. Все живые организмы взаимодействуют друг с другом в сложных пищевых цепях (рис. 4-2). Больше все­го в почве бактерий и других микроорганизмов-деструкторов, миллиарды в каждой пригоршне почвы. Они полностью или частично разлагают некоторые сложные неорганические и органические соединения верхних почвенных горизонтов до более простых питательных веществ, растворимых в воде. Почвенная вода, содер­жащая эти растворившиеся питательные вещества, всасывается корнями растений и перемещается по стеблям к листьям (рис. 4-3).

Часть органических соединений двух верхних горизонтов, медленно разлагаясь, образует смесь органического вещества темного цвета, называемую гумусом. Его большая часть не растворяется в воде и сохраняется в гумусовом, или перегнойно-аккумулятивном, горизонте. Он помогает удерживать в почве воду и растворимые в воде питательные вещества для использования их растениями. Плодородная почва, дающая богатый урожай сельскохозяйственных культур, имеет мощный пахотный горизонт с высоким содержанием гумуса. При эрозии почвы ущерб наносится в первую очередь именно жизненно важным верхним почвенным горизонтам — подстилке и гумусовому горизонту.

О почвенном плодородии многое может сказать ее цвет. Например, темно-коричневый или черный гумусовый горизонт богат органическим веществом и азотом. В серых, ярко-желтых или красных почвах органи- ческого вещества мало, и для повы­шения их урожайности требуются азотные удобрения.

В горизонтах В и С содержится основная часть неорганического вещества почвы, представляющего собой различные комбинации песка, ила, глины и гравия, образовавшихся в результате разрушения горных пород. Эти и другие почвенные горизонты лежат на почвообразующей материнской породе (рис. 4-1).

В промежутках, или порах, твердых органических или неорганических частиц верхних и нижних почвенных горизонтов содержатся различные количества двух ключевых неорганических компонентов: воздуха (большей частью кислорода и азота) и воды. Кислород, наибольшая концентрация которого отмечается в верхнем горизонте, используется корнями растений для клеточ­ного дыхания. Некоторое количество азота в почве образуется в результате разложения почвенных нитратов особыми бактериями на одном из этапов круговорота азота (рис. 4-22, с.158, т.1).

 

 

Часть дождевых осадков, попадая на поверхность почвы, просачивается вниз через почвенные горизонты и заполняет поры. На своем пути вода растворяет и впитывает в себя различные минеральные органические вещества и выносит их из верхней части почвенной толщи. Этот процесс называется выщелачиванием. Большая часть веществ, вымываемых из верхних горизонтов, оседает в горизонте В, присутствующем далеко не во всех почвах.

Основные типы почв. Зрелые почвы различных биомов значительно отличаются друг от друга по цвету, составу, пористости, кислотности и мощности. Эти различия позволяют классифицировать все почвы мира на 10 основных типов, или рядов. Важнейшими типами почв являются моллисоли (mollisols), альфисоли (alfisols), сподосоли (spodosols), оксисоли (oxisols) и аридисоли (aridisols). Каждый из перечисленных типов имеет свой четко выраженный профиль (рис. 4-4).

Большинство сельскохозяйствен­ных культур мира выращивается на плодородных сильно гумусирован-ных почвах (черноземы, черноземо-видные почвы прерий и др.) — моллисолях, а также альфисолях, — глинисто-дифференцированных суглинистых и глинистых почвах (подзолистые, серые лесные и др.) после сведения лиственных лесов. Однако последние через несколько лет сельскохозяйственного использования истощаются и для восстановления плодородия требуют внесения удобрений в горизонт А.

 

 

Оксисоли — малоплодородны. В их горизонте А содержится лишь не­значительное количество органического вещества. Эти почвы занимают обширные площади во влажных тропических лесах и некоторых районах субтропических дождевых лесов в Центральной Америке, Африке и Азии. В горизонте В этих почв накапливается много соединений железа и алюминия. После расчистки влажного тропического леса ливневые сезонные дожди выносят из ма­ломощного горизонта А большую часть питательных веществ и минералов. Под влиянием воздуха и воды оставшиеся оксиды железа могут образовывать каменистую породу красного цвета, называемую латеритом, или железняком. Эта порода настолько твердая, что используется для мощения дорог. После образования латерита земля становится непригодной для обработки. По оценочным данным, латеритные почвы покрывают 7% всей территории тропиков, включая 2% в тропических районах Америки, 11% в тропических районах Африки и 15% в Западной Африке в районе Сахары.

Аридисоли также практически неплодородны. В их маломощном горизонте А аккумулируется лишь незначительное количество органического вещества. Эти почвы часто покрыты каменистой или минеральной коркой, которую называют «тротуаром пустыни». Они встречаются в жарких, безводных пустынях Африки, Южной Америки и на западе Северной Америки. Примерно треть площадей, покрытых пустынными почвами, непригодна для выращивания сельскохозяйственных культур из-за отсутствия осадков или ирригационной воды. В целом эти земли лучше использовать под пастбища для скота, чем для выращивания

 

сельскохозяйственных культур. Однако перевыпас может привести к деградации почвы.

 

Почвообразование. Процесс почвообразования, как правило, начинается с разрушения в условиях выхода на земную поверхность, то есть под воздействием воды, кислорода, различных кислот, массивно-кристаллических горных пород.

Из массивных твердых тел они превращаются в обломочные материалы, первичные минералы, которые преобразуются физически и химически. Совокупность всех явлений такого почвообразования называется выветриванием. Почвы образуются также при выветривании осадочных пород, переносимых на коренную породу силой ветра и воды (аллювиальные почвы), в результате извержений вулканов и таяния ледников.

Тип почвы и скорость почвообразования зависят от рельефа местности. На крутых гравитационных склонах, подверженных действию ветра и воды, почвы быстро эродируют, в связи с чем они, как правило, маломощные и неплодородные. В противоположность им почвы долин, на которые с прилегающих склонов выносятся минеральные, органические, питательные вещества и вода, плодородны и дают высокие урожаи в тех случаях, когда они не переувлажнены.

Механический состав и пористость почвы. Почвы отличаются друг от друга по содержанию глины (очень мелкие частицы), ила (мелкие частицы), песка (крупные частицы) и гравия (крупные частицы). Механический состав почвы определяется различиями в относительных количествах разноразмерных фракций отдельных почвенных частиц. На рисунке 4-6 приводится классификация почв в зависимости от содержания в них глины, ила и песка.

Механический состав почвы помогает определить ее пористость, объем пор в объеме почвы и среднее расстояние между ними. Почвы с высокой степенью пористости могут удерживать больше влаги и воздуха, чем менее пористые. От среднего размера пор зависит водопроницаемость почвы, то есть скорость, с которой почва пропускает воду и воздух из верхних горизонтов в нижние. На пористость почвы влияет ее структура — характер распределения и взаимодействия друг с другом частиц почвы.

По механическому составу почвы подразделяются на три класса: суглинок, песок и глина. Суглинок содержит практически равные количества песка и ила и несколько меньший процент глины. Это наиболее пригодные для выращивания сельскохозяйственных культур почвы, так как они задерживают достаточно влаги, которая может беспрепятственно поглощаться корнями растений.

Песчаные почвы легче обрабатывать, и они менее пористые по сравнению с другими типами почв. Однако поры имеют большие размеры, и поэтому песчаным почвам свойственна высокая водопроницаемость. На них могут возделываться орошаемые сельскохозяйственные культуры или такие культуры, как арахис и клубника, которые не нуждаются в большом количестве воды.

Глинистые почвы состоят из тон­чайших частиц. При увлажнении этих почв образуются большие вязкие комки. Именно поэтому из влажной глины легко делать

кирпичи и глиняную посуду. Глинистые почвы имеют большую пористость, но менее водопроницаемы, чем песчаные почвы, так как размеры пор слишком малы. Из-за того, что в нижние горизонты вода практически не просачивается, верхние горизонты этих почв заболачиваются и становятся непригодными для выращивания большинства сельскохозяйственных культур.

Чтобы получить общее представление о механическом составе, возьмите в руки небольшое количество почвы из верхних горизонтов, намочите и разомните между пальцами. Если скатать ее в шар невозможно, это означает, что в почве много песка. Если почва окажется липкой, это значит, что в ней содержится много глины, и вы можете скатать ее в шарик. Содержащая ил почва на ощупь напоминает муку. Наиболее плодородный суглинок, рыхлый, рассыпчатый, занимает среднее положение.

Кислотность почвы (рН). Кислотность или щелочность почвы представляет собой еще один фактор, определяющий наличие той или иной растительности. В науке для измерения степени кислотности и щелочности раствора применяется величина рН. Раствор, имеющий кислотность менее 7 рН, считается кислым, при 7 рН — нейтральным, а при показателе выше 7 рН — основным, или щелочным (рис. 4-7). Чем ниже показатель рН, тем кислей раствор. Изменение величины рН на одну единицу означает 10-кратное увеличение или уменьшение кислотности.

Типы почв отличаются друг от друга по степени кислотности (рис. 4-4). Величина кислотности почвы влияет на усвоение растениями пита­тельных веществ (рис. 4-8). Сельскохозяйственные культуры отличаются по степени толерантности к кислоте. Например, пшеница, шпинат, горох, кукуруза и томаты лучше всего растут на слегка кислых почвах, картофель и ягоды — на очень кислых почвах, а люцерна и спаржа — на нейтральных почвах.

В тех случаях, когда почва является слишком кислой для каких-либо конкретных сельскохозяйственных культур, кислотность почвы можно частично нейтрализовать с помощью оснований, таких, например, как известь. Добавки извести, однако, ускоряют нежелательный процесс разложения органического вещества в почве, поэтому для поддержания плодородия в почву необходимо вносить навоз или другие органические удобрения. В почвах засушливых районов, таких, как полупустынные долины на западе и юго-западе США, не происходит вымывания кальция и других щелочей. Для некоторых сельскохозяйственных культур по­чвы в этом регионе могут оказаться слишком щелочными, или засолен­ными (величина рН выше 7,5), При хорошем дренаже орошение может снизить концентрацию солей в почве за счет выщелачивания. Другим спо­собом снижения щелочности почвы служит внесение в нее серы, которая постепенно преобразуется в серную кислоту почвенными бактериями. В районах, где выпадают кислотные дожди, почва становится все более кислой (гл. 11).

4-2. ПОЧВЕННАЯ ЭРОЗИЯ

Естественная и антропогенная эрозия. Почва не остается на одном месте постоянно. Эрозия почвы представляет собой процесс перемещения почвы, главным образом ее верхних горизонтов. Основными факторами эрозии являются ветер и поверхностные воды.

В естественных условиях эрозия является неизбежным следствием совокупной деятельности текучих вод и ветра. Однако корни растений обычно зашищают почву от чрезмерного разрушения. Однако корни растений обычно защищают почву от чрезмерного разрушения. Темпы эрозии в значительной степени ускоряются в результате хозяйственной деятельности человека, приводящей к уничтожению растительного покрова - распашки земель, вырубки лесов, строительства и т.д.

 

 

Почвоведы различают три типа собственно эрозии, то есть разрушения почвы поверхностными водами: плоскостную, струйчатую и овражную. Плоскостная эрозия имеет место тогда, когда поверхностные воды стекают по склону или по полю сплошным потоком. Так как смыв верхнего слоя почвы при этом происходит равномерно, последствия обнаруживаются, когда уже причинен значительный ущерб. При струйчатой эрозии образуются ручейки, текущие с огромной скоростью по миниатюрным долинам. При развитии овражной эрозии ручейки сливаются воедино, формируются достаточно мощные водотоки.

Чрезмерная эрозия верхних горизонтов почвы не только снижает ее плодородие, но и влагоудерживающую способность. Продукты разрушения, один из основных источников загрязнения воды, забивают иррига­ционные каналы, судоходные реки и водохранилища.

Почва, особенно ее верхний слой, считается возобновимым ресурсом, так как под влиянием природных процессов происходит постоянный процесс ее восстановления. В тропических и средних широтах на восста­новление почвенного слоя толщиной в 2,54 см (1 дюйм) требуется от 200 до 1000 лет в зависимости от климата и типа почвы. Однако в случае, если средние темпы эрозии превышают темпы почвообразования, происходят необратимые изменения, и почвы на этом участке переходят в разряд невозобновимых ресурсов.

 

Рассмотрим на примере ОПУСТЫНИВАНИЕ: СЕРЬЕЗНАЯ И ОБОСТРЯЮЩАЯСЯПРОБЛЕМА Согласно Программе Организации Объединенных Наций по окружающей среде, около 35% суши планеты, на которых старается выжить одна пятая населения мира, представляют собой пустыню или полупустыню (см, цветную вклейку, с. 183, т,1), В засушливых регионах мира сочетание природных процессов и хозяйственной деятельности человека приводит к увеличению площади пустынь угрожающими темпами. Преобразование пастбищ, неорошаемых и орошаемых пахотных земель в подобие пустыни, которое приводит к спаду сельскохозяйственного производства на 10% и более, называетсяопустыниванием. Следствием умеренного опустынивания является снижение продуктивности земель на 10—25%, сильного — на 25—50%, Результатом очень сильного опустынивания становится падение продуктивности обрабатываемых угодий на 50% и более и образование глубоких оврагов и песчаных дюн. Опустынивание большей частью происходит вблизи границ существующих пустынь. Оно вызывается обезвоживанием верхних горизонтов почвы в период продолжительныхзасух и повышенным испарением из-за высоких температур и сильных ветров. Однако темпы естественного опустынивания значительно ускоряются в результате следующих видов хозяйственной деятельности человека, которые делают почву уязвимой для водной и ветровой эрозии: — сверхинтенсивного использования пастбищ, вызванного выпасом слишком больших стад крупного рогатого скота на небольшом участке земли (основная причина опустынивания); — неправильного управления почвенными и водными ресурсами, ведущего к усилению эрозии, — засолению и заболачиванию почвы; — возделывания непригодных для обработки почв или земель; — обезлесения и открытой разработки полезных ископаемых без проведения адекватных лесовосстановительных работ. Эта разрушительная деятельность усиливается быстрым ростом и высокой плотностью населения, бедностью и плохим управлением землей. Последствиями опустынивания являются усиление засухи, голод, снижение жизненного уровня и быстрый рост числа экологических беженцев. По оценкам, за последние 50 лет опустыниванию подверглись около 810 млн. гектаров земли (2 млрд. акров), что равно территории Бразилии и в 12 раз превышает площадь Техаса. Каждый год образуется 6 млн. гектаров (15 млн.акров) новых пустынь, что соответствует площади Западной Виргинии. Большая часть этих земель находится в Субсахарной Африке, в районе между североафриканской бесплодной пустыней Сахара и изоби­лующими растительностью землями к югу от нее. В 1977 г. в городе Найроби собрались представители правительств многих стран мира для участия в конференции ООН по опустыниванию. На этой конференции был разработан план действий, направленных на приостановку или резкое снижение скорости опустынивания и на восстановление опустыненных земель. Общая стоимость этой программы оценивается в 141 млрд. долларов, что лишь в пять с половиной раз больше 26 мл ⇐ Предыдущая3456789101112Следующая ⇒ Поделиться: Воспользуйтесь поиском по сайту: ©2015 - 2024 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...