 |
Функции, определяемые физико-химическими параметрами почв
|
|
|
|
Сорбция тонкодисперсного вещества
Огромная поверхность частиц почвенного мелкозема, особенно коллоидной фракции, позволяет сорбироваться на поверхности почвенных частиц молекулам газов, воды и других жидкостей и различным ионам, в том числе составляющим основу минерального питания организмов. Основной механизм сорбции – адсорбция веществ коллоидами почвы; кроме того, существует механическое задержание, химическое поглощение и биологическая сорбция (в телах живых организмов).
Адсорбция веществ коллоидами играет в поглотительной способности почв наибольшее значение. Чем тяжелее механический состав почвы, тем больше в составе почвы коллоидной фракции и тем больше поглотительная способность почвы. Кроме того, поглощение сильно зависит от химической природы коллоидов – от соотношения их органических и минеральных компонентов и природы глинистых минералов. Благодаря этой функции, почвой удерживаются ионы в обменном состоянии, т. е. в состоянии, доступном для растений и микроорганизмов. Адсорбция веществ позволяет удерживать их в почве и противостоять выносу с атмосферными осадками. Существование организмов в ландшафтах гумидного климата было бы крайне затруднено, если бы питательные элементы не сорбировались почвой, а немедленно удалялись из нее выпадающими осадками.
Во многом благодаря сорбционной функции оказывается возможным почти круговой характер естественных круговоротов в экосистемах Земли. Из-за сорбционной способности почв возможна жизнь не только на богатых, но и на бедных песчаных почвах (формирование сосняков на кварцевых песках). Существенное влияние оказывает эта функция на доступность веществ и их круговорот в агроценозах, учитывая трансформированный и в значительной мере искусственный характер круговорота веществ в них.
|
|
|
Сорбция имеет и отрицательный эффект: часть ионов становится малодоступной для растений (из-за необменного поглощения); сходное явление отмечается и для воды – в защемленных порах формируется «мертвый» запас влаги. Особенно значительные запасы недоступной влаги отмечены в почвах тяжелого механического состава. Кроме того, в почве сорбируются и вредные для биоты элементы и соединения, которые изменяют свойства почвы и влияют на жизнедеятельность организмов, последствия такой сорбции будут обсуждаться далее в разделе 4.4.
В связи с важнейшей ролью поглотительной способности в жизни биоценозов суши, особенно в их искусственных вариантах – агроценозах, важной задачей является оптимизация состава ионов в ППК. Полагают, что для большинства растений, возделываемых в России, физиологически оптимальное соотношение ионов выглядит так: количество обменного кальция должно составлять 60–70 % от емкости поглощения, обменного магния - 10–15 %, калия – 3–5 %. Желательно также содержание небольшого количества водорода и других элементов. Среди конкретных способов оптимизации ППК следует назвать: известкование кислых почв, гипсование солонцов, внесение глины в песчаные почвы и обогащение почв гумусом (внесение навоза, сапропеля, торфа, травосеяние).
Сорбция микроорганизмов на почвенном мелкоземе
Благодаря сорбции, микроорганизмы защищены от выноса потоками влаги за пределы почвенного профиля. Сорбция микроорганизмов зависит от их собственных свойств, особенностей сорбента и кислотности среды.
Почва гетерогенна и сложна как сорбент: в ее горизонтах и локусах можно найти поверхности с самыми разными свойствами. Поэтому в ней практически всегда может сорбироваться хотя бы небольшое количество любого микроорганизма. В связи с этим сорбция микробов на почве слабее зависит от их видовых особенностей, чем на простых сорбентах.
|
|
|
Отмечается увеличение сорбции бактерий при утяжелении гранулометрического состава почвы, однако эта зависимость не прямо пропорциональна из-за влияния на сорбционные процессы многих факторов. Сорбция микробов зависит от минералогического состава почв: монтмориллонитовая группа минералов удерживает микроорганизмы сильнее, чем другие. Зависит процесс сорбции и от генетических особенностей почв. Так, черноземы сорбируют больше микробных клеток, чем дерново-подзолистые и серые лесные почвы. В целом больше клеток сорбируют те почвы, которые обладают большей емкостью поглощения, более тяжелым гранулометрическим составом и более высоким содержанием гумуса.
Отдельные факторы почвенной среды по-разному влияют на сорбционную активность микробов. Установлено, что есть значения рН, при которых происходит максимальная адсорбция микроорганизмов, и это определяется их видовыми особенностями. При отклонении от данных значений рН в сторону как увеличения, так и уменьшения сорбция микроорганизмов уменьшается и может совсем прекратиться. Отмечена также зависимость сорбции микроорганизмов от качественного и количественного состава катионов почвы. Оказалось, что валентность иона, которым насыщена почва, влияет на сорбцию клеток бактерий. Способность клеток сорбировать ионы растет при насыщении ими почв от одновалентных к двух- и трехвалентным ионам.
Заряд поверхности почвенных частиц существенно влияет на сорбцию клеток, поверхность которых также может быть заряжена. Наиболее широко в почве представлены отрицательно заряженные поверхности. Одноименность заряда порождает силы отталкивания. Снижение величины отрицательного заряда клеток и частиц адсорбента облегчает проявление сил притяжения. Притяжение усиливается при введении многовалентных ионов, а также при подкислении среды. Усиливается адсорбция и при высушивании почвы.
Существенным фактором, влияющим на связывание микробных клеток почвой, является размер частиц. С уменьшением их размера сорбция бактерий возрастает. Данная закономерность объясняется несколькими причинами: увеличением удельной поверхности сорбента на единицу его веса, большей склонностью мелких частиц образовывать агрегаты с микробными клетками, увеличением содержания вторичных минералов.
|
|
|
Биологические и физиолого-биохимические особенности микробных клеток также влияют на их способность к сорбции на мелкоземе. Отмечено, что сильнее удерживаются мелкие по размеру микробные клетки и виды микроорганизмов, способные к слизеобразованию. При этом сорбционной способностью обладают не только живые, но и мертвые клетки. Убитые нагреванием бактерии в 90 % случаев сохраняют свои сорбционные свойства. Влияет на сорбционные свойства и подвижность клеток: подвижные бактерии слабо удерживаются частицами, т. к. способны противостоять сорбционным силам.
Информационные функции
Передача сигнала о сезонных и других биологических процессах
Почва осуществляет эту функцию благодаря изменению таких периодически изменяющихся параметров, как тепловой, водный, пищевой и солевой режимы. Режимы, в свою очередь, зависят от основных свойств почвы: механического состава, гумусированности, почвообразующей породы и типа почвообразования.
Тепловой режим определяет продуктивность сообществ, начало или прекращение сезонных циклов жизнедеятельности биоты. Температура почвы контролирует развитие растений на огромных территориях. Так, в холодные годы период роста корней растений сокращается, их биомасса уменьшается на 10–15 %, это может сказаться на продуктивности лесных сообществ целого пояса, например бореального. Почвенная температура является ведущим фактором пробуждения роста корней и сигналом к началу вегетации. Осеннее снижение температуры почвы ведет к снижению интенсивности фотосинтеза, оттоку питательных веществ из листьев, листопаду и переходу растений в фазу зимнего покоя.
Температурный режим почв определяется многими составляющими: теплоемкостью и теплопроводностью почвы, влажностью, запасами тепла (холода), температурой воздуха, потоком радиации и отражающими свойствами почв. Так, в зависимости от механического состава теплоемкость почвы может различаться в пять раз, а в зависимости от влажности – в 15 раз.
|
|
|
Хорошо известно, что в районах недостаточного увлажнения смена фаз развития многих растений в годовом цикле определяется прежде всего динамикой водного режима почв. Примером может служить ускоренное развитие чувствительных к влажности эфемеров и эфемероидов. Развитие яиц насекомых также происходит при определенной влажности и т. д.
Пищевой режим сильно зависит от сезонности и прослеживается у всех организмов, обитающих в почве. Например, отмечаются весенняя и осенняя вспышка численности микроорганизмов в связи с поступлением доступного органического вещества в эти сезоны.
Регуляция численности, состава и структуры биоценоза
Почва влияет на формирование конкретной консортивной структуры биоценоза. Влияние это строится на следующих связях: главная роль в структуре биоценоза принадлежит высшим растениям – средообразователям. Пространственное распределение растений и особенно их корневых систем зависят от динамики, свойств почвы и ее режимов. С корнями растений связаны специфические комплексы почвообитающих организмов: грибы микоризы, ризосферные бактерии, фитофаги – нематоды, насекомые. Все перечисленные организмы, как и корни растений, тоже зависят от почвенных режимов. Поэтому изменение почвенных условий меняет структуру, численность и состав биоценоза.
Почва – пусковой механизм некоторых сукцессий
Изменение почвенных свойств ведет к сукцессионным изменениям в биоценозе. Такими изменениями могут быть засоление, заболачивание, оглеение, заиливание. Например, заболачивание елового леса формирует следующий сукцессионный ряд: ельник-кисличник – ельник-черничник – ельник-долгомошник – ельник-долгомошно-сфагновый – сосняк сфагновый – сфагновые болота с карликовой сосной. Подробные сукцессии можно проследить при любом типе почвенных изменений.
Отмечаются и другие формы проявления рассматриваемой функции. Деятельность почвенных фитофагов может выступать как фактор, вызывающий сукцессии растительного покрова [2]. Так, в степях деятельность корневых вредителей приводит к гибели определенных видов растений, освободившееся место занимается другими видами данной ассоциации. В результате имеет место постоянная смена мелких ценотических комплексов в пределах одного биогеоценоза. Кроме того, деятельность почвенных фитофагов может вызывать и сукцессии травянистых растительных в целом.
|
|
|
Почва – «память» биогеоценоза
Из всех компонентов ландшафта почва обладает наибольшей способностью к отражению факторов географической среды и хранит в своем профиле наибольшее количество информации. Почва является памятью ландшафта. По концепции В. О. Таргульяна и И. А. Соколова [19], почва имеет двуединую природу. Согласно этой концепции, почвенное тело включает признаки и свойства почвы-памяти – совокупности устойчивых признаков и свойств, возникающих в ходе длительных отрезков развития географической среды и находящих отражение в развитии почвы, и почвы-момента – совокупности наиболее изменчивых процессов и свойств в момент наблюдения почвы, отражающих ее сиюминутное состояние.
В этой концепции важное место занимают вопросы скорости и полноты отражения профилем изменений ландшафта. Установлено, что различные свойства и компоненты почвы отражают факторы и процессы почвообразования с различной скоростью. Поэтому удобно пользоваться понятием «характерное время». Под характерным временем какого-либо природного объекта понимается время, необходимое для того, чтобы данный объект и его составляющие, развивающиеся под влиянием определенных факторов среды, пришли в равновесие с этими факторами.
Характерное время почвенного профиля в целом иное, чем у отдельных его компонентов. Так, на образование зрелого почвенного профиля требуется от сотен лет до тысяч и десятков тысяч, а характерное время у отдельных составляющих почвы намного меньше (для температуры, влажности – часы, сутки, для почвенных растворов – сутки, месяцы, для ППК – месяцы, годы; для отдельных горизонтов – десятки лет и т. д.)
Приобретение новой информации нередко сопровождается потерей уже имеющейся из-за более поздней интенсивной трансформации профиля, что сильно затрудняет ее расшифровку.
|
|
|
