Поиск

Роль животных в почвообразовании
28.10.2015

Наиболее важной функцией растений в почвообразовательном процессе является регулярный синтез органического вещества, сопровождающийся мобилизацией минеральных соединений. Это ведет к аккумуляции запасов потенциальной энергии и биофильных элементов в наземных и подземных органах растений, в их остатках и почвах.
Растения используют при фотосинтезе лишь ничтожное количество получаемой Землей солнечной энергии — около 0,2—0,5% в среднем и не более 1% (3—4% в лучших земледельческих хозяйствах).
По подсчетам советских и зарубежных ученых, растения ежегодно образуют на суше около 5,3*1010 т биомассы. Это соответствует около 2,13*1017 ккал потенциальной энергии (табл. 20).

Роль животных в почвообразовании

П. Дювиньо выделяет следующие основные уровни продуктивности фотосинтеза:
1. Пустыни и глубокий океан отличаются минимальной продуктивностью — 0,1 г/м2 фиксированного углерода в день;
2. Луга, степи, поля и мелководья — 0,5—3 г/л2 углерода в день.
3. Прерии, леса и культурные поля — от 3 до 10 г/м2 углерода в день.
4. Тропические леса, интенсивные культурные поля, пойменные ландшафты и эстуарии — от 10 до 20 г/м2 углерода в день.
Оценка суммарных запасов фитомассы отдельных ландшафтов планеты является сложной задачей. Однако можно предвидеть, что эти запасы соответствуют уровням продуктивности.
Полученные в России данные по распределению фитомассы на суше земного шара вскрыли интересные явления. Наименьшие количества фитомассы характерны для субтропических и тропических пустынь (менее 2,5 т/га). Полярные пустыни, субполярные ценозы, суббореальные пустыни и засоленные почвы попадают в следующую категорию с фитомассой (2,5—5 т/га). В тундре запасы фитомассы составляют около 12,5—25 т/га, в лесотундре — 50 т/га и в тайге — 300—400 т/га. В широколиственных и субтропических лесах наблюдается более высокий запас фитомассы (400—500 т/га).
Наиболее высокий запас фитомассы обнаружен во влажнотропических вечнозеленых лесах — боле 500 т/га (в лесах Бразилии, например, зарегистрировано 1500—1700 т/га). Степи, горные луга, пампы, ксерофитные редколесья и саванны, а также мангровые имеют фитомассу от 12,5 до 150 т/га.
Человек, весь животный мир, мир насекомых и микроорганизмов существуют за счет потребления этой растительной органики, расходуя и используя энергию, консервированную фотосинтетическим путем в виде органического вещества. В недрах Земли накоплены колоссальные запасы разных форм органического вещества, рассеянного в осадочных породах или концентрированного в угле, торфе и т. д. Современное индустриальное общество широко использует геологические запасы энергии в виде угля, нефти, газов, торфа, созданных организмами древнейших геологических систем. До 90 % современных нужд в энергии покрывается за счет этих источников.
Миллиарды тонн органического вещества и связанной с ним энергии содержатся в почвах в виде рассеянных органических остатков и почвенного гумуса. Подсчеты показывают, что в виде почвенного гумуса почвы суши содержат до n*1019 ккал связанной энергии; это количество соизмеримо с энергией, связанной в биомассе суши (n*1019 ккал). Энергия, аккумулируемая ежегодно в растительном веществе, по В.Р. Волобуеву, составляет до 5% от всей энергии, вовлекаемой в почвообразование (табл. 21). Ежегодно большая часть этой органики расходуется на жизнедеятельность почвенной фауны и микроорганизмов и на реакции, ведущие к синтезу почвенного гумуса.
Роль животных в почвообразовании

Значительные вариации в количествах энергии, поступающей в почву с органическим веществом, отражают прямое влияние климата на продукцию растительной массы. Холод в тундре и сухость в пустыне ограничивают до минимума фотосинтез и прирост растительного вещества в этих ландшафтах. В лесах влажных субтропиков и тропиков ежегодно синтезируются наибольшие массы органики и образуются максимальные запасы биомассы (табл. 22).
Роль животных в почвообразовании

Большая часть растительного органического вещества сосредоточена на поверхности почв. В то же время значительные количества свежего органического вещества ежегодно образуются в форме корневых систем, 60—70% которых обычно сосредоточено в верхнем 30—50-сантиметровом слое почвы. Органическое вещество корней составляет от 20—30 до 90% по отношению к общей фитомассе (табл. 23).
Следует, конечно, иметь в виду, что качество синтезируемого органического вещества весьма различно. Это в сочетании с другими факторами предопределяет различное направление почвообразования. Так, весьма различен химический состав органических веществ различных типов растений (табл. 24). Низшие растения (грибы и бактерии) очень богаты протеинами. Мхи и древесина отличаются высоким содержанием лигнина. В злаках и особенно в органике мхов много гемицеллюлоз. Заметную величину представляют воднорастворимые вещества. В лишайниках растзоримая органика составляет половину сухой массы (45,84%) и отличается весьма высокой кислотностью.
Роль животных в почвообразовании

Столь же поразительна разница в количестве и составе минеральных веществ, ежегодно вовлекаемых в ткани растений. Наиболее низкое содержание золы (1,5—2,5%) характерно для растительности тундр и лесотундр, для хвойных и хвойно-широколиственных лесов; среднее содержание золы (2,5—5%) типично для растительности альпийских и субальпийских лугов, степей, для некоторых суббореальных пустынь, широколиственных, субтропических и тропических лесов, травяно-древесных зарослей типа тугаев, редколесий и саванн; высокое содержание золы (8—15%) типично для растений субтропических, тропических и суббореальных пустынь, а также для мангров; самый высокий процент содержания золы (20—30—50%) типичен для растительности солончаков.
Корневая система растений через тончайшие корневые волоски из раствора и прямым контактом с минералами поглощает элементы минерального .питания (Al, Fe, Ca, Mg, К, Р, S, Si), разрушая кристаллическую решетку минералов и глубоко изменяя первичные горные породы.
Поглощая химические элементы, корневая система выделяет в эквивалентном количестве такие ионы, как ОН', Н, HCO3', а также органические соединения типа кислот, которые в свою очередь разрушают первичные минералы. В среднем растительность умеренного климата поглощает и возвращает при отмирании ежегодно в почву 100—600 кг/га минеральных веществ весьма различного химизма, включая редкие и рассеянные элементы (рис. 43). Максимальных размеров (порядка 1000— 2000 кг/га) достигает масса минеральных веществ, ежегодно поглощаемая и возвращаемая почве растительностью тугайных и низинных лугов, а также прерий. В хвойных лесах севера и особенно в пустынях эта величина падает до сотни и десятков килограммов на гектар.
Роль животных в почвообразовании

В тропических лесах картина совершенно иная. Если принять, по Фагелеру, что наземная продукция сухой массы в дождевых лесах составляет до 250 т/га, то при средней зольности органического вещества растений 2—3% окажется, что ежегодно в верхние горизонты тропических лесных почв биогенным путем поступает до 5000—7500 кг/га минеральных веществ и азота. Однако, по подсчетам Л.Е. Родина и Н.И. Базилевич, для условий Бразилии получены относительно малые цифры — 1500 кг/га.
В условиях целины на поверхности почв аккумулируются значительные массы опада отмерших растительных остатков. Так, под пологом леса вес сухой массы «лесной подстилки» составляет 200—400, а иногда и 500—1000 ц/га. В целинной черноземной степи вес «сухого войлока» достигает 100—150 ц/га. Эти массы органического вещества при зольности подстилки 5—10% содержат соответственно до 1000—10 000 кг/га минеральных веществ.
Часть компонентов, находящихся в тканях растений, уже прижизненно обособляется, превращаясь в чисто минеральные или органо-минеральные продукты — легкорастворимые соли, карбонаты кальция, соли щавелевой кислоты. Это характерно для соединений кремния, накапливающихся в тканях губок, хвощей, злаков (особенно бамбука). После отмирания растений аморфные соединения кремнезема постепенно превращаются в халцедон, а затем, по-видимому, и в кварц (рис. 44).
Роль животных в почвообразовании

Важнейшим звеном почвообразовательного процесса является ежегодное разложение вновь образованного органического вещества в результате жизнедеятельности животных, грибов и бактерий. Свежие массы органического вещества и почвенный гумус — лишь различные промежуточные стадии в направлении к их полной минерализации. На этих путях постоянно образуются специфические чисто почвенные органические и органо-минеральные соединения, гуминовые кислоты и их соли, фульвокислоты и их соли, имеющие различные свойства и значение в почвообразовании.
Скорость процессов минерализации опада и подстилок, состав образующихся при этом органических и минеральных соединений, а также биогеохимическая судьба зависят от типа растительности, условий географической обстановки и характера почвообразовательного процесса. Отношение массы подстилки к массе ежегодного опада, которая формирует подстилку, является показателем скорости разложения опада и скорости освобождения химических элементов, т. е. в целом интенсивности биологического круговорота. Чем выше этот индекс, тем меньше интенсивность биологического круговорота в данной экосистеме. Величины индекса наивысшие в заболоченных лесах (более 50) и в кустарничковых тундрах (20—50). В этих сообществах биологический круговорот можно оценить как застойный, что и ведет к накоплению торфа. В темнохвойных таежных лесах индекс этот значительно меньше (10—17), однако биологический круговорот еще сильно заторможен, поэтому и здесь в почвах часто можно наблюдать заторфованность. В широколиственных лесах индекс равен 3—4; в степях, где индекс близок к 1—1,5, разложение ежегодно отмирающего и поступающего в опад органического вещества происходит весьма активно и биологический круговорот оценивается как интенсивный. В субтропических лесах он еще меньше (около 0,7), в саваннах показатель его не более 0,2. Во влажных тропических лесах мертвые растительные остатки практически не накапливаются, индекс здесь не более 0,1 и биологический круговорот веществ следует оценивать как весьма интенсивный.
Продукты разложения хвои, листьев, травянистого материала или тканей галофитов совершенно различны по химизму и влиянию на почвообразование. Так, продукты разложения степных трав образуют растворы нейтральной или слабощелочной реакции. Некоторые полыни и опад саксаула образуют экстракты щелочной реакции с pH 8—8,5. Экстракты из хвои ели, вереска, лишайников и мха сфагнум имеют кислую реакцию с pH 3,5—4,5.
При разложении и воздействии атмосферных осадков на свежеотмершее растительное вещество в почвенный раствор поступают подвижные фракции органики, а также хлориды, сульфаты, карбонаты, бикарбонаты, силикаты щелочей и щелочных земель. Сюда же присоединяются коллоидно-растворимые формы соединений кремния и полуторных окислов. Значительная часть этих продуктов выносится из почвы водами поверхностного и подземного стока. Этот вынос тем сильнее, чем влажнее климат. Менее подвижные соединения алюминия, железа, фосфора взаимодействуют с соединениями кремния, кальция и образуют на месте биогенный мелкозем, состоящий из вторичных глинных минералов разного типа и гумуса. Глинные минералы и гумус сорбируют часть ионов, поступающих в раствор при минерализации органического вещества. Некоторое количество минеральных соединений поглощается микроорганизмами, живущими в почве.
В условиях сухого и жаркого климата степей освобождающиеся при минерализации органического вещества зольные элементы длительно сохраняются в почве и во многих случаях обнаруживают тенденцию к накоплению в виде солей или сорбированных ионов. Новые циклы вегетации растительности приводят к частичному повторному захвату химических элементов в ткани растений и к новой мобилизации минеральных веществ из первичных минералов, слагающих горные породы.
Таким образом, ежегодно происходит перекачка химических элементов из корнеобитаемых толщ горных пород в верхние горизонты почвы. Из рассеянного состояния эти элементы переводятся в концентрированное состояние и в более доступные для растений формы. Наряду с элементами минерального питания бобовые, некоторые злаки и низшие организмы синтезируют азотистые соединения путем фиксации атмосферного азота. Мобилизация азота низшими и высшими растительными организмами из атмосферы составляет в разных условиях от 50 до 100—300 кг/га N в год.
Ежегодный синтез и разложение растительного органического вещества создают круговорот зольных веществ, углерода и азота, названный В.Р. Вильямсом малым биологическим круговоротом. Общая схема биологического круговорота, ведущего к формированию гумуса и аккумуляции запасов энергии и органогенных элементов в гумусовых горизонтах почв, иллюстрируется рис. 45.
Роль животных в почвообразовании

Сельскохозяйственная культура вносит огромные изменения в биологический круговорот веществ. Если в естественных условиях в пересчете на 1 га ежегодно растениями перекачиваются в верхние горизонты почвы сотни и тысячи килограммов минеральных веществ, то па культурных полях эти вещества искусственно, вместе с урожаем, вырываются из биологического круговорота и не возвращаются в почву. Так, урожай пшеницы в 20—25 ц/га отчуждает из почвы азота, фосфора, калия, серы, кремния, железа, алюминия, марганца, магния и кальция до 150—200 кг/га.
Таким образом, к геохимическому выносу элементов корневого питания растений из почвы присоединяется вынос агрономический. Чем выше урожай, тем этот вынос больше. При системе многоурожайного земледелия, т. е. при уплотненных и повторных культурах, разрыв естественного биологического круговорота и вынос минеральных элементов питания растений будут расти пропорционально (кратно) числу урожаев и величине отчуждаемого урожая растительной массы. Так, при двух-трех урожаях риса, например в Южном Китае, выносится с 1 га уже не 150—200 кг минеральных веществ ежегодно, а 300—400 кг и больше. Происходит также полное изменение природы и состава элементов, вовлекаемых в биологический круговорот.
Так как состав зольных веществ культурных растений, например злаков, бобовых, свеклы, хлопчатника и других, совершенно не идентичен составу зольных веществ древесных растений, то после вырубки лесов и введения посевов происходят глубочайшие изменения и перестройка всего цикла обмена веществ в системе почва — растение. Из опыта земледелия во влажных тропиках и субтропиках известно, что высокое плодородие почв за 3—4 года после вырубки лесов исчезает. Объясняется это тем, что за несколько лет с урожаями сельскохозяйственных культур практически полностью расхищался запас плодородия, созданный биологическим круговоротом под пологом леса. Конечно, при помощи корневой системы под покровом культурных растений с каждым новым урожаем также происходит некоторая мобилизация зольных веществ из невыветрелых минералов подпочвенных горизонтов. При орошении почв питательные вещества поступают в заметных количествах в растворенной и во взвешенной форме с поливной водой.
Ботва, отава, опад и остающаяся корневая система культурных растений являются также источником минеральных веществ, дополнительно вовлекаемым в биологический круговорот. Однако все это, как правило, не покрывает вынос элементов питания с урожаем. Опыт мирового земледелия показывает, что баланс минеральных веществ в биологическом круговороте на культурных полях должен тем интенсивнее пополняться органическими и минеральными удобрениями, чем кислее почвы, чем дольше была история земледельческого использования почв, чем большее число возделывается повторных культур и чем выше суммарная продукция органических веществ, отчуждаемых с урожаями с полей.
Поэтому при всех условиях и формах активирования естественного почвенного плодородия (поливы, продуктивные сорта, севообороты, агротехника, усиление деятельности почвенных организмов) высокие дозы минеральных и местных органических удобрений будут являться основным путем сохранения и расширения сферы биологического круговорота минеральных веществ на нолях, в системе почва — культурные растения, как условие повышения и стабильности плодородия почв.