Поиск

Минеральный состав травянистых растений и почвообразование
29.10.2015

Содержание азота и зольных элементов в тканях травянистой растительности в среднем составляет 5—7% (4—10%). Таким образом, травянистая растительность на суше удерживает в своем составе в биологическом круговороте миллиарды тонн минеральных веществ, т. е. не меньше, чем древесная. Часть этой массы минеральных веществ постоянно обращается между почвенными горизонтами и травянистой растительностью; некоторая же часть уходит с водами поверхностного и подземного стока в реки и Мировой океан.
Обычно травянистая растительность расположена в условиях значительно более сухого климата, чем лесная. Водный режим прерий, лугов, степей, саванн является непромывным либо временно и слабопромывным (гидроморфно-промывным, гидроморфно-транспирационным). Большая часть атмосферных осадков (80—90%) в конечном счете удерживается почвой и в дальнейшем расходуется на транспирацию растительным покровом и на испарение. Лишь небольшая часть приходится на поверхностный и подземный стоки.
Таким образом, колоссальная масса азота и минеральных веществ, вовлекаемых на суше травянистой растительностью в биологический круговорот, в основном удерживается в пределах почвенных горизонтов, а также в системе почва — растительность.
Об основных особенностях минерального состава золы травянистых растений можно судить по данным табл. 99. Содержание золы в травянистой растительности закономерно возрастает от влажных северных районов к степным и особенно к полупустынным и пустынным.

Минеральный состав травянистых растений и почвообразование

Для луговой травянистой растительности севера наиболее характерно преобладание соединений кальция и калия над всеми остальными компонентами золы. Значительно также содержание соединений серы и фосфора. Степная растительность сохраняет то же преобладание соединений калия, кальция, серы и фосфора над прочими компонентами зольных элементов. Однако максимум в составе золы приходится на долю кремнезема, столь характерного для злаков. Зола разнотравья по сравнению со злаками в 3—5 раз богаче кальцием. Бобовые богаты азотом, кальцием, калием.
Сухостепная растительность, включающая главным образом различные виды полыни, прутняк, пиретрум и др., иногда характеризуется преобладанием в составе золы таких компонентов, как натрий и хлор. Еще в большей степени это выражено в солянках полупустынь и пустынь, в которых основными компонентами зольных веществ являются хлориды и сульфаты натрия.
Статистически обработанные данные о количестве и составе зольных элементов в травянистых растениях представлены графически на рис. 83, где показаны смены химизма золы растений в зависимости от величины зольности. Можно видеть уменьшение в составе золы содержания соединений кальция, калия, серы (белковой), фосфора, магния по мере увеличения общей зольности растений и возрастание в том же направлении содержания хлора, натрия и серы (в анионе). Кремнезем составляет максимум при зольности 6—14% (в злаках). В этих же интервалах зольности обнаруживается максимум в содержании окислов алюминия. При количестве золы в травянистых растениях около 2—6% обнаруживается также максимум содержания окислов железа. При более высокой зольности растений содержание соединений алюминия и железа уменьшается.
Таким образом, травянистые растения с низкой зольностью будут накапливать в почве соединения кальция, калия, серы, фосфора, железа. Это особенно характерно для травянистой растительности лугов севера. Растительность степей и пойменных лугов, главным образом злаки, осоки, бобовые, обладающие малой зольностью, кроме соединений калия, кальция, серы и фосфора, будут аккумулировать в почвах весьма большие количества соединений кремния, алюминия и продуктов их взаимодействия в виде вторичных алюмосиликатов. Начиная с зольности растений, равной 15—20%, травянистая галофитизированная растительность уже обогащает верхние горизонты почв сернокислыми и особенно хлористыми солями натрия.
Минеральный состав травянистых растений и почвообразование

Размеры биологического круговорота минеральных веществ под покровом травянистой растительности по сравнению с биологическим круговоротом под покровом хвойного леса возрастают в несколько раз, а в сравнении с биологическим круговоротом под пологом лиственных лесов — в 2—3 раза. Зольность наземной части травянистых растений составляет в среднем 3—12%, т. е. в целом значительно выше, чем зольность хвои и листьев. Содержание золы в корнях травянистых растений лишь на 1—3% ниже, чем в наземных органах, т. е. выражается величинами того же порядка.
Травянистая растительность, отмирая и минерализуясь, возвращает в почвенные горизонты почвы всю массу минеральных веществ, потреблявшуюся в период вегетации. В среднем наземная часть травянистой растительности в разных условиях содержит 500—700 кг/га минеральных веществ. Кроме того, корни удерживают 300—450 кг/га, а иногда 600—700 кг/га минеральных веществ.
Таким образом, всего травянистая растительность лугов и целинных степей нашей страны вовлекает в круговорот не менее 800—1200 кг/га минеральных веществ разного типа.
Вместе с азотом и с прижизненными минеральными выделениями, а также с корнями, которые отмирали во время вегетации, и с учетом той массы тончайших корневых волосков, которые теряются при извлечении корней из почвы, средний ежегодный баланс зольных веществ под пологом луговых и степных трав, вероятно, составляет до 2000 кг/га.
При известных допущениях, по имеющимся данным, можно считать, что под покровом злаково-бобовой разнотравной растительности в круговороте ежегодно участвует до 1000—2000 кг/га азота и зольных веществ. Е.А. Афанасьева определила размеры биологического круговорота в луговых степях Русской равнины следующими величинами: минимально 828 кг/га (включая 105 кг/га азота) и максимально 2315 кг/га (включая 281 кг/га азота). Вероятно, истинные величины еще выше. От 70 до 95% этого количества химических элементов сосредоточено в корнях, главным образом в корнях верхних 0—30 см.
Таким образом, размер биологического круговорота минеральных веществ и состав его компонентов под пологом травянистой растительности коренным образом отличаются от складывающегося под пологом лесов умеренного и холодного климата (особенно хвойных). Лугово-степная травянистая растительность при непромывном и слабопромывном водном режиме создает предпосылки для поддержания в почвенных растворах нейтральной и слабощелочной среды, определяемой постоянным присутствием соединений кальция и калия. Травянистая растительность вместе с тем в процессе биологического круговорота веществ систематически обогащает почвенные горизонты соединениями фосфора, серы, азота. Постоянное участие в составе золы травянистых растений соединений железа, алюминия, кремния создает предпосылки для биосинтеза вторичных глинных минералов, формирующих поглощающий комплекс почвы.
Еще в 1937 г. и позже, в 1944 г., мы впервые высказали предположение о возможном образовании поглощающего комплекса в почвах под воздействием минеральных веществ, представленных в тканях степных травянистых растений (остепнение солонцов). P.X. Айдинян пришел к выводу о том, что корневая система злаков является активным фактором образования таких вторичных минералов, как бейделлит, монтмориллонит, окислы железа и др. Айдинян обнаружил также повышенное содержание в корнях травянистых растений соединений кальция и магния в сравнении с содержанием их в наземных частях. В этом заложена одна из важнейших предпосылок биологической трансформации кислых или избыточно-щелочных (солонцовых) почв под влиянием поселения на них травянистой злаково-бобовой и разнотравной растительности.
Обычно обменный водород или обменный натрий, сообщающие почвам неблагоприятную для растений реакцию среды, замещаются биогенным кальцием и магнием в процессе олуговения или остепнения почв. Существование процессов остепнения солонцеватых щелочных почв под влиянием смены пиретрово-полынной («щелочной») растительности степной злаково-разнотравной, богатой кальцием, было показано нами и является ныне общепризнанным. Процессы остепнения и олуговения известны для подзолистых и осолоделых почв в случае завоевания их травянистой растительностью. Наконец, процессы биологической трансформации кислых и щелочных почв происходят под покровом сеяных трав, злаков и особенно бобовых, в которых велико содержание кальция. На это обстоятельство неоднократно указывал В. Р. Вильямс. Ныне это доказано на практике: корневые остатки злаков и бобовых обладают ярко выраженным мелиорирующим эффектом на солонцах.
Рассмотрение минерального состава травянистой растительности лугов, лесостепей и степей Советского Союза позволяет сделать следующие выводы о почвообразующей роли трав. Под пологом травянистой растительности протекает 2—3-летний полный цикл биологического круговорота минеральных веществ, по объему в несколько раз превышающий величину биологического круговорота минеральных веществ, слагающегося под пологом леса. Уравновешенный характер водного режима этих областей приводит к тому, что мобилизуемая травянистой растительностью масса минеральных веществ обращается почти полностью в системе почва — травянистая растительность, обогащая верхние горизонты почвы минеральными компонентами. Обилие в составе золы травянистых растений соединений кальция и калия поддерживает нейтральную и слабощелочную реакцию. Постоянное присутствие в составе травянистой растительности и особенно в корнях злаков соединений алюминия и железа при больших количествах кремнезема в условиях щелочной среды создает предпосылки к биогенному синтезу вторичных минералов (почвенного поглощающего комплекса). Обилие в составе минеральных веществ «травянистых растений соединений кальция и магния наряду с серой создает условия для синтеза сульфатов и карбонатов Ca и Mg, циркулирующих в почвенных растворах. Это же ведет к насыщению поглощающего комплекса обменным кальцием. Постоянное присутствие в почвенных растворах таких сильных коагуляторов, как кальций, обеспечивает формирование благоприятных агрофизических свойств и агрономически ценной структуры.
Характерная для луговых и черноземных почв обогащенность верхней части профиля почв соединениями углерода, азота, фосфора, кальция, калия и серы является следствием почти полностью обратимых циклов биологического круговорота минеральных веществ под пологом трав в условиях уравновешенного водного режима.
Размеры биологического круговорота биофильных элементов в травянистых ценозах значительно меняются в зависимости от экологических условий и общей продуктивности ценоза.