Полная версия

Главная arrow Экология arrow Общая экология

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>

Почва

Почти всё, что мы едим, даёт почва. Она же накапливает и очищает пресную воду, обеспечивая питание растений. Растения, в свою очередь, предохраняют почву от разрушения — эрозии под действием выветривания и смыва поверхностными водами. Таким образом растительность и почва образуют единую систему.

Почва представляет собой смесь взаимодействующих между собой неорганических веществ (глина, песок, ил), разложившегося органического вещества (гумус), воды, воздуха и огромного числа живых организмов — бактерий, простейших, грибов, червей, насекомых и т. д.

Зрелая почва вместе с произрастающими на ней растениями есть климаксовый биогеоценоз, состоящий из нескольких слоёв — почвенных горизонтов. Вертикальная структура — профиль почвы от поверхности вглубь называется почвенным профилем. Профили трёх типов почв показаны на рис. 5.11. Поверхностный горизонт О (АО) состоит из листопада, веток и других органических остатков, гумусовый слой А (А1) — это пористая смесь частично разложившихся органических остатков, в которой обитают многочисленные почвенные живые организмы — детритофаги и сапрофаги, ответственные вместе с бактериями за процесс гумификации. Именно этот гумусо-перегнойный слой почвы отвечает за её плодородие. При эрозии почв разрушение слоя А ведёт к потере плодородия. Восстановление этого слоя происходит (если происходит!) в результате многолетней сукцессии. Ниже расположена светлоокрашенная выщелоченная зона Е (А2). Горизонты В и С состоят в основном из неорганического материала и являются долговременными хранилищами для воды, заполняющей поры между минеральными частицами. В верхней, тёмной части слоя В (В1) идёт накопление органических соединений, переработанных редуцентами в процессе минерализации и вынесенных туда водой.

Лиственный

лес

Хвойный

лес

Степь

Накопление

кальция

Серый Подзол Чернозём

подзол

Рис. 5.11. Почвенные горизонты в трёх типах почв

А

в

с

в

Дождевая вода, просачиваясь через слои О и А, растворяет минеральные и органические вещества и выносит их в слои Е и В1, откуда они могут вместе с водой подниматься к корням за счёт капиллярного эффекта (см. п. 2.4). Корням растений требуется не только вода с растворёнными в ней веществами для питания, но и кислород воздуха для дыхания {аэрация). Способность почвы удерживать воду и поддерживать дыхание корней сильнейшим образом зависит от её пористости, которая в свою очередь определяется минеральной основой почвы, состоящей из частиц различных размеров. Глина состоит из частиц, меньших 2 мкм, плотно слипающихся друг с другом, и поэтому глинистые почвы хорошо удерживают влагу и минеральные вещества, но препятствуют аэрации. Пески, состоящие обычно из частиц со средним размером около 200 мкм плохо держат влагу и питательные вещества. Поэтому суглинки, содержащие примерно равные доли песка и глины, оказываются наилучшей минеральной основой почвы.

Слой С — это более или менее изменённая материнская порода. Это может быть коренная порода, распавшаяся на обломки на месте, или порода, перенесенная в данное место силой тяжести (коллювий), водой (аллювий), ледниками (ледниковые отложения) и ветром (эоловые отложения, или лёсс). Перенесённые почвы часто крайне плодородны (лёссовые почвы Восточного Китая и богатые почвы в дельтах больших рек). Слой Я — ^модифицированная коренная порода.

Структура почвы и её сохранность сильнейшим образом зависят от растений, корни которых пронизывают её верхние горизонты. Биомасса корней может составлять от 10 до 99 % от биомассы растений. Биогеоценозы с относительно большой массой корней обладают и большей устойчивостью к неблагоприятным воздействиям, так как сеть корней препятствует эрозии. Для плодородия почвы чрезвычайно важно наличие в ней почвенных бактерий, прежде всего фиксаторов азота, грибов-детри-тофагов и дождевых червей, которые помимо переработки органических остатков производят непрестанное рыхление почвы, обеспечивая её аэрацию и улучшая структуру. Поэтому в хорошей почве количество дождевых червей должно быть порядка миллиона на гектар и более.

Степные почвы отличаются от лесных тем, что гумификация здесь идёт быстро, а минерализация замедлена. Так как травы и их корневая система недолговечны, ежегодно в почву поступает много органического вещества, которое быстро разлагается; сохраняется лишь небольшая часть подстилки или грубого гумуса; всё остальное переходит в гумус. В лесу подстилка и корни разлагаются медленно и, поскольку минерализация идет быстро, слой гумуса остается тонким. Степные почвы содержат в среднем около 12 000 т гумуса на 1 га, а лесные — около 100 т на 1 га. В лесостепной зоне по цвету почвы легко отличить, какое поле было раньше лугом, а какое — лесом: почва степи гораздо темнее из-за высокого содержания гумуса (рис. 5.12). Не случай-

Серый подзол Переход Чернозём

Рис. 5.12. Изменение почвенного профиля между лесом и степью

но «житницы мира» расположены в степных районах с достаточным количеством осадков.

Рельеф местности сильно влияет на характер почвенного профиля: холмистая или хорошо дренируемая местность, особенно при неправильной эксплуатации, часто теряет тонкие горизонты А и В из-за эрозии. На равнине вещества, вымываемые из верхних горизонтов, быстро проникают в более глубокие горизонты, образуя сцементированный слой, непроницаемый для корней растений, животных и воды. В противоположном случае плохого дренажа, например на болотах, условия благоприятствуют накоплению гумуса, так как слабая аэрация замедляет разложение. Недостаток кислорода, накопление двуокиси углерода и токсичных веществ становятся жёсткими лимитирующими факторами. Почвы, развившиеся на плохо дренированных местах, если их дренировать, могут стать очень плодородными. Но «правильная обработка» здесь связана со сложными экологическими и инженерными проблемами. Возделывание таких почв значительно усиливает окисление накопленных органических веществ, и со временем исчезают те структурные особенности, которые и делали почву столь плодородной.

Значительную роль в характере растительности и возможности для растений усваивать питательные вещества играет кислотность почв. Наиболее благоприятными для земледелия являются нейтральные и слабокислые почвы с водородным показателем[1] pH между 6 и 7, так как они обеспечивают наилучшие условия по усвоению растениями минеральных веществ. Некоторые культуры, например картофель и ягоды, хорошо растут и при высоких уровнях кислотности с pH < 6. При выращивании пшеницы или кукурузы кислотность почвы снижают путём внесения на поля извести (известкование почв). Щелочные почвы с pH > 8 засоляются, и требуются специальные меры для борьбы с этим явлением. Выпадение кислотных дождей часто ведёт к нежелательному закислению почв.

Почвенные организмы удобно классифицировать по их размерам, ввиду связи последних с метаболизмом и местом в пищевых цепях. Организмы микробного размера (микробиота), к которым относятся почвенные водоросли (большинство зелёных и синезелёных), бактерии, грибы и простейшие, — это основное звено детритной пищевой цепи между растительными остатками и почвенными животными.

Мезобиоту составляют нематоды, энхитреиды, мельчайшие личинки насекомых и микроартроподы; из последних в почве чаще всего присутствуют клещи и ногохвостки. На рис. 5.13 показаны некоторые из этих организмов. Микроартроподы и энхитреиды исчисляются тысячами на 1 м2, нематоды же — миллионами. По биомассе эти три группы мезобиоты различаются незначительно (от 1 до 13 г на 1 м2). Численность почвенных микроартропод в «залежи» (заброшенные сельскохозяйственные угодья) составляет около 150 000 на 1 м2, а биомасса — примерно 1 г. Мезобиота питается преимущественно детритом и бактериями, но некоторые виды, особенно клещей и насекомых, являются хищниками. Число нематод колеблется в пределах от 1 до 20 млн на 1 м2. Многие нематоды питаются, по-видимому, бактериями, другие (до 40 %) — корнями растений и почвенными водорослями и не более 2 % питаются другими животными. Нематоды-паразиты корней опасны для сельского хозяйства;

Характерные представители членистоногих мезобиоты почвы

Рис. 5.13. Характерные представители членистоногих мезобиоты почвы: 1 и 2 — панцирные клещи ЕиІоИтапіа и Ре1ор.ч, 3 — протура МкгоеШотоп, 4 — клещехво-стка Уя/ух, 5 — трипе, 6 — сколопендрелла Бсо/орепсІгеІІа, 7 — хищный жук 5їяр/гу//яя/яе, 8Раигориэ ,9 — ногохвостка ЕМотоЬгуа, 10 — лжескорпион, 11 — многоножка класса Ріріоросіа , 12 — многоножка класса СЫ1орос1а, 13 — хрущ —

личинка пластинчатоусого жука

устранить их из заражённой почвы очень трудно. Наилучший способ борьбы с ними — севооборот.

К макробиоте, кроме корней растений, относятся крупные насекомые, дождевые черви и другие, достаточно крупные организмы. Сюда можно включить и роющих позвоночных, таких, как кроты, суслики и мешотчатые крысы. Обычно наибольшим по биомассе живым компонентом почвы бывают корни растений, но, так как их метаболизм в расчёте на 1 г веса относительно мал, их вклад в дыхание почвы меньше, чем вклад разлагающих микроорганизмов. Сухой вес корней в климаксной степи — около 1000 г/м2, а в лесу — 3000 г/м2 или более.

Многие насекомые обитают в почве лишь временно, в период зимовки или окукливания. Дождевые черви, подобно нематодам, наиболее многочисленны в неорганических почвах, особенно в известково-глинистых, где их плотность может достигать 300 на 1 м2. Макробиота играет весьма важную роль в перемешивании почвы и поддержании её особой консистенции — это своего рода «живая губка».

Почвенные животные механически разрушают растительную подстилку и придают ей форму, доступную для разложения микроорганизмами. Животные усваивают лишь 5—10% массы мёртвых листьев, которые они поедают (вес их экскрементов составляет 90—95 % веса съеденной пищи). Эти экскременты разлагаются микроорганизмами быстрее, чем механически измельченные листья, которые не прошли через кишечник животных.

Таким образом, хотя на долю живых организмов приходится лишь небольшая часть общего веса почвы, однако, благодаря высокой активности, они оказываются доминирующим фактором экосистемы.

В почвоведении различают более десятка только основных типов почв. Так как почва — продукт климата и растительности, карта основных типов почв мира (рис. 5.14) подобна карте растительности (рис. 3.3). Для земледелия особо важны чернозёмы с мощным, до 50 см, слоем гумуса и суглинистые (подзолистые, серые лесные) почвы, остающиеся после сведения лиственных лесов. Суглинки сравнительно быстро истощаются и требуют постоянного внесения удобрений в гумусовый горизонт.

В целом почвенные ресурсы Земли, пригодные для земледелия, в настоящее время исчерпаны примерно на 40 %. Площади, занятые черноземами, а также суглинистые почвы, расположенные в областях с наиболее благоприятными для земледелия условиями, практически полностью хозяйственно освоены.

Вовлечение новых земель в сельскохозяйственный оборот происходит, главным образом, за счёт вырубки тропических лесов, что само по себе таит угрозу глобальной экологической катастрофы. Освоение этих земель не может решить проблемы роста производства продовольствия. Почвы тропических лесов малоплодородны. В латеритном горизонте В этих почв накоплено много соединений железа и алюминия (см. п. 3.3). После сплошной вырубки тропические ливни смывают тонкий слой гумуса, и под совместным влиянием кислорода воздуха и воды на поверхности образуется очень прочная красная твёрдая порода — железняк. Земля становится бесплодной и непригодной для обработки. По различным оценкам железняки уже покрывают более 10 % площади тропиков, а в Западной Африке — до 15 %.

Сохранение и умножение плодородия почвы есть одна из ключевых проблем выживания человечества. Между тем усиленная эксплуатация наиболее плодородных почв ведёт не только к их истощению (это ещё полбеды, — с помощью удобрений и агротехники эта проблема вполне разрешима), но и к их эрозии. Эрозия есть процесс разрушения почвы вследствие перемещения и

Карта основных типов почв Земли

Рис. 5.14. Карта основных типов почв Земли

5.4. Почва 231

рассеяния её частиц под действием ветра и поверхностного стока воды. Различают несколько типов эрозии. Плоскостная эрозия происходит под действием выветривания и тогда, когда водяные потоки стекают по полю сплошным потоком, унося с собой частицы верхних слоёв почвы. Этот тип эрозии особо опасен тем, что разрушение и истощение почвы происходит исподволь, почти незаметно, и последствия обнаруживаются со значительным опозданием.

Ветровая эрозия наиболее интенсивна на больших открытых пространствах распаханных полей, так как для подъёма частиц почвы скорость ветра у поверхности должна превышать определённое пороговое значение, называемое критической скоростью подъёма. Для открытых распаханных полей критическая скорость приземного ветра очень невелика — она составляет 3—5 м/с. По достижении ветром критической скорости Ккрит масса поднимаемых в воздух частиц М быстро растёт по закону:

М~[(У- Ккрит)/КкритГ, (5.1)

где V — скорость ветра на высоте около 1 м и а лежит в диапазоне от 3 до 5. Катастрофического объёма эрозия достигает во время так называемых пыльных бурь, когда сильный ветер поднимает на обширных пространствах миллионы тонн частиц почвы и рассеивает их на расстояния в тысячи километров.

При струйной водной эрозии на поверхности образуются ручьи, которые промывают себе русла, постепенно превращающиеся и сливающиеся в овраги. В конце концов, происходит полное заовраживание сельскохозяйственных угодий, и они становятся непригодны для использования. За счёт эрозии площадь наилучших пахотных земель сокращается примерно на 5—7 % за десятилетие.

Слой плодородной почвы нарастает очень медленно — примерно на '/1() мм в год. В естественных условиях зрелых биогеоценозов скорость образования почвы примерно равна суммарной скорости эрозии. Но практически все используемые человеком территории в той или иной степени поражены эрозией. На рис. 5.15 приведены осреднённые оценки скоростей восстановления и эрозии почв, характерных для умеренных широт. Из этих данных видно, что при отсутствии специальных мер по защите и восстановлению почвенный покров сельскохозяйственных угодий быстро разрушается. Скорости естественного восста-

Тонн/(гектар-год)

12^

Пашня Пастбище

Рис. 5.15. Типичные скорости эрозии и восстановления почв для умеренных

климатических условий

Водная эрозия

Ветровая эрозия

Восста

новление

Природные условия

новления абсолютно недостаточно для сохранения почв, используемых для сельского хозяйства.

Ещё более страшным бичом для почвы являются строительные работы и открытые карьерные разработки. Сохранение снятого почвенного покрова и его последующая рекультивация проводятся строителями и производителями горных работ в очень редких случаях. По меткому выражению известного специалиста по эколого-экономическим системам К. Г. Гофмана «как правило, после них остаётся сплошной лунный пейзаж». По счастью, эти отрасли человеческой деятельности в целом охватывают относительно небольшую площадь. Однако в некоторых регионах России, Украины, США и Южной Африки эта проблема стоит очень остро: горно-, угле-, и нефтедобывающие территории покрыты миллионами тонн отвалов, «хвостов» обогатительных фабрик и разливами нефти.

Антропогенная эрозия почв опасна не только для самих почв, но наносит значительный ущерб водным ресурсам. Смытые с полей верхние слои почвы, попадая в водоемы, засоряют их и способствуют процессам эвтрофикации.

Крайней степенью эрозии является опустынивание. При умеренном опустынивании пастбищ и пахотных земель их продуктивность падает на 10—25 %, при сильном — на 25—50 %. Очень сильное опустынивание означает падение продуктивности земли более, чем вдвое, и образование на месте плодородных угодий глубоких оврагов и песчаных дюн. Опустынивание может происходить и в силу естественных причин, но в природе это достаточно медленный процесс, к тому же, как правило, обратимый, и происходит он на границах существующих пустынь.

Под антропогенным воздействием опустынивание может происходить гораздо быстрее и охватывать территории, далёкие от природных пустынь, но находящиеся в зонах недостаточного увлажнения. Судя по всему, современные полупустыни и пустыни Ближнего Востока, а возможно и большая часть Сахары — дело рук человека.

Основными причинами антропогенного опустынивания являются:

  • • перевыпас скота на протяжении длительного времени;
  • • неправильное орошение, ведущее к засолению почв и разрушению их верхнего слоя;
  • • распашка земель, в принципе непригодных для земледелия;
  • • вырубка и уничтожение лесов и кустарника;
  • • деградация земель за счёт многолетней добычи полезных ископаемых, строительства и пр.

По различным оценкам за вторую половину XX века опустыниванию подверглись от 300 до 800 млн га, но действенных мер в должном масштабе до сих пор никто не предпринимает.

С сожалением приходится констатировать, что Россия вместе с Китаем, Индией и США является лидером по скорости развития эрозии. В этих странах эрозией поражены около 35 % почв, и только сравнительно высокие значения коэффициента увлажнения (см. п. 2.2) спасают их от тотального опустынивания.

Для подавления эрозионных процессов существует целый ряд эффективных приёмов. Чтобы сохранить почвенную структуру, минимизируют механическое воздействие на почву, используя безотвальную обработку. Верхний слой почвы при этом рыхлится без переворачивания пластов. В результате сохраняются прошлогодние растительные остатки и влага и уменьшаются расходы энергии на обработку. Однако при этом приходится использовать много гербицидов — пестицидов, предназначенных для борьбы с сорняками.

На склонах пахота и сев должны вестись строго поперёк, а не вдоль склона. Тогда ряды растений препятствуют стоку воды и смыву верхнего слоя почвы. На более крутых склонах используется террасирование.

На поливных землях должны применяться дождевальные установки, позволяющие минимизировать смыв верхнего слоя почвы и правильно дозировать поступление воды, чтобы избежать заболачивания и засоления.

Особую роль в сохранении почв способны сыграть меры, которые можно назвать экологическими. В их основе лежит восстановление видового и ландшафтного разнообразия в антропогенных системах, что является основным условием повышения системной устойчивости любого биоценоза (см. п. 1.8), а также в максимально возможной степени восстановление в антропогенных биогеоценозах естественных геохимических круговоротов.

Сохранению почвы способствует использование чересполосицы, при которой сельскохозяйственные культуры высеваются чередующимися широкими полосами поперёк уклона. Этот приём используется совместно с севооборотом на полосах. Чередование полос не только снижает эрозию. Посев на части полос бобовых обогащает почву азотом, а смена типа растительности препятствует распространению болезней, сорняков и вредителей.

Чтобы избежать заовраживания, производятся посадки деревьев и кустарников. Эти посадки одновременно дают приют птицам, истребляющим насекомых, что позволяет сократить использование инсектицидов. Уже образовавшиеся овраги перегораживаются плотинами, которые удерживают наносы, постепенно заполняющие сам овраг.

Лесопосадки в виде полос не только уменьшают смыв почвы, дают приют птицам и препятствуют миграции нежелательных видов. Они являются одним из главных средств борьбы с ветровой эрозией. Резко увеличивая трение воздушных потоков о поверхность, лесные полосы уменьшают поверхностную скорость ветра, что в соответствии с формулой (5.1) может практически полностью подавить ветровую эрозию и, во всяком случае, предотвратить возникновение пыльных бурь.

В природных экосистемах взятые из почвы питательные вещества возвращаются в неё, что обеспечивает поддержание её плодородия в естественных условиях. В антропогенных биогеоценозах этот геохимический цикл оказывается разорван, так как каждый раз, когда убирается урожай, вместе с ним с полей вывозится масса питательных веществ, которые оказываются утраченными для экосистемы. Эрозия усиливает эту убыль. Так происходит истощение почв, эксплуатируемых в сельскохозяйственных целях. Поэтому эти почвы нуждаются в удобрениях и отдыхе.

Минеральные удобрения в силу относительной простоты применения наиболее употребительны в сельском хозяйстве. Они действительно позволяют пополнить запасы связанного азота, фосфора, калия и большинства других необходимых растениям веществ. Однако их применение недостаточно для полного восстановления почв и связано с рядом дополнительных проблем. Во-первых, они не пополняют утраченные запасы гумуса, а потому не восстанавливают структуру почвы, необходимую для удержания и накопления влаги. Нарушение структуры почвы и её уплотнение ведут к ухудшению аэрации корней. Среда обитания многочисленных организмов, живущих в почве и важных симбионтов растений, оказывается нарушенной. Во-вторых, использование искусственных минеральных удобрений связано с необходимостью расчёта точной дозировки при их внесении. Это требует достаточно развитой агрохимической инфраструктуры, обеспечивающей постоянный контроль химического состава почвы. Последнее доступно далеко не всем хозяйствам даже в наиболее развитых странах.

Для восстановления слоя гумуса почва нуждается в органических удобрениях, основу которых составляют навоз, перегной и компост, то есть отходы жизнедеятельности живых организмов.

Навоз и птичий помёт являются наиболее эффективными органическими удобрениями. Однако их применение в условиях индустриализации животноводства, когда птица откармливается на гигантских птицефабриках, а свиньи и рогатый скот — на специализированных фермах и в откормочных хозяйствах, резко уменьшается в связи с необходимостью транспортировки. Эта сиюминутная экономия в долгосрочном плане обходится очень дорого по двум причинам. Во-первых, из-за невозвращения на поля ценнейших питательных веществ, а во-вторых, потому, что эти вещества слишком часто загрязняют округу ското- и птицеводческих хозяйств и источники пресной воды. Наряду с экскрементами животных важными органическими удобрениями являются перегной и компост. Перегной образуется в результате запашки остатков зелёной массы, а компост специально готовится из смеси растительных остатков, навоза и почвы, разлагающейся под действием микроорганизмов и детритофагов.

Применение одних органических удобрений в целом не может компенсировать потерь почвой питательных веществ. Только совместное применение органических и минеральных удобрений, антиэрозионных мер и ротации сельскохозяйственных культур (то есть традиционного севооборота) вместе с правильной организацией поливного земледелия может спасти основу жизни — почву от массовой деградации в планетарном масштабе.

  • [1] Определение водородного показателя см. на стр. 97.
 
<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>