Екологічні функції ґрунтового покриву

В глобальному планетарному масштабі ґрунтовий покрив є основною складовою педосфери і невід’ємною функціональною оболонкою біосфери, яка на рівні з іншими оболонками забезпечує її функціонування і цілісність.

Біосфера - глобальна екосистема Землі, в межах нижньої частини атмосфери, всієї гідросфера, верхньої частини літосфери, яка є зоною існування і функціонування живої речовини (у тім числі в історичному минулому); активна оболонка Землі, в якій сукупна діяльність живих організмів прояв­ляється як геохімічний чинник планетарного масштабу. В межах цієї глобальної екосистеми взаємодіють жива і нежива речовини.

Існує декілька підходів до характеристики екологічних функцій ґрунтового покриву, які зводяться до виділення його основних екологічних властивостей. Досить досконалим є підхід Добровольського Г.В., Нікітіна Є..Д. (1998), згідно якого функції ґрунтового покриву розглядаються і класифікуються за категоріями їх впливу на функціонування планетарного біогеоценозу – фізичною, хімічною і фізико-хімічною, інформаційною, цілісною. Більш простим і зрозумілим є підхід Б.Г. Розанова (2000) згідно якого всі функції ґрунтового покриву поділяються на дві категорії – біосферні і екологічні стосовно живих організмів.

Таким чином, ми зупинилися на класифікації Розанова Б.Г, але виробили власний підхід до класифікації біосферних функцій ґрунтового покриву, особливості якого зводяться до виділення необхідних умов функціонування біосфери і виявлення в них функцій ґрунтового покриву.

Таким чином, необхідними умовами існування біосфери є:

1) наявність зовнішнього джерела енергії (таким джерелом є Сонце);

2) акумуляція зовнішньої енергії і елементів живлення (через процес фотосинтезу енергія початково акумулюється головним чином в рослинній біомасі, пройшовши через ланцюги живлення – потрапляє в ґрунт);

3) забезпечення постійного кругообігу речовин в біосфері;

4) забезпечення і підтримання сталого рівня біологічних процесів у біосфері;

5) підтримання відносно сталого складу біосфери (завдяки процесам фотосинтезу і розкладу органічної речовини підтримується сталий газовий склад атмосфери та гідросфери;

6) збереження інформації про процеси життєдіяльності екосистем біосфери і передача її в часі;

7) самовідновлення.

Таким чином, з точки зору забезпечення необхідних умов існування біосфери виділяють наступні біосферні функції ґрунтового покриву:

1. Біологічні.Ґрунтовий покрив забезпечує протікання життя на Землі завдяки своїй виключній властивості – родючості. В ґрунті створюються умови для росту і розвитку рослин (формуються сприятливі грунтові режими), концентруються всі необхідних для організмів біофільні елементи в доступних для них формах хімічних сполук. Грунт також здатний акумулювати потрібний для первинних продуцентів наземних екосистем запас води у доступних для них формах.

2. Акумулятивні.Грунтовий покрив в процесі свого формування накопичує на земній поверхні специфічно активну речовину - гумус і пов'язану з ним хімічної енергії. В біологічних циклах синтезу й деструкції органічної речовини, які постійно відбуваються на поверхні землі, грунт виступає акумулятором залишкових продуктів цих циклів. Органічна речовина, особливо її специфічна частина - гумус, завдяки функції родючості забезпечує стійкість процесу продукція -деструкція біомаси.

3. Трансформаційні.В грунті постійно протікають процеси трансформації органічної речовини, що надходить в ґрунтову екосистему і утворюється в ній, в результаті чого постійно утилізують ся продукти метаболізму живих організмів і накопичуються елементи живлення в легкодоступній для рослин формі.

4. Біогеохімічні. Важливою біосферна функція ґрунтового покриву є забезпечення постійної взаємодії великого геологічного та малого біологічного кругообігів речовин.

Підвеликим геологічним кругообігом розуміють геологічніпроцеси перетворення і переміщення маси гірської породи, які здійснюються протягом геологічних епох.

Суть великого геологіч­ного кругообігу пояснюється так. Вода океану, безперервно випаро­вуючись із поверхні, у вигляді дощу випадає на сушу, насичує кору вивітрювання та розчиняє частину сполук, мінералів і з ними знову стікає в океан. Там ці сполуки частково відкладаються, а частина їх стає по­живою для представників рослинного і тваринного світу океану, а потім разом з виловленими рибами, іншими морськими тваринами і рослинами повертаються знову на сушу. Даний процес є чисто абіотичним (без участі організмів) процесом вивітрювання і вилуговування верхніх пластів земної кори та нагромадження їх на дні морів із зворотним поверненням на материк у процесі рухів земної кори.

Малий біологічний кругообіг здійснюється в результаті синтезу і руйнування органічної речовини за допомогою зелених рослин та безхлорофільних мікроорганізмів.

Усі біогеохімічні цикли елементів, у тому числі й таких важливих біофілів як вуглецю, азоту, кисню, а також потокоутворювальні цикли води відбуваються тільки за участю ґрунту через його регулювальну дію як геомембрани, з одного боку, і як акумулятора біофілів - з другого. Грунт при цьому є свого роду поєднувальним ланцюгом і регулювальним механізмом у системі геологічної та біологічної циркуляції елементів у біосфері.

5. Регулятивні. Ця важлива біосферна функція полягає у регулюванні складу атмосфери й гідросфери,яке ґрунтовий покрив виконує завдяки своїй високій шпаруватості (40-60 % від об'єму) і щільному заселенню організмами (корені рослин, тварини, мікроорганізми і черви). При цьому відбувається постійний газообмін між ґрунтом і приземною атмосферою. В системі грунт - атмосфера грунт є також генератором одних газів і резервуаром стоку інших. В наземній частині глобального кругообігу води він вибірково віддає в поверхневий стік розчинні у воді хімічні сполуки, визначаючи таким чином гідрохімічну ситуацію як на суші, так і в прибережних акваторіях.

Оскільки грунт як біокосне природне тіло має не тільки родючість, а й лімітуючі фактори, що обмежують життєдіяльність тих чи інших організмів, то він також виступає в якості регулятора інтенсивності біосферних процесівчерез регулювання щільності популяцій та інтенсивність продуктивності організмів на земній поверхні. До лімітуючих факторів грунту належать: висока кислотність або лужність, низька вологоємність, наявність токсичних речовин, сильне ущільнення тощо.

6. Захисні. Ґрунтовий покрив нашої планети виконує також захисну функцію стосовно літосфериПри цьому він відіграє роль не тільки геомембрани, а й "геодерми", або "шкіри" планети, захищаючи літосферу від інтенсивної дії екзогенних факторів, а отже, від руйнування. Ґрунтова оболонка є ніби буферною зоною між атмосферою та літосферою. Завдяки грунту забезпечується нормальне тривання геологічної денудації, яка протистоїть швидкому перенесенню продуктів вивітрювання гірських порід з континентального в океанічний цикл кругообігу.

7. Санітарні. Санітарні функції грунту виявляються черезздатність його екосистеми переробляти відходи життєдіяльності організмів, решток рослин, тварин, а також антропогенне забруднення, що потрапляє щорічно в грунт та на його поверхню. Слід зазначити, що в процесі продукції-деструкції органічної речовини беруть участь не тільки мікроорганізми, а й безхребетні тварини, що разом утворюють складний комплекс очищення грунтів.

8. Самовідновні.Самовідновні функції грунту виявляються у підтриманні відносно сталих режимів, хімічного, мікробіологічного складу, структури, за наявності впливу певних факторів (погодних умов, застосування добрив, пестицидів, обробітку грунті і т.п.). При цьому грунт виявляє важливу властивість - буферність - здатність ґрунту протидіяти зовнішнім навантаженням і зберігати свої основні функції.

9. Інформаційні.Грунт як важлива складова екосистеми містить "пам'ять", виконує функції регулювання кількісного складу та структури біоценозу, подачі сигналів для сезонних та інших біологічних процесів, регулює пускові механізми деяких сукцесій. У його морфологічних ознаках, фізико-хімічних властивостях та мінералогічному складі виявляються особливості факторів ґрунтоутворення як у сучасному, так і в історичному аспектах. У своєму розвитку грунт "прагне" перетворитися на продукт, що врівноважує разом з відповідною комбінацією факторів ґрунтоутворення стале функціонування екосистеми.

Утворення зрілого ґрунтового профілю триває упродовж тисяч, а інколи навіть десятків тисяч років. Отже, особливий аспект функції грунту як "пам'яті" пов'язаний із зберіганням у його профілі інформації про еволюційне середовище. Особливо інформаційною щодо цього є система гумусових речовин, яка мало змінюється з часом, завдяки ізоляції похованих грунтів від навколишнього середовища.

Ґрунти певною мірою впливають на формування складу та структури сучасних фітоценозів. Просторовий розподіл рослин, зокрема їх кореневих систем, значною мірою визначається реальною динамікою властивостей і режимів грунтів. З коренями кожного виду рослин пов'язані специфічні комплекси ґрунтової біоти: грибів, мікориз, ризосферних бактерій, фітофагів -нематод, комах та ін.

Здатність грунту впливати на склад і структуру біоценозів набуває важливого значення при вирішенні практичних завдань щодо відновлення рослинного покриву знищених біоценозів. Відомо, що у зв'язку з широким освоєнням земель, внесенням значної кількості мінеральних добрив та кислотними опадами багато ґрунтових відмін зазнали суттєвих змін, у зв'язку з чим, з одного боку, потрібне відновлення їх колишніх властивостей, а з другого - пошук оптимальної біоценотичної структури рослинності.

У літературі є чимало відомостей про ще одну інформаційну функцію грунту - його здатність сигналізувати про початок сезонних біологічних процесів.Визначальною у цій функції є періодична зміна параметрів деяких ґрунтових режимів – теплового, водно-повітряного, окисно-відновного, поживного, мікробіологічного.

Необхідними умовами існування живих організмів є:

1) середовище існування;

2) наявність доступних елементів живлення;

3) функціонування трофічних ланцюгів;

4) відносно стабільні умови існування;

5) механізм регулювання внутрішньовидової і міжвидової чисельності організмів.

З точки зору забезпечення необхідних умов існування живих організмів виділяють наступні екологічні функції ґрунтового покриву стосовно живих організмів:

1. Середовищні.Грунт є середовищем існування ґрунтових мікроорганізмів та фауни, субстратом і опорою росту і розвитку рослин.

Наприклад, ґрунт є середовищем життя для рослин. У ґрунті зберігається насіння рослин, проходить фаза його проростання, а в дорослому віці з ґрунтом безпосередньо взаємодіють їхні підземні органи. Так, маса органічної речовина на поверхні землі коливається від 20-30 до 1000 ц/га залежно від природно-кліматичної зони. У хвойних та листяних лісах корені сягають 800-950 ц/га, у степах - 250, арктичних тундрах -80, пустелях- 30 ц/га У ґрунтах тундрової зони основна частина коренів зосереджена в горизонті підстилки (дернини). У підзолистих ґрунтах, за даними М.О. Качинського, вона також приурочена до поверхневих горизонтів. В цілому у верхньому 30-50-сантиметровому шарі зосереджено 60-70 % коренів. Проте з півночі на південь змінюється розподіл коренів у профілі ґрунту, і вони проникають на більшу глибину (у посушливих районах - до 10 м).

Як середовище життя ґрунт активно використовують різні мікроорганізми. Найчисленнішими у ґрунті є бактерії, актиноміцети, гриби і менш численними є водорості. Істотною особливістю мікробного населення ґрунту є їх чітка внутрішньо профільна диференціація, яка пов'язана із диференціацією ґрунтів на генетичні горизонти як особливі екологічні ніші для мікроорганізмів.

Ґрунт служить також середовищем для багатьох тварин. Так, із 22 типів тварин, які нараховують зоологи, 10 мають своїх представників, що живуть у ґрунті. Видовий і кількісний склад тварин у ґрунтах різний. Для окремих груп тварин ґрунт виступає середовищем їхнього поширення.

Значною мірою ґрунт виступає як житло і сховище для багатьох організмів. Суть цієї функції зводиться до того, що ґрунт захищає багатьох живих організмів від переохолодження і перегріву, від хижаків і т.п.

Ґрунт виконує опорну функцію, завдяки чому рослини можуть зберігати вертикальне положення, бути стійкими до вітровалів, протистояти силі свого тяжіння. Просторова фіксація рослин обумовлена закріпленням їх у ґрунті за допомогою коренів, які утворюють в ньому багато розгалужень. Бокові корені часто довші за бокові гілки, а сумарна поверхня кореневої системи перевищує загальну поверхню надземних органів

2. Ресурсні. Грунт постійно має певний запас елементів живлення в доступній рослинам формі.

Доведено, що, крім води, із ґрунту рослини одержують різні мінеральні речовини: азот (амонійний і нітратний), фосфор (моно- і дифосфати), калій, кальцій, магній, сірку, залізо, марганець, мідь, молібден, бор, цинк та ін.

У природних екосистемах до поживних ресурсів ґрунту рослини пристосовуються у процесі їх еволюції. Дещо інша картина спостерігається у виробничих умовах під час вирощування сільсько­господарських культур.

Щорічне вилучення з урожаєм значної долі біомаси, а з нею і поживних елементів, призводить до того, що орні землі за відсутності спеціальних агротехнічних прийомів щодо підтримання родючості ґрунту перестають справлятися із постачанням посівів необхідними елементами живлення. Тому для ефективного використання сільськогосподарських угідь необхідне постійне регулювання ґрунтової родючості й оптимізації мінерального живлення рослин.

3. Регулятивно-санітарні. Грунт підтримує відносно сталий власний склад завдяки буферним властивостям і забезпечує відносно стабільні умови існування живих організмів. У багатьох випадках ґрунт виконує функцію стимулятора й інгібітора біохімічних та інших процесів. Суть цієї функції зводиться до того, що у ґрунт надходять різні продукти метаболізму рослин, мікробів, тварин - амінокислоти, білки, вітаміни, спирти та ін., які можуть стримувати або пригнічувати життєдіяльність організмів. Наприклад, у процесі вирощування бобових культур у ґрунті нагро­маджується азот за рахунок фіксації його з повітря бульбочковими бактеріями, які містяться на коренях. У той час у випадку вирощування культур на одному місці настає ґрунтовтома за рахунок розвитку специфічних патогенних мікроорганізмів, збільшення забур'яненості та погіршення водно-повітряного і поживного режимів ґрунту.

Дуже важливою є санітарна функція ґрунту. Суть її полягає в тому, що ґрунтові організми беруть участь у деструкції органічних залишків, які потрапляють у ґрунт. Якби цього не було, то поверхня Землі за короткий проміжок часу була б забитою відходами життєдіяльності організмів, і життя на планеті в решті-решт стало б неможливим. Важливо й те, що санітарна функція пов'язана з антисептичними властивостями ґрунту, які лімітують розвиток в ньому хвороботворних мікроорганізмів. Це особливо важливо у процесі заготівлі та використання органічних добрив. Якщо за умов дотримання відповідних санітарно-гігієнічних норм вони є нешкідливими для ґрунту і в цілому для навколишнього середовища, то у випадку порушення цих нормативів поширюються небезпечні інфекційні хвороби.

Існує ще одна важлива форма прояву санітарної функції ґрунту, яка полягає в руйнуванні ґрунтовими мікробами продуктів обміну інших живих організмів. Це запобігає надмірному нагромадженню у прикореневій зоні рослин токсичних речовин і забезпечує їх виділення з організму.

4. Функціональні.Грунт є об’єднуючим кільцем замкненого ланцюга живлення будь-якої екосистеми. Завдяки тому, що в грунті утворюються, трансформуються і накопичуються елементи живлення рослин, а також функціонують мікробіологічні угрупування, забезпечується постійна трансформація органічної речовини, на різних етапах якої вивільняються елементи живлення як рослин, так і мікроорганізмів, внаслідок чого забезпечуються постійні процеси росту і розвитку рослин, мікроорганізмів, трансформація продуктів метаболізму, тощо.

Грунтам характерний процес самовідновлення на біологічному, хімічному і фізико-хімічному рівнях. Процес самовідновлення також зумовлений буферною здатністю грунтів, яка забезпечує відновлення складу ґрунтового розчину, що веде за собою відновлення фізико-хімічних процесів і умов існування ґрунтової біоти та рослинного покриву.

В грунті існує механізм регулювання чисельності живих організмів функціонує завдяки буферній здатності грунту, яка підтримує відносно сталий склад ґрунтового розчину, що не дозволяє створити умови для надмірного розвитку одних організмів і пригнічення інших, в результаті підтримується відносно сталий внутрішньовидовий і міжвидовий склад ґрунтової біоти.

Питання для самоперевірки

1. Назвіть основні принципи функціонування екосистеми грунту.

2. Що таке продукційно-трансформаційний процес функціонування грунту?

3. Суть поняття «біосфера».

4. Назвіть необхідні умови існування біосфери

5. В чому полягає суть біологічних функцій ґрунтового покриву?

6. В чому полягає суть акумулятивних функцій ґрунтового покриву?

7. В чому полягає суть трансформаційних функцій ґрунтового покриву?

8. В чому полягає суть біогеохімічних функцій ґрунтового покриву?

9. В чому полягає суть регулятивних функцій ґрунтового покриву?

10. В чому полягає суть захисних функцій ґрунтового покриву?

11. В чому полягає суть самовідновних функцій ґрунтового покриву?

12. В чому полягає суть інформаційних функцій ґрунтового покриву?

13. Розкрийте суть поняття «великий геологічний кругообіг».

14. Розкрийте суть поняття «малий біологічний кругообіг».

15. Назвіть необхідні умови існування живих організмів.

16. Назвіть та розкрийте суть екологічних функції ґрунтового покриву стосовно живих організмів:

17. Назвіть найбільш характерні властивості екосистеми грунту.