Почва как среда обитания

Земля - единственная из планет имеет почву (эдасфера, педосфера)– особенную, верхнюю оболочку суши. В. В. Докучаев впервые назвал почву самостоятельным природным телом и доказал, что почва есть "…такое же самостоятельное естественноисторическое тело, как любое растение, любое животное, любой минерал … оно есть результат, функция совокупной, взаимной деятельности климата данной местности, ее растительных и животных организмов, рельефа и возраста страны…, наконец, подпочвы, т.е. грунтовых материнских горных пород. … Все эти агенты-почвообразователи, в сущности, совершенно равнозначные величины и принимают равноправное участие в образовании нормальной почвы…".

Под почвой надо понимать все поверхностные слои горных пород, переработанные и измененные совместным воздействием климата (свет, тепло, воздух, вода), растительных и животных организмов".

В состав почвы входят четыре основных структурных компонента: минеральная основа (обычно 50-60% общего состава почвы), органическое вещество (до 10%), воздух (15-25%) и вода (25-30%).

Минеральная основа (скелет)(50-60% всей почвы) – это неорганическое вещество, образовавшееся в результате подстилающей горной (материнской, почвообразующей) породы в результате ее выветривания.

Свыше 50% минерального состава почвы занимает кремнезем SiO₂, от 1 до 25% приходится на глинозем Al₂О₃, от 1 до 10% - на оксиды железа Fe₂О₃, от 0,1 до 5% - на оксиды магния, калия, фосфора, кальция. Минеральные элементы, образующие вещество почвенного скелета, различны по размерам - от валунов и камней до песчаных крупинок - частиц диаметром 0,02-2 мм, ила - 0,002-0,02 мм и мельчайших частиц глины - менее 0,002 мм в диаметре. Их соотношение определяет структуру почвы.

От соотношения в почве глины и песка, размеров фрагментов, зависят проницаемость и пористость почвы, обеспечивающие циркуляцию, как воды, так и воздуха. Песчаные почвы быстрее дренируются и теряют питательные вещества из-за выщелачивания, но их выгоднее использовать для получения ранних урожаев, так как их поверхность высыхает весной быстрее, чем у глинистых почв, что приводит к лучшему прогреванию. С увеличением каменистости почвы уменьшается ее способность удерживать воду. В умеренном климате идеально, если почва образована равными количествами глины и песка, т.е. представляет суглинок. В этом случае почвам не грозит ни переувлажнение, не пересыхание. И то и другое одинаково губительно как для растений, так для и животных.

Органическое вещество почвы образуется при разложении мертвых организмов, их частей и экскрементов. Не полностью разложившиеся органические остатки называются подстилкой, а конечный продукт разложения - аморфное вещество, в котором уже невозможно распознать первоначальный материал - называется гумусом. В химическом плане это очень сложная смесь изменчивого состава, образованная органическими молекулами различных типов; в основном гумус состоит из фенольных соединений, карбоновых кислот и сложных эфиров жирных кислот. Специфичные органические вещества почвы – это фульвовые (образуются в сильнокислой среде, н-р хвойного леса) и гуминовые (характерны для почв со слабощелочной реакцией) кислоты. От соотношения этих кислот зависит процесс гумусонакопления (максимальные при г/ф более 1) и минерализации (максимально при г/ф менее 0,2), что сказывается на биол. круговоротах.

Гумус, подобно глине, находится в коллоидном состоянии. Так же как и глина, гумус обладает большой поверхностью частиц и высокой катионообменной способностью. Эта способность особенно важна для почв с низким содержанием глины. Анионы в гумусе - это карбоксильные и фенольные группы. Благодаря своим физическим и химическим свойствам гумус улучшает структуру почвы и ее аэрацию, а также повышает способность удерживать воду и питательные вещества.

Одновременно с процессом гумификации жизненно важные элементы переходят из органических соединений в неорганические в процессе минерализации, например, азот- в ионы аммония NH₄⁺, фосфор - в ортофосфат-ионы H₂PO₄^-, сера - сульфат-ионы SO₄^2-.

Почвенный воздух (15-25%) также как и почвенная вода, находится в порах между частицами почвы. Порозность (объем пор) возрастает в ряду от глин к суглинкам и пескам. Между почвой и атмосферой происходит свободный газообмен. Обычно в воздухе почвы из-за дыхания населяющих ее организмов несколько меньше кислорода и больше углекислого газа, чем в атмосферном воздухе.

С глубиной количество кислорода уменьшается (от 21% до 10, а иногда до 0), а содержание углекислого газа, наоборот, увеличивается (от 0,03% около поверхности до 20% в глубине сильно гумифицированных почв). Приблизительной границей перехода от аэробных к анаэробным условиям существования принимается 5% содержание кислорода в дерново-подзолитсых и 2,5% - в воздухе чернозема. Кислород в почве диффундирует от поверхности в глубину, а СО₂ – из глубины на поверхность. Выделение углекислого газа в приземный слой атмосферы называется дыханием почвы ( от 3 г/м² до 20).

Если идет процесс заболачивания, то почвенный воздух вытесняется водой и условия становятся анаэробными. Почва постепенно становится кислой, так как анаэробные организмы продолжают вырабатывать углекислый газ. Почва, если она небогата основаниями, может стать чрезвычайно кислой, а это наряду с истощением запасов кислорода неблагоприятно воздействует на почвенные микроорганизмы. Длительные анаэробные условия ведут к отмиранию растений.

Вода (25-30%) в почве представлена 4 типами: гравитационной, гигроскопической (связанной), капиллярной и парообразной.

Гравитационная – подвижная вода, занимают широкие промежутки между частицами почвы, просачивается вниз под собственной тяжестью до уровня грунтовых вод. Это ведет к выщелачиванию, т.е. к вымыванию из почвы различных минеральных веществ, в том числе азота.

Гигроскопическая, или связанная – адсорбируется вокруг коллоидных частиц (глина, кварц) почвы и удерживается в виде тонкой пленки за счет водородных связей. Освобождается от них при высокой температуре (102-105°С). Растениям она недоступна, не испаряется. В глинистых почвах такой воды до 15%, в песчаных – 5%.

Капиллярная – удерживается вокруг почвенных частиц силой поверхностного натяжения. По узким порам и каналам – капиллярам, поднимается от уровня грунтовых вод или расходится от полостей с гравитационной водой. Лучше удерживается глинистыми почвами, легко испаряется. Растения легко поглощают ее.

Парообразная – занимает все свободные от воды поры. Испаряется в первую очередь.

Строение почвенного профиля

Строение почв неоднородно как по горизонтали, так и по вертикали. Горизонтальная неоднородность почв отражает неоднородность размещения почвообразующих пород, положения в рельефе, особенности климата и согласуется с распределением по территории растительного покрова. Для каждой такой неоднородности (типа почв) характерна своя вертикальная неоднородность, или почвенный профиль, формирующийся в результате вертикальной миграции воды, органических и минеральных веществ. Этот профиль представляет собой совокупность слоев, или горизонтов.

1. Перегнойно-аккумулятивный горизонт А. В нем накапливается и преобразуется органическое вещество. После преобразования часть элементов из этого горизонта выносится с водой в нижележащие.

Этот горизонт наиболее сложный и важный из всего почвенного профиля по своей биологической роли. Он состоит из лесной подстилки – А₀, образованной наземным опадом (отмершая органика слабой степени разложенности на поверхности почвы). По составу и мощности подстилки можно судить об экологических функциях растительного сообщества, его происхождении, стадии развития. Ниже подстилки располагается темноокрашенный горизонт – А₁, образованный измельченными, разной степени разложения остатками растительной массы и массы животных. В деструкции остатков участвуют позвоночные животные (фитофаги, сапрофаги, копрофаги, хищники, некрофаги). По мере измельчения органические частицы поступают в следующий нижний горизонт – элювиальный (А₂). В нем происходит химическое разложение гумуса на простые элементы.

2. Иллювиальный, или горизонт вмывания В. В нем оседают и преобразуются в почвенные растворы соединения, вынесенные из горизонта А. Это гуминовые кислоты и их соли, вступающие в реакцию с корой выветривания и усваиваемые корнями растений.

3. Материнская (подстилающая) порода (кора выветривания), или горизонт С. Из этого горизонта – тоже после преобразования – минеральные вещества переходят в почву.

Экологические группы почвенных организмов

Исходя из степени подвижности и размеров, вся почвенная фауна сгруппирована в следующие три экологические группы:

Микробиотип, или микробиота: бактерии, зеленые и сине-зеленые водоросли, грибы, простейшие одноклеточные. Это водные организмы. Живут в порах почвы, заполненных водой – микроводоемах. Основное звено детритной пищевой цепи. Могут высыхать, а с возобновлением достаточной влажности вновь оживают.

Мезобиотип, или мезобиота– совокупность мелких, легко извлекающихся из почвы подвижных насекомых (нематоды, клещи (Oribatei), мелкие личинки, ногохвостки (Collembola) и др. Очень многочисленны – до миллионов особей на 1м². Питаются детритом, бактериями. Пользуются естественными полостями в почве, сами не роют себе ходов. При снижении влажности уходят вглубь. Приспособления от высыхания: защитные чешуйки, сплошной толстый панцирь. "Паводки" мезобиота пережидает в пузырьках почвенного воздуха.

Макробиотип, или макробиота– крупные насекомые, дождевые черви, подвижные членистоногие, живущие между подстилкой и почвой, другие животные, вплоть до роющих млекопитащих (кроты, землеройки). Преобладают дождевые черви (до 300 шт/м²).

Каждому типу почв и каждому горизонту соответствует свой комплекс живых организмов, участвующих в утилизации органики – эдафон.

.

Тепловой режим почвыпредставляет совокупность явлений поступления, переноса, аккумуляции и отдачи тепла. Основной источник тепла – солнечная энергия. Незначительная часть тепла поступает из глубоких слоев Земли и образуется вследствие разложения органических веществ.

Теплопоглотительная способность почвы во многом зависит от её альбедо – количества отраженной солнечной радиации (у чернозема -8-14% от количества поступившей на поверхность энергии; у глины – 16-23, песка – 34-40%), т.к. остальная часть энергии поглощается.

Теплоемкость почвы (способность поглощать тепло) меньше, чем у воды. Поэтому сухие песчаные почвы быстрее нагреваются и охлаждаются, чем влажные глинистые, которые дольше нагреваются весной, но и дольше удерживают тепло осенью.

Теплопроводность минеральной части почвы в 100 раз больше, чем воздуха, а воды – в 28 раз. Поэтому, чем более влажная почва, тем больше ее теплопроводность, а чем она более рыхлая, тем более теплая.

Химические свойства почвы зависят от содержания минеральных веществ, которые находятся в ней в виде ионов. Некоторые ионы являются для растений ядом, другие - жизненно необходимы. Особое влияние на характеристики почв оказывает концентрация ионов водорода. Флора почв, кислотность которых близка к нейтральному значению (рН = 7), особенно богата видами. Известковые и засоленные почвы имеют рН=8-9, а торфяные - до 4. На этих почвах развивается специфическая растительность.

Можно выделить целый ряд экологических групп растений по отношению к разным свойствам почв. Так, по реакции на кислот­ность почвы различают: 1) ацидофильные виды — растут на кис­лых почвах с рН менее 6,7 (растения сфагновых болот, белоус); 2) нейтрофильные— тяготеют к почвам с рН 6,7—7,0 (большинство культурных растений); 3) базифильные — растут при рН более 7(мордовник, лесная ветреница); 4) индифферентные— могут про­израстать на почвах с разным значением рН (ландыш, овсяница овечья).

По отношению к валовому составу почвы различают: 1)олиготрофные растения, довольствующиеся малым количеством золь­ных элементов (сосна обыкновенная, можжевельник, акация белая); 2) эвтрофные, нуждающиеся в большом количестве зольных элементов ( клен остролистный, граб, бук, верба белая, ясень, орех грецкий,сныть обыкновенная, пролесник многолетний); 3) мезотрофные, требующие уме­ренного количества зольных элементов (ель обыкновенная, рябина, ольха, каштан, дуб обыкновенный). Нитрофилы— растения, предпочитающие почвы, богатые азотом (кра­пива двудомная). Растения засоленных почв составляют группу галофитов (солерос, сарсазан, кокпек). Некоторые виды растений приурочены к разным субстратам: петрофиты растут на камени­стых почвах, а псаммофитыи псаммофилы (мраморные хрущи, муравьиные львы); адаптированы к сыпучим пескам в пустынях.

Почва – промежуточная среда между водой (температурный режим, низкое содержание кислорода, насыщенность водяными парами, наличие воды и солей в ней) и воздухом (воздушные полости, резкие изменения влажности и температуры в верхних слоях). Для многих членистоногих почва была средой, через которую они смогли перейти от водного к наземному образу жизни.