close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

899.Экологическое почвоведение

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Министерство образования Российской Федерации
Ярославский государственный университет им. П. Г. Демидова
И. Н. Волкова
ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ
ПОЧВОВЕДЕНИЕ
Учебное пособие
Рекомендовано
Научно-методическим советом университета
для студентов, обучающихся по направлению
Экология и природопользование
Ярославль
ЯрГУ
2013
1
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УДК 502.521:631.4(075.8)
ББК П03я73
В67
Рекомендовано
Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного издания. План 2013 года
Рецензенты:
Морозов В. В., доктор физико-математических наук, профессор;
кафедра географии ЯГПУ им. К. Д. Ушинского
Волкова, Ирина Николаевна.
Экологическое почвоведение : учебное пособие
/ И. Н. Волкова ; Яросл. гос. ун-т им. П. Г. Демидова. –
Ярославль : ЯрГУ, 2013. – 112 с.
В67
ISBN 978-5-8397-0954-6
В пособии излагаются основы экологического почвоведения, цель которого – выявление особенностей почвы
как среды обитания живых организмов; рассматриваются
экологические функции почвы и изменчивость ее основных
морфологических, физических, химических и микробиологических свойств под воздействием природных и антропогенных факторов. В последнем разделе раскрыты основы
почвенного экологического мониторинга.
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 022000.62 Экология и природопользование (дисциплина «Экологическое почвоведение», цикл Б3), очной
и очно-заочной форм обучения; может быть использовано
студентами специальностей «Экология», «Биология», а также аспирантами и научными работниками, специализирующимися в области биологии почв, почвоведения, экологии.
УДК 502.521:631.4(075.8)
ББК П03я73
ISBN 978-5-8397-0954-6
© ЯрГУ, 2013
2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Введение
Место экологического почвоведения
в системе других наук, цель и задачи курса
Почвоведение с момента его возникновения тесно связано
с экологией через учение о факторах почвообразования, но почти
столетие шел процесс формирования собственно экологии почв. Революционным событием на этом пути было появление в 1986 г. книги Г. В. Добровольского и Е. Д. Никитина «Экологические функции
почв» [4], ставшей фундаментом учения о почвенных экологических
функциях. Развитие авторских идей в двух последующих книгах
«Функции почв в биосфере и экосистемах» [5] и «Сохранение почв
как незаменимого компонента биосферы» [6] позволили сформировать основное ядро понятий экологии почв. В 2006 г. вышел первый
учебник «Экология почв» Г. В. Добровольского и Е. Д. Никитина,
в котором экология почв определяется как «междисциплинарная
наука, изучающая весь спектр участия различных факторов почвообразования в формировании, динамике и эволюции почв и всю совокупность почвенных экофункций». Авторы включают в экологию
почв три взаимосвязанных блока: учение о факторах почвообразования (факторная экология или собственно экология почв); учение
о почвенных экологических функциях; учение о сохранении почв
как незаменимого компонента биосферы [7].
Представляемый вниманию читателя курс экологического
почвоведения, первоначально введенный в программу обучения
студентов-экологов в конце 1990-х гг., формировался автором
до момента появления интегральной экологии почв. На тот момент в почвоведении еще не была сформулирована целостная
экологическая концепция, некоторые разделы этого направления только формировались, другие были в стадии проработки.
Обобщение экологических проблем почвоведения академиком
Г. В. Добровольским, появление первого учебника по экологии
почв позволили более четко очертить цель и задачи, а также предметную область экологического почвоведения.
Мы определили место экологического почвоведения как научное направление внутри экологии почв, предметом изучения ко3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
торого являются условия жизни организмов в почве. Данный курс
базируется на фактах и закономерностях, установленных общим
почвоведением, а также использует данные частных наук, таких
как экология растений, почвенная зоология, почвенная микробиология, почвенная альгология. Цель настоящего курса – выявить
особенности почвы как среды обитания различных живых организмов. В пособии автор взял на себя смелость объединить разделы, достаточно удаленные по тематике, но важные для понимания
современных экологических проблем почвенного покрова.
Задачами курса являются: 1) ознакомление с историей развития
почвенного покрова Земли; 2) знакомство с учением об экологических функциях почвы – биогеоценотических и глобальных; 3) изучение естественной и антропогенной динамики почвенных свойств
и знакомство с основными факторами почвенной среды в их оптимальных и экстремальных для организмов значениях; 4) знакомство
с основами почвенного экологического мониторинга.
1. Развитие почвенного покрова Земли
Геологическая история Земли началась 4,5 млрд лет назад
после образования литосферы. Древнейший и наиболее продолжительный (3,8 млрд лет) временной промежуток в истории
Земли назван криптозоем – периодом скрытой жизни (от греч.
�������������������������������������������������������������
ryptos��������������������������������������������������������
– скрытый, ��������������������������������������������
zoe�����������������������������������������
– жизнь). Последние 0,6 млрд лет составляют фанерозойский эон (от греч. phaneros – видимый, явный, zoe
– жизнь) со следами явной жизни [17, 18].
Криптозой (или докембрий) делится на эоны: гадейский, архейский и протерозойский. В криптозое происходила многократная перестройка суши, поверхностный слой литосферы подвергается интенсивному выветриванию, к концу криптозоя сформировались обильные осадочные породы и появились примитивные
почвы. Основная периодизация и события этих древнейших эпох
по современным научным представлениям выглядят следующим
образом. Гадейский (катархейский) эон (4,5–3,9 млрд лет назад) – образование системы Земля – Луна, образование океанов
и протоконтинентов, осадочные породы отсутствуют. В это вре4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
мя уже могло происходить накопление органического раствора
– «первичного бульона». Пути появления органических молекул
на нашей планете до сих пор дискуссионны: они могли быть занесены из Космоса (пангенез) или возникнуть непосредственно
на Земле. Независимо от того, где зародилась жизнь, большинство теорий связывают зарождение жизни с появлением на Земле
гиперциклов – сложных органических молекул, способных воспроизводить себя. Значительна вероятность их возникновения и
в вакууме космоса, и на Земле. Но только попав в определенные
экологические условия, гиперциклы могут эволюционировать.
Большее преимущество должны были иметь те гиперциклы, которые адсорбировались на минеральных коллоидах. Другие органические соединения, находившиеся в почвенном растворе,
взаимодействовали с сорбированными на минеральной матрице
гиперциклами. Происходило достраивание их молекул или воспроизведение аналогичных молекул гиперциклов. Такие «оседлые» гиперциклы могли использовать минералы, на которых
сорбировались в качестве катализаторов (в частности, марганец в
составе пиролюзита, железо в составе оксидов) и до сих пор работают как катализаторы у некоторых видов микроорганизмов [10].
Архейский эон (3,9–2,6 млрд лет назад) – появление магнитного
поля Земли, образование древнейшего суперконтинента Пангея и
древних осадочных пород. Развиваются анаэробные сообщества
архебактерий, прокариотических гетеротрофов и прокариот, способных к аноксигенному фотосинтезу, ископаемые остатки которых в виде строматолитов и микрофоссилий обнаруживаются в
породах архея; атмосфера восстановительная. По представлениям
Л. О. Карпачевского уже на первых стадиях криптозоя некоторые
участки суши были покрыты предпочвами, представлявшими собой минеральный субстрат с сорбированным на нем органическим
веществом. «Развитие гиперциклов превратило предпочву в протопочву и могло одновременно привести к возникновению жизни
и биосферы в современном понимании этих терминов. Почва, или,
точнее, первичное почвоподобное тело, возникло раньше биосферы и послужило толчком к формированию биосферы». Протерозойский эон (2,6–0,6 млрд лет назад) – произошло раскалывание
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Пангеи, образование рифтовых впадин, формирование обильных
осадочных пород и появление на них примитивных почв. В начале протерозоя появляются оксифотобактерии, 2 млрд лет назад
атмосфера становится окислительной, аэробные сообщества господствуют (сначала цианобактерии, затем альгобактерии). Одноклеточные эукариотические организмы появляются 1,8 млрд лет
назад, многоклеточные формы эукариот – 0,9–0,7 млрд лет назад. В дальнейшем в течение длительного времени (в криптозое
и начале фанерозоя) шло расселение возникших организмов и их
эволюция; окислительная атмосфера Земли способствовала эволюционному процессу. Появление и повсеместное распространение многоклеточных организмов сделало возможным сохранение
в окаменевшем виде разнообразных и многочисленных оранизмов
– наступил фанерозой.
Фанерозойский эон (0,6–0 млрд лет назад) – к фанерозою относятся геологические периоды с явными признаками жизни, т. е.
обильными ископаемыми остатками всех групп живых организмов. Считается, что живые организмы зародились в океане и около
1 млрд лет развивались в нем, прежде чем вышли на сушу. Первыми фотосинтезирующими организмами суши были водоросли, обитавшие во внутренних водоемах (озерах, пудах и реках). В пользу
заселения суши еще в криптозое свидетельствуют современные
данные о заселении скал, на поверхности и в трещинах которых
обитают диатомовые, сине-зеленые и одноклеточные водоросли.
Суша уже тогда в значительной степени была покрыта рыхлыми
отложениями, послужившими основой для почв, зарождавшихся
под действием водорослей. Выход растений на сушу произошел в
силуре-девоне около 430 млн лет назад, первыми растениями суши
были риниофиты, которые дали толчок эволюции высших наземных зеленых растений – мхов и папоротникообразных. Началась
эволюция уже существовавших на тот момент примитивных почв,
сопряженная с эволюцией наземных сообществ. Фанерозойский
эон делится на эры: палеозойскую (эра древней жизни – господство
морских беспозвоночных, рыб, папоротников и плаунов), мезозойскую (эра средней жизни – господствовали голосеменные и пресмыкающиеся) и кайнозойскую (эра новой жизни – господство
6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
покрытосеменных и млекопитающих). В начале фанерозоя протопочвы были заселены как автотрофами, так и гетеротрофами. В почве накапливались органические соединения, усиливались циклы
биофильных элементов (���������������������������������������
S��������������������������������������
, N�����������������������������������
������������������������������������
, ���������������������������������
C��������������������������������
, ������������������������������
Fe����������������������������
), возник биологический круговорот. По мнению Л. О. Карпачевского [11], почвенный покров
Земли уже в начале палеозойской эры фанерозоя (кембрий, ордовик, силур) был представлен маломощными среднегумусированными дерновыми, луговыми, иловато-болотными почвами, карликовыми подзолистыми и дерново-подзолистыми почвами. Однако
надежных следов этих почв не найдено. Настоящие среднемощные
почвы появились в девоне: перегнойно-глеевые, торфяно-глеевые,
луговые, засоленные (аналогичные современные почвы встречаются в поймах рек, ручьев). Характерной чертой этой стадии было
малое участие мезофауны в разложении органического вещества,
что способствовало консервации органики после отмирания растений, в том числе и стволов гигантских папоротников. Возможно,
именно поэтому сформировались мощные слои каменного угля,
в которых сохранились окаменевшие слои древовидных папоротников. В это же время появились растения с более совершенной
корневой системой, что способствовало большему охвату субстрата и формированию симбиотических связей с микробиотой.
В карбоне отмечен расцвет насекомых, усиливаются процессы разложения органических остатков, интенсифицируется
гумификация. В целом сохраняются те почвы, которые сформировались в конце девона. Папоротникообразные образуют приморские и приозерные леса из древовидных плаунов (высотой
до 30 м), хвощей и лепидодендронов с торфяными, перегнойноторфяными и иловато-торфяными почвами. В дренированных
условиях формируются грубогумусные почвы. В конце карбона
появляются саговники, кордаиты и хвойные.
В мезозое ведущая роль в формировании почв переходит к голосеменным. Они появляются уже в конце палеозоя (пермь – триас).
Первый класс голосеменных – семенные папоротники – появился в
девоне и вымер в раннем мелу. Под лесами из голосеменных формировались те же торфяно-глеевые и перегнойно-глеевые почвы, но
одновременно возникали и первичные дерновые и луговые почвы.
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Кайнозойская эра знаменуется появлением покрытосеменных растений. Собственно дерновые почвы своим происхождением обязаны травянистым растениям, их появление датируется меловым периодом. Возможно, именно в этот период возникают и черноземы,
и серые лесные почвы, но как единичные и малораспространенные.
Расцвет черноземов и серых лесных почв наступает в четвертичном периоде. В нижнем (или позднем) мелу сформировался современный почвенный покров Земли, и далее он трансформировался
в основном наступлениями и отступлениями ледника.
Современный дневной почвенный покров на той части суши,
где было оледенение, возник после таяния (отступления) ледника
и сформировался в голоцене (12–14 тыс. лет назад). Поэтому в полярных, субполярных и умеренных поясах, ограниченных 40о (что
составляет более 30 % суши), практически все почвы не старше голоцена [1]. Из-за преобладания почв, возникших в послеледниковый
период, вопросы голоценовой эволюции почв являются наиболее
важными при изучении пространственной организации современного почвенного покрова, а также имеют первостепенное значение
для понимания взаимодействия почв с природным и антропогенным
факторами. В ландшафтах, примыкавших к леднику, но не занятых
им, возраст нижних горизонтов почв может быть намного старше
самого ландшафта. Ландшафты, не затронутые ни ледником, ни серьезными климатическими флуктуациями, все равно разновозрастны, т. к. они подвержены эрозии, перемешиванию, наносам.
Почвенный покров Восточной Европы и всего умеренного пояса прошел в голоцене ряд стадий развития, связанных со
сменами климата и биоты [1]. Существенные изменения почв
происходили в раннем голоцене (10,3–8 тыс. лет назад): потепление климата, развитие растительного покрова, затухание
денудационно-аккумулятивных процессов, стабилизация поверхности, становление полноразвитых почв и почвенного покрова
параллельно со становлением современных зональных ландшафтов; выщелачивание материнских пород. В это время из пород,
местами включавших слаборазвитые почвы, сформировались хорошо развитые почвы, близкие к современным. Средний голоцен
(8–5 тыс. лет назад) характеризовался теплым климатом с непро8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
должительными похолоданиями и потеплениями и колебаниями
увлажненности. Это период стабильного состояния почвенного
покрова и ландшафтных зон при максимальном продвижении их
к северу. Поздний голоцен (3,5–1 тыс. лет назад) отличается похолоданием климата, наступлением леса на степь, тундры на лес,
опусканием высотных поясов в горах. Происходила эволюция части среднеголоценовых черноземов в серые лесные почвы, части
серых и темно-серых лесных – в дерново-подзолистые. В это время
отмечено усиление заболачивания в тайге, наложение тундрового
почвообразования на таежное по северной границе лесной зоны.
Период исторической антропогенной эволюции почв
(1– 0,3 тыс. лет назад) отличается постепенным распространением антропогенных воздействий, преимущественно косвенных,
например через изменение биоты. Происходила вырубка лесов,
вызвавшая наступление степи на лес, трансформация части серых лесных почв в черноземы. Этот период постепенно переходит в антропогенно-техногенную эволюцию почв, охватывающую последние 300 лет. В это время происходит распространение
прямых воздействий на почвы: эрозии, агротурбаций, загрязнения
и деградации почв, создания урбаноземов и других антропогенноизмененных почв. Современными процессами эволюции и динамики почв, еще более усложняющими почвенный покров, являются различные деградационные процессы (дегумификация, эрозия,
слитогенез и др.), климатогенное заболачивание, олуговение, автоморфное осолонцевание, пирогенное окарбоначивание.
Исходя из истории Земли в протерозое и фанерозое, процессы почвообразования перемежались с процессами погребения
почв и разрушения почвенного покрова; новая педосфера формировалась как на новых геологических отложениях, так и на
остатках старых почв. Среди былых почв – слои каменного угля,
глинистые сланцы, известняки, лессы, глинистые и песчаные отложения. Все эти породы, даже подвергнутые метаморфозу (переплавке в недрах Земли), хранят более высокие доли биогенных
элементов (Mg, Ba, P, S, Cr, Mn, N, C) и указывают на то, что эти
слои когда-то были почвой. Современный почвенный покров –
динамичное природное тело, развивающееся в пределах биосферы суши, постоянно гибнущее и возникающее вновь.
9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2. Учение об экологических функциях почв
2.1. Становление и сущность учения
об экофункциях почвы
По мнению Г. В. Добровольского, изучение функций почв
в биоценозах и геосферах является фундаментальной проблемой
почвоведения и началось задолго до того, как было сформулировано учение об экологических функциях.
Уже во времена существования древних цивилизаций Египта,
Китая, Индии, Месопотамии много знали о важнейших свойствах
почвы, что помогало успешно вести хозяйство и правильно понимать особую роль земли в жизни природы и общества. В философских системах древности почва рассматривалась как одна из
природных стихий (наряду с огнем, водой и воздухом) и являлась
одним из непременных условий бытия. Почва, отнесенная к первоосновам жизни, неизбежно поэтизировалась и обожествлялась,
у разных народов появлялись культы богов Земли (греческая богиня плодородия Деметра, у египтян – Изида, у вавилонян – Инанна,
у славян – бог Ярило). Несмотря на ограниченность и эмпирический характер представлений о почве, интуитивным и опытным
путем были правильно определены наиболее характерные почвенные свойства: высокая изменчивость в пространстве и времени,
чувствительность почвы к воздействию земледельца, отзывчивость растений на почвенное плодородие. Эти представления, отличавшиеся целостным философско-экологическим восприятием
почвы и природы в целом, отразились в главных земледельческих
трактатах античности (Теофраст, Катон, Колумелла) [23].
Средние века не дали новых сведений о почве; в Западной
Европе к Х���������������������������������������������������
III������������������������������������������������
в. после длительного забвения была обобщена античная земледельческая литература, продолжалось накопление
эмпирических агрономических знаний. Благодаря развитию химии, появляются попытки объяснить почвенное плодородие, закладывается аналитический подход к изучению почвы.
Только в эпоху Возрождения (ХIV–ХVI в.) началось изучение
отдельных почвенных свойств, в различных науках происходило
обособление разделов, изучающих почвы под тем или иным углом
10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
зрения: ее изучают химики (агрономическая химия), биологи (физиология питания растений), геологи (агрогеология), экономисты
(сельскохозяйственная статистика). Вплоть до второй половины
ХIХ в. шло неуклонное расширение экспериментальных знаний
о почве. Однако изучение почвы в рамках различных наук и сохранение прикладного сельскохозяйственного подхода неизбежно
порождало разобщенность понятий, однобокость и противоречивость суждений, а также их очевидную утилитарность.
Становление почвоведения как науки связано с именем великого русского ученого Василия Васильевича Докучаева, которому
удалось разрешить глубокие противоречия в изучении почвы. Он
указал на невозможность рассматривать почву как объект геологический или агрономический, а выделил ее как особое естественноисторическое тело со своими законами развития и обосновал необходимость новой самостоятельной науки. Благодаря работам
В. В. Докучаева и его учеников к началу ХХ в. было создано
первое обобщающее учение о почве (факторное почвоведение),
началось планомерное изучение почвенного покрова России, стали читаться специальные курсы почвоведения, была создана национальная почвенная школа. Почвоведение постепенно приобрело статус фундаментальной науки о Земле с достаточно сложной
структурой, оно вобрало в себя многочисленные смежные науки,
появились морфология, физика, химия, биология, география почв
и различные прикладные направления почвоведения. После своего
становления почвоведение, особенно учение о природной зональности, оказало значительное влияние на развитие ряда естественных наук: физическую географию, геоботанику и зоогеографию,
лесоведение, геологию, геохимию. Почвовед Б. Б. Полынов основал новое научное направление – геохимию ландшафта, оказавшее
огромное влияние на понимание вопросов взаимодействия и взаимовлияния почвы, ландшафта и литосферы. В. И. Вернадский,
являясь учеником В. В. Докучаева, развил и внедрил в естествознание целостный динамический подход, характерный для докучаевской научной школы. Целостное рассмотрение природы во всех
ее взаимосвязях в значительной мере способствовало разработке
биосферной концепции В. И. Вернадского, и именно ему принад11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
лежат первые прямые высказывания о глобальном значении почвы
на Земле (гидрологическом и общебиосферном), уже тогда кристаллизуются основы учения об экологических функциях почвы.
Однако для оформления учения об экологических функциях почв в отдельное научное направление потребовалось еще
около полувека. В 1986 г. вышла работа Г. В. Добровольского
и Е. Д. Никитина «Экологические функции почв», в которой
впервые были названы функции почв в экосистемах и геосферах.
Работа имела революционное значение для развития почвоведения и вызвала многочисленные дискуссии в научной среде. Исходя из многозначности понятия «функция», следует определиться
с тем, какой смысл в него заложили авторы: явление, зависящее
и изменяющееся под влиянием другого явления; работа, производимая органом, организмом; роль, значение чего-либо. Прямое
указание на понимание термина «функция почвы» Г. В. Добровольский и Е. Д. Никитин дают в учебнике «Экология почв»: это
роль и значение почв и почвенных процессов в жизни экосистем
и геосфер, их сохранении и эволюции [7].
Уже из общего определения исходных понятий очевиден многоаспектный и динамичный характер проблем, рассматриваемых
учением об экологических функциях почв. Его главный стержень
– разнообразие форм участия почвы в функционировании и динамике биоценозов и геосфер Земли. Казалось бы, что традиционное
определение почвы, данное В. В. Докучаевым, является функциональным: «Почва – это те дневные или близкие к ним горизонты
горных пород (все равно каких), которые были более или менее
естественно изменены взаимным влиянием воды, воздуха и различного рода организмов – живых и мертвых, что и сказывается
известным образом на составе, структуре и цвете таких образований». В определении подчеркнуто взаимодействие, предполагающее наличие прямой и обратной связи между почвой и факторами, ее образующими. Однако за более чем столетнюю историю
почвоведения основная часть исследований состояла в изучении
прямого влияния факторов на почву. Обратное ответное действие
самой почвы на компоненты среды сколько-нибудь комплексно не
исследовалось, работы велись разрозненно и касались в основном
12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
роли почв в жизни растений. Поэтому авторы учения делают акцент на исследовании не только прямых взаимодействий (фактор
среды – почва), но и обратных (почва – фактор среды). «Исследуя
общую экологическую роль почв и различные виды их влияния на
атмосферные, гидрологические, биотические и другие компоненты экосистем биосферы, мы тем самым изучаем ответное воздействие самой почвы на факторы почвообразования» [7].
Однако анализ обратных связей в системе почва – факторы
является не единственной задачей учения об экофункциях почвы,
не менее важно изучение внутренней жизни и функционирования почвенных систем в их взаимодействии со всеми звеньями
природных комплексов. Из постановки данной проблемы выросла вторая неотъемлемая часть учения – функции почв в наземных
экосистемах (биогеоценозах). Классификация биогеоценотических функций почв разработана Е. Д. Никитиным и развивалась
в работах Л. О. Карпачевского [27], С. В. Зона [26] и др.
Синтез двух частей, составляющих проблему экологических
функций почв, – биоценотических и глобальных и разработка их
классификации придали проблеме статус фундаментальной, а ее
разработка была оценена ведущими почвоведами как создание учения об экологических функциях почвы, которое продолжает развиваться в силу комплексности и сложности задач, стоящих перед ним.
Анализ взаимодействия почв с геосферами Земли и выяснение роли каждой оболочки в общем благополучии планеты показали, что почвенное звено в данном взаимодействии оказывается
одним из центральных, так как появляется все больше доказательств исключительного значения почвы в нормальном функционировании приповерхностных оболочек Земли. Доказано,
что без полноценного почвенного покрова было бы невозможно
возникновение и существование современной биосферы. По словам В. А. Ковды, почва является ее незаменимым компонентом.
По мнению ряда ученых, почва явилась местом зарождения жизни и важнейшим фактором эволюции живых организмов.
Исследования биоценотических и глобальных функций почв
имеют принципиальное значение не только для развития науки
о почве, но и для создания научно обоснованной системы рацио13
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
нального использования и охраны природных ресурсов. Учение
об экологических функциях может помочь в осмыслении информации, накопленной в почвоведении и смежных науках, и в открытии новых процессов и явлений в экосистемах и геосферах.
2.2. Биогеоценотические функции почв
В конце �������������������������������������������������
XIX����������������������������������������������
в. Э. Зюсс выдвинул тезис о существовании нескольких сфер в структуре нашей планеты: бариосфера (ядро планеты), литосфера, гидросфера, биосфера, атмосфера. В 1920-х гг.
С. А. Захаров добавил к ним педосферу (греч. pedon���������������
��������������������
– почва) – почвенную оболочку.
Биосфера организована как совокупность экосистем различного масштаба, в то же время она сама является глобальной экосистемой. «Экосистема» – понятие, введенное А. Тенсли в 1935 г.
В современном понимании это система, включающая живые организмы и среду их обитания. В отечественной литературе вместо термина «экосистема» чаще употребляют термин «биогеоценоз», предложенный в 1940 г. В. Н. Сукачевым. В зависимости
от среды обитания организма принято следующее подразделение
экосистем: биогенные (среда обитания – живой организм); органогенные (среда обитания – мертвый органический субстрат);
биокосные (среда обитания – абиотический субстрат).
Педосфера является компонентом биосферы и принадлежит
к особому классу природных тел – биокосных. К биокосным телам, кроме почвы, относят отложения морского дна, часть гидросферы (моря, реки, пруды озера) и нижнюю часть атмосферы. Впервые весь перечень биогеоценотических функций почвы
сформулировали Г. В. Добровольский и Е. Д. Никитин (1986) [7].
2.2.1. Функции, обусловленные физическими
свойствами почв
Жизненное пространство
В качестве жизненного пространства почву использует
огромное количество живых организмов, представляющих различные систематические группы.
Подавляющее большинство растений связано с почвой теснейшим образом: они погружены в почву корнями, которые со14
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ставляют от 20–30 до 90 % фитомассы. В различных природных
зонах абсолютное и относительное содержание корней в почве очень различно. Абсолютное содержание корней в тропических лесах более 1000 ц/га, в хвойных и лиственных лесах –
800–950 ц/га, в степях – 250 ц/га, в арктических тундрах – 80,
в пустынях – 30 ц/га. Относительное содержание корней рассчитывается как отношение массы корней ко всей фитомассе растений, эта величина достигает максимальных величин в 70–90 %
в почвах тундровой и степной зон и существенно влияет на ход
почвообразовательных процессов. С помощью корней растения
получают из почвы минеральное питание, процесс поглощения
минеральных растворов очень сильно зависит от многих физических почвенных свойств: количества и размера почвенных
капилляров, порозности, плотности, оструктуренности, гранулометрического состава, влагоемкости и др. Кроме этого, в почве
проходят ранние циклы развития растений.
Микроорганизмы (бактерии, в том числе актиномицеты, грибы, водоросли, простейшие) очень активно используют почву
в качестве среды обитания. Наиболее многочисленной и разнообразной группой являются бактерии. К концу ХХ в. было описано около 50 родов и 250 видов почвенных бактерий. Особое
значение для почвообразования имеют истинные бактерии, актиномицеты и миксобактерии. Их численность в почве огромна
и  может колебаться в зависимости от условий на несколько порядков, например для бактерий эти величины изменяются в пределах 106–1010 кл/г почвы. Особенность микробных сообществ
почв – их очаговость или микрозональность. Несмотря на свой
космополитизм, микроорганизмы сильно зависят от почвенных
условий: количества и качества органического вещества, плотности, порозности, влагоемкости, механического состава. По данным Е. Н. Мишустина, численность микробного населения возрастает с севера на юг и резко увеличивается содержание бацилл
и актиномицетов. В том же направлении усиливается биохимическая активность одних и тех же организмов; интенсивнее протекают в почве южных регионов мобилизационные процессы.
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Из 22 существующих типов животных 10 типов имеют своих
представителей в почве. Из беспозвоночных в почве живут простейшие, плоские, круглые, кольчатые черви, немертины, моллюски, тихоходки, первичнотрахейные, членистоногие. Позвоночные
представлены амфибиями, рептилиями, млекопитающими [13].
Распространенность почвенных животных зависит от биологии вида. Например, почвенные формы среди немертин и полихет встречаются только в тропиках. Моллюски слабо используют
почву для постоянного обитания, малочисленны в почве и плоские черви (планарии). Многочисленными обитателями почвы из
беспозвоночных являются простейшие, круглые черви, кольчецы
и членистоногие. Так, среди круглых червей большое значение
имеют нематоды. Из кольчатых в почве широко распространены
дождевые черви и энхитреиды, из членистоногих – многоножки
разных отрядов. Среди паукообразных в почвах многочисленны
клещи, из ракообразных – мокрицы. Подавляющая часть насекомых связана с почвой в какой-либо части своего жизненного
цикла, особое значение среди почвенных животных имеют колемболы, а также личинки жуков и двукрылых.
Численность почвообитающих животных очень сильно меняется в соответствии с сезонными и погодными условиями.
Большим колебаниям подвержена численность и биомасса дождевых червей, которая может колебаться от 50 до 4000 кг/га.
Между численностью и биомассой почвенных беспозвоночных
животных часто наблюдаются обратно пропорциональные отношения. Число особей дождевых червей, дающих основной вклад
в зоомассу, зачительно уступает по численности более мелким
животным (энхитреидам, клещам, ногохвосткам, нематодам).
Наиболее обильны в почве простейшие – до 106 на 1 м2, их популяция может обновляться за один-три дня. У дождевых червей
обновление значительно более медленное: в природных условиях живут около двух лет, в лабораторных 8–10 лет.
Почва, благодаря своему сложному многофазному строению
и наличию локусов с разными условиями, обеспечивает жизнь
самых различных групп животных. При этом наиболее мелкие
животные используют, главным образом, водную фазу почвы (ко16
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ловратки, простейшие), при значительном увлажнении они плавают в порах, заполненных гравитационной водой, как в небольших водоемах и физиологически остаются водными животными;
для них наибольшее значение имеет динамика водного, температурного и солевого режимов почв. Для более крупных животных
(клещей, ногохвосток, мелких жуков) почва – это система ходов
и полостей, для них обитание в почве сходно с жизнью в насыщенных влагой пещерах, поэтому имеет значение порозность почвы, температура, влажность, количество органики. Для дождевых червей, личинок, многоножек почва выступает как субстрат
разной степени плотности, в которой приходится прокладывать
ходы. Таким образом, для разных размерных групп животных почва выступает как разная среда обитания. Данная гетерогенность
почвы свидетельствует о том, что в ней в ограниченном объеме
соприкасаются практически все типы экологических ниш [3].
Жилище и убежище
Почва предохраняет многие живые организмы от колебания
температур, защищает от хищников, дает возможность пережить
неблагоприятное время года и тем самым выполняет функцию
жилища. Эта защитная способность почвы связана с тем, что
температура и влажность воздуха в ней подвержены значительно
менее резким колебаниям, чем на поверхности. Экстремальные
условия среды (слишком низкие или слишком высокие температуры в тундре, пустыне), резкие смены погоды делают эту функцию почвы особенно важной.
Наглядно эта функция проявляется для животных, использующих несколько сред. Например, для грызунов (полевки, суслики, хомяки, бурундуки) характерна добыча пищи на поверхности,
а в почве они укрываются от хищников, непогоды, создают пищевые запасы, многие впадают в спячку на неблагоприятный период.
При этом пространство, занимаемое их подземными сооружениями, может быть весьма значительным. Так, в лесах при высокой
численности кротов площадь их ходов может достигать до 1/3 площади леса. Используют почву в качестве жилища и другие позвоночные животные: барсук, бобер, выдра, лиса, песец, змеи, некоторые птицы. Бобры – обитатели тихих неглубоких речек, озер
17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
и болот, но если берега достаточно высоки и грунт прочен, то они
предпочитают рыть норы. Не могут обойтись без подземного жилья лиса и песец. Многие животные используют в качестве нор
подземные лабиринты, вырытые грызунами: ящерицы (круглоголовка, такырная), змеи (щитомордник), птицы (каменка и пеганка).
Многие беспозвоночные активно используют почву не только как жизненное пространство, но и как жилище. Это дождевые
черви, особенно во время анабиоза; роющие осы Средней Азии,
строящие в почве гнезда на разной глубине. Особенно сложные
постройки в почве делают термиты, уходящие в легких грунтах на
глубину до 12 м. Использование чужих сооружений в качестве жилища характерно и для беспозвоночных: пауки, мокрицы, блохи,
жуки, мухи используют норы сусликов. Блохи, мухи и некоторые
жуки там и размножаются, откладывая яйца в помет сусликов.
Опорная функция
В первую очередь эта функция почвы важна для растений
– благодаря почве растения сохраняют свое вертикальное положение, противостоят ветровалам и силе тяжести. Главный способ пространственной фиксации растений – закрепление в почве
с помощью корней. Многообразие опорных свойств почвы обусловливает разнообразие морфологических особенностей корневых систем растений. На рыхлых песчаных почвах большинство
растений имеют хорошо развитый стержневой корень, выполняющий функцию заякоривания.
Изменение опорной функции почв сказывается на вертикальной ориентации растений, в ряде случаев могут влиять на
структуру фитоценоза. Так, тиксотропность и текучесть грунта
в условиях вечной мерзлоты приводит к появлению различного
наклона деревьев в условиях лесотундры («пьяный лес»). На горных склонах в участках интенсивного осыпания грунта опорная
функция почвы утрачивается, на осыпях растения практически
не могут развиваться.
Опорная функция важна и для ряда животных. Для многих
мигрирующих животных важны «дорожные» свойства почвы, эти
свойства влияют на выбор конкретных путей миграции многих
животных, а также определяют адаптивные изменения органов
18
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
движения и способов перемещения. Отмечена приуроченность
некоторых видов животных к определенным почвам. Так, лось
предпочитает селиться вблизи заболоченных участков и хорошо приспособлен к передвижению по ним. Оказалось, что такое
предпочтение продиктовано необходимостью борьбы с лосиным
оводом, который откладывает личинки в носовой полости лося,
вызывая воспаление слизистой. Личинки после определенного
периода покидают дыхательные пути и, попадая в болотную воду
или на сырую землю, погибают. После предшествовавшего сухого лета оводы бывают особенно многочисленны. Если же болота
осушаются, то условия для развития овода становятся особенно
благоприятны для овода и гибельны для лося.
Для многих роющих животных, особенно грызунов, важны
«строительные» качества почвы – ее способность, не осыпаясь,
сохранять целостность построек. Например, суслики в аридных
районах предпочитают строить жилища на солонцеватых и солонцовых почвах, так как они обеспечивают сохранность ходов
и гнездовых камер.
Хранилище семян и других зачатков
Почва является наиболее универсальным субстратом для хранения различных зачатков жизни: спор, цист, семян, личинок, яиц
и т. п. Устойчивое существование и поддержание разнообразия наземных биоценозов было бы невозможно без такого хранилища генетической информации, как почва. Способность почвы сохранять
зачатки организмов обусловлена ее многофазностью, многокомпонентностью, наличием в ней локусов и горизонтов, отличающихся по влагообеспеченности, кислотности, содержанию кислорода,
органики, в ней не происходит резких изменений температуры
и влажности. Низкое содержание кислорода в почвенном воздухе считается одной из предпосылок замедления окислительных
процессов и способствует сохранению организмов в состоянии
анабиоза. Гетерогенность почвенных свойств и значительная стабильность условий предоставляет самый широкий диапазон возможностей для хранения разнообразных зачатков жизни. Вопрос
о длительности сохранения в почве зачатков организмов имеет
важное теоретическое и практическое значение.
19
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Семена хранятся в почве годы, десятки, иногда сотни лет,
не теряя всхожести [17], детальная расшифровка механизмов
их сохранения еще не проведена. Есть данные, что в почве содержатся ингибиторы, которые продуцируются основными
растениями данного фитоценоза. В связи с этим становится
ясным быстрое зарастание пожарищ: выгоревшие растения не
продуцируют ингибиторов, и сохранившиеся семена прорастают. Длительно хранятся в почве цисты и яйца беспозвоночных,
споры папоротникообразных, и особенно – бактерий. Для последних длительность хранения в многолетнемерзлых грунтах
составляет сотни лет и даже тысячелетия.
Длительное сохранение зачатков организмов в почве приводит к их накоплению и созданию запаса (пула); по отношению
к любым зачаткам организмов почва становится местом хранения (депо). Особенно часто этим термином обозначают пул
микроорганизмов. Поскольку микробный пул избыточен и не
обеспечен органическим веществом и другими элементами питания, это делает большую часть микроорганизмов почвы малодеятельными или недеятельными (находящимися в состоянии
глубокого покоя). Частичное сохранение физиологической активности микробов позволяет им при благоприятных условиях
быстро включаться в процессы жизнедеятельности и выполнять
свои почвенно-экологические функции. Кроме того, микробный
пул обладает огромным видовым разнообразием, по микробному
генофонду почва – самый богатый природный субстрат.
2.2.2. Функции,
связанные с химическими свойствами почв
Почва как источник и депо питательных веществ и воды
Это одна из функций, изучение которой началось задолго
до появления экологии почв.
Огромная роль растений в жизни человека объясняет, почему именно их почвенное питание стало изучаться раньше других организмов (опыты Ван Гельмонта, ХVII в.). К ХIХ в. было
установлено, что растения имеют два источника питания – воздушный (двуокись углерода) и почвенный (вода и растворенные
в ней минеральные вещества). Корнем поглощаются минераль20
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ные соединения почвы в виде ионов, находящиеся в обменном
состоянии в составе ППК или из почвенного раствора; часть
воды, зольных элементов и азота может поступать через листья.
В ионной форме из растворов почвы получают питательные вещества грибы и многие микроорганизмы. Некоторые микроорганизмы могут извлекать ионы непосредственно из горной породы.
Гетеротрофные организмы (бактерии, грибы, животные) используют также живую и мертвую органику почвы.
Для понимания сущности процесса почвенного питания
следует учитывать специфичность пищевых потребностей различных растений, определяющуюся биологией вида. В естественных экосистемах в ходе длительной эволюции произошла
взаимная подгонка почв и поселяющихся на них фитоценозов,
приводящая к оптимизации потоков вещества и энергии в биогеоценозах. В агроценозах ситуация кардинально меняется. Отчуждение с урожаем большей доли биомассы и возделывание
многих растений на почве, не соответствующей их потребностям, приводит к нарушению сбалансированных природных
круговоротов. Следствием являются истощение почв, снижение
урожая и необходимость искусственной корректировки питательного режима. Поэтому для эффективного использования
сельскохозяйственных угодий необходимы постоянное регулирование почвенного плодородия и оптимизация минерального
питания растений, достигаемые внесением удобрений. Из сказанного следует, что почвы естественных ландшафтов и сельхозугодий крайне неравнозначны как источник минерального
питания растений.
Запас питательных элементов представлен в почве разнообразными минеральными и органическими соединениями: первичными и вторичными минералами, гумусовыми кислотами,
гумином, органоминеральными комплексами. Эти вещества
устойчивы и используются организмами только после того, как
израсходованы легкодоступные соединения.
Депонированные почвой вещества являются залогом существования живых организмов и основой устойчивости почвенного плодородия. Депо веществ обеспечивает организмы пита21
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
тельными веществами и влагой, несмотря на периодически возникающие перерывы в их поступлении.
Различия почв по запасу питательных элементов очень велики. Так, по данным Г. Я Ринькиса [35], почвы бывшего СССР по
валовому содержанию основных питательных элементов отличаются между собой следующим образом: по азоту в 12 раз, по калию в 11 раз, по фосфору в 176 раз, по кальцию в 1310 раз. По запасам гумуса почвы также могут изменяться в десятки раз. Если
количество депонированных веществ невелико, то в снабжении
организмов элементами питания часто наступают перебои. На таких почвах могут существовать в основном виды, приспособленные к резким колебаниям гидротермического и пищевого режимов. Примером растительных сообществ такого типа являются
таежные сосняки на кварцевых песках.
Очень важной характеристикой является доступность элементов минерального питания: наиболее доступны ионы растворов, при
их адсорбции на поверхности почвенных частиц доступность снижается. Значительно влияют на доступность и кислотно-основные
свойства почвы. Д. А. Сабининым [21] отмечалось, что подкисление приводит к увеличению поглощения анионов, а подщелачивание – к поглощению катионов. С ростом щелочности наблюдается
усиление поглощения катионов, приведенных в следующем ряду и
являющихся важными элементами питания растений:
Mn > Co > Zn > Cu > P > Fe > B > Mg > K > N > Mo.
Значительный запас влаги в почве обеспечивается влагой глубоких горизонтов. Запасы воды в почве обусловлены ее влагоемкостью (величиной удельной поверхности почв, способной сорбировать воду) и количеством пор, которые могут заполняться водой.
Эти параметры связаны с гранулометрическим составом, структурой минеральных зерен и оструктуренностью самой почвы.
Функция стимулятора и ингибитора биохимических
и других процессов
В почву поступают разнообразные продукты метаболизма
живых организмов: аминокислоты, белки, витамины, спирты, по22
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
лисахариды. Эти вещества могут как стимулировать, так и угнетать жизнедеятельность других организмов.
В настоящее время накоплен значительный материал по влиянию организмов друг на друга. Особенно подробно изучался
вопрос о взаимовлияниях высших растений и их взаимосвязях
с микроорганизмами почвы. В настоящее время активно изучаются взаимовлияния почвенных микроорганизмов [9, 20, 25].
Рассматриваемая проблема почвенной экологии имеет несколько аспектов. Важнейшим вопрос – вклад почвенных биохимических взаимовлияний в общую динамику экосистем и формирование биологической продукции. В ряде случаев существенные
стороны жизни наземных биоценозов контролируются данной
функцией почв. Примером может служить почвоутомление, при
котором почвы снижают свою продуктивность, несмотря на достаточное количество элементов питания и благоприятные климатические условия. Часто это явление связано с монокультурой,
а также развитием специфических патогенных микроорганизмов,
паразитирующих на определенных растениях, корневыми выделениями некоторых растений, засоренностью посевов сорняками, ухудшением водно-воздушного режима почвы [7].
Выделения растений могут влиять на другие растения поразному: отрицательно (ясень, вяз, осина, сосна отрицательно
влияют на дуб), положительно (липа и клен положительно влияют на дуб). Существует и безразличное отношение растений
как к собственным, так и к чужим корневым выделениям (дуб
и ель безразличны к выделениям друг друга; конопля, картофель, пшеница, ячмень, кукуруза не проявляют признаков самоотравления).
Необходимо учитывать, что изучение конкретных проявлений этой функции вызывает ряд трудностей: существуют
противоположно направленные влияния воздушных и почвенных выделений; отмечается зависимость действия веществ от
их концентрации. Например, выделения дуба в малых концентрациях положительно действуют на сосну, а в больших отрицательно.
23
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2.2.3. Функции,
определяемые физико-химическими параметрами почв
Сорбция тонкодисперсного вещества
Огромная поверхность частиц почвенного мелкозема, особенно коллоидной фракции, позволяет сорбироваться на поверхности почвенных частиц молекулам газов, воды и других жидкостей и различным ионам, в том числе составляющим основу
минерального питания организмов. Основной механизм сорбции
– адсорбция веществ коллоидами почвы; кроме того, существует
механическое задержание, химическое поглощение и биологическая сорбция (в телах живых организмов).
Адсорбция веществ коллоидами играет в поглотительной
способности почв наибольшее значение. Чем тяжелее механический состав почвы, тем больше в составе почвы коллоидной
фракции и тем больше поглотительная способность почвы. Кроме того, поглощение сильно зависит от химической природы
коллоидов – от соотношения их органических и минеральных
компонентов и природы глинистых минералов. Благодаря этой
функции, почвой удерживаются ионы в обменном состоянии,
т. е. в состоянии, доступном для растений и микроорганизмов.
Адсорбция веществ позволяет удерживать их в почве и противостоять выносу с атмосферными осадками. Существование организмов в ландшафтах гумидного климата было бы крайне затруднено, если бы питательные элементы не сорбировались почвой,
а немедленно удалялись из нее выпадающими осадками.
Во многом благодаря сорбционной функции оказывается возможным почти круговой характер естественных круговоротов в экосистемах Земли. Из-за сорбционной способности почв возможна
жизнь не только на богатых, но и на бедных песчаных почвах (формирование сосняков на кварцевых песках). Существенное влияние
оказывает эта функция на доступность веществ и их круговорот в
агроценозах, учитывая трансформированный и в значительной мере
искусственный характер круговорота веществ в них.
Сорбция имеет и отрицательный эффект: часть ионов становится малодоступной для растений (из-за необменного поглощения); сходное явление отмечается и для воды – в защемленных
24
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
порах формируется «мертвый» запас влаги. Особенно значительные запасы недоступной влаги отмечены в почвах тяжелого механического состава. Кроме того, в почве сорбируются и вредные
для биоты элементы и соединения, которые изменяют свойства
почвы и влияют на жизнедеятельность организмов, последствия
такой сорбции будут обсуждаться далее в разделе 4.4.
В связи с важнейшей ролью поглотительной способности
в жизни биоценозов суши, особенно в их искусственных вариантах – агроценозах, важной задачей является оптимизация состава ионов в ППК. Полагают, что для большинства растений,
возделываемых в России, физиологически оптимальное соотношение ионов выглядит так: количество обменного кальция
должно составлять 60–70 % от емкости поглощения, обменного
магния – 10–15 %, калия – 3–5 % [30]. Желательно также содержание небольшого количества водорода и других элементов.
Среди конкретных способов оптимизации ППК следует назвать:
известкование кислых почв, гипсование солонцов, внесение глины в песчаные почвы и обогащение почв гумусом (внесение навоза, сапропеля, торфа, травосеяние).
Сорбция микроорганизмов на почвенном мелкоземе
Благодаря сорбции, микроорганизмы защищены от выноса
потоками влаги за пределы почвенного профиля. Сорбция микроорганизмов зависит от их собственных свойств, особенностей
сорбента и кислотности среды [25].
Почва гетерогенна и сложна как сорбент: в ее горизонтах
и локусах можно найти поверхности с самыми разными свойствами. Поэтому в ней практически всегда может сорбироваться
хотя бы небольшое количество любого микроорганизма. В связи
с этим сорбция микробов на почве слабее зависит от их видовых
особенностей, чем на простых сорбентах.
Отмечается увеличение сорбции бактерий при утяжелении
гранулометрического состава почвы, однако эта зависимость не
прямо пропорциональна из-за влияния на сорбционные процессы многих факторов. Сорбция микробов зависит от минералогического состава почв: монтмориллонитовая группа минералов удерживает микроорганизмы сильнее, чем другие. Зависит
25
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
процесс сорбции и от генетических особенностей почв. Так,
черноземы сорбируют больше микробных клеток, чем дерновоподзолистые и серые лесные почвы. В целом больше клеток сорбируют те почвы, которые обладают большей емкостью поглощения, более тяжелым гранулометрическим составом и более
высоким содержанием гумуса.
Отдельные факторы почвенной среды по-разному влияют
на сорбционную активность микробов. Установлено, что есть
значения рН, при которых происходит максимальная адсорбция
микроорганизмов, и это определяется их видовыми особенностями. При отклонении от данных значений рН в сторону как увеличения, так и уменьшения сорбция микроорганизмов уменьшается и может совсем прекратиться. Отмечена также зависимость
сорбции микроорганизмов от качественного и количественного
состава катионов почвы. Оказалось, что валентность иона, которым насыщена почва, влияет на сорбцию клеток бактерий. Способность клеток сорбировать ионы растет при насыщении ими
почв от одновалентных к двух- и трехвалентным ионам.
Заряд поверхности почвенных частиц существенно влияет на
сорбцию клеток, поверхность которых также может быть заряжена. Наиболее широко в почве представлены отрицательно заряженные поверхности. Одноименность заряда порождает силы
отталкивания. Снижение величины отрицательного заряда клеток и частиц адсорбента облегчает проявление сил притяжения.
Притяжение усиливается при введении многовалентных ионов,
а также при подкислении среды. Усиливается адсорбция и при
высушивании почвы.
Существенным фактором, влияющим на связывание микробных клеток почвой, является размер частиц. С уменьшением их
размера сорбция бактерий возрастает. Данная закономерность
объясняется несколькими причинами: увеличением удельной поверхности сорбента на единицу его веса, большей склонностью
мелких частиц образовывать агрегаты с микробными клетками,
увеличением содержания вторичных минералов.
Биологические и физиолого-биохимические особенности
микробных клеток также влияют на их способность к сорбции
26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
на мелкоземе. Отмечено, что сильнее удерживаются мелкие по
размеру микробные клетки и виды микроорганизмов, способные
к слизеобразованию. При этом сорбционной способностью обладают не только живые, но и мертвые клетки. Убитые нагреванием бактерии в 90 % случаев сохраняют свои сорбционные
свойства. Влияет на сорбционные свойства и подвижность клеток: подвижные бактерии слабо удерживаются частицами, т. к.
способны противостоять сорбционным силам [9].
2.2.4. Информационные функции
Передача сигнала о сезонных и других биологических процессах
Почва осуществляет эту функцию благодаря изменению таких
периодически изменяющихся параметров, как тепловой, водный,
пищевой и солевой режимы. Режимы, в свою очередь, зависят от
основных свойств почвы: механического состава, гумусированности, почвообразующей породы и типа почвообразования.
Тепловой режим определяет продуктивность сообществ, начало или прекращение сезонных циклов жизнедеятельности биоты.
Температура почвы контролирует развитие растений на огромных
территориях. Так, в холодные годы период роста корней растений
сокращается, их биомасса уменьшается на 10–15 %, это может
сказаться на продуктивности лесных сообществ целого пояса, например бореального. Почвенная температура является ведущим
фактором пробуждения роста корней и сигналом к началу вегетации. Осеннее снижение температуры почвы ведет к снижению интенсивности фотосинтеза, оттоку питательных веществ из листьев,
листопаду и переходу растений в фазу зимнего покоя.
Температурный режим почв определяется многими составляющими: теплоемкостью и теплопроводностью почвы, влажностью, запасами тепла (холода), температурой воздуха, потоком
радиации и отражающими свойствами почв [32]. Так, в зависимости от механического состава теплоемкость почвы может различаться в пять раз, а в зависимости от влажности – в 15 раз.
Хорошо известно, что в районах недостаточного увлажнения
смена фаз развития многих растений в годовом цикле определяется прежде всего динамикой водного режима почв. Примером
может служить ускоренное развитие чувствительных к влаж27
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ности эфемеров и эфемероидов. Развитие яиц насекомых также
происходит при определенной влажности и т. д.
Пищевой режим сильно зависит от сезонности и прослеживается у всех организмов, обитающих в почве. Например, отмечаются
весенняя и осенняя вспышка численности микроорганизмов в связи
с поступлением доступного органического вещества в эти сезоны.
Регуляция численности, состава и структуры биоценоза
Почва влияет на формирование конкретной консортивной
структуры биоценоза. Влияние это строится на следующих связях: главная роль в структуре биоценоза принадлежит высшим
растениям – средообразователям. Пространственное распределение растений и особенно их корневых систем зависят от динамики, свойств почвы и ее режимов. С корнями растений связаны
специфические комплексы почвообитающих организмов: грибы
микоризы, ризосферные бактерии, фитофаги – нематоды, насекомые. Все перечисленные организмы, как и корни растений, тоже
зависят от почвенных режимов. Поэтому изменение почвенных
условий меняет структуру, численность и состав биоценоза.
Почва – пусковой механизм некоторых сукцессий
Изменение почвенных свойств ведет к сукцессионным изменениям в биоценозе. Такими изменениями могут быть засоление,
заболачивание, оглеение, заиливание. Например, заболачивание
елового леса формирует следующий сукцессионный ряд: ельниккисличник – ельник-черничник – ельник-долгомошник – ельникдолгомошно-сфагновый – сосняк сфагновый – сфагновые болота
с карликовой сосной. Подробные сукцессии можно проследить
при любом типе почвенных изменений.
Отмечаются и другие формы проявления рассматриваемой
функции. Деятельность почвенных фитофагов может выступать
как фактор, вызывающий сукцессии растительного покрова [3].
Так, в степях деятельность корневых вредителей приводит к гибели
определенных видов растений, освободившееся место занимается
другими видами данной ассоциации. В результате имеет место постоянная смена мелких ценотических комплексов в пределах одного
биогеоценоза. Кроме того, деятельность почвенных фитофагов может вызывать и сукцессии травянистых растительных в целом.
28
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Почва – «память» биогеоценоза
Из всех компонентов ландшафта почва обладает наибольшей способностью к отражению факторов географической среды
и хранит в своем профиле наибольшее количество информации.
Почва является памятью ландшафта. По концепции В. О. Таргульяна и И. А. Соколова [19], почва имеет двуединую природу.
Согласно этой концепции, почвенное тело включает признаки
и свойства почвы-памяти – совокупности устойчивых признаков и свойств, возникающих в ходе длительных отрезков развития географической среды и находящих отражение в развитии
почвы, и почвы-момента – совокупности наиболее изменчивых
процессов и свойств в момент наблюдения почвы, отражающих
ее сиюминутное состояние.
В этой концепции важное место занимают вопросы скорости
и полноты отражения профилем изменений ландшафта. Установлено, что различные свойства и компоненты почвы отражают
факторы и процессы почвообразования с различной скоростью.
Поэтому удобно пользоваться понятием «характерное время».
Под характерным временем какого-либо природного объекта понимается время, необходимое для того, чтобы данный объект и
его составляющие, развивающиеся под влиянием определенных
факторов среды, пришли в равновесие с этими факторами.
Характерное время почвенного профиля в целом иное, чем у
отдельных его компонентов. Так, на образование зрелого почвенного профиля требуется от сотен лет до тысяч и десятков тысяч,
а характерное время у отдельных составляющих почвы намного
меньше (для температуры, влажности – часы, сутки, для почвенных растворов – сутки, месяцы, для ППК – месяцы, годы; для
отдельных горизонтов – десятки лет и т. д.)
Приобретение новой информации нередко сопровождается
потерей уже имеющейся из-за более поздней интенсивной трансформации профиля, что сильно затрудняет ее расшифровку.
2.2.5. Целостные биогеоценотические функции почвы
Трансформация почвой вещества и энергии
Организмы биоценозов совершают огромную геохимическую работу по трансформации материнских пород и органоген29
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ных остатков жизнедеятельности организмов. В результате этой
работы почва, во-первых, обогащается биогенами; во-вторых,
освобождается энергия в тепловой и химической форме, которая
используется как внутрипочвенно, так и переходит в сопредельные среды. При этом почва приобретает свойства, благоприятные
для поселяющихся на ней биогеоценозов. Например, в верхних
аккумулятивных горизонтах почв наблюдается на только накопление соединений в растворимой форме, но и изменение соотношений между рядом элементов, которое имелось в исходной
породе. Почвы содержат больше биогенов (углерода, азота, фосфора, калия и др.), чем исходные материнские породы.
Благодаря постоянному преобразованию косного вещества
литосферы почвы существуют как неравновесные, весьма динамичные системы, богатые свободной энергией.
Санитарная функция почв
Эта функция крайне важна для существования биогеоценозов и может быть рассмотрена в трех аспектах.
Очищение поверхности почвы от отмерших органических
остатков осуществляется разнообразными группами почвенных
организмов: микробами, грибами, беспозвоночными (роль последних долгое время игнорировалась). Подвергая разрушению
и минерализации мертвую органику, почвенные организмы переводят в доступную для усвоения форму элементы и энергию, содержащиеся в опаде, и предохраняют ландшафты от самозагрязнения. При этом растительные остатки, измельченные и переработанные червями и насекомыми, становятся более доступными
для бактерий.
Антисептические свойства почвы позволяют лимитировать
развитие в ней патогенных микроорганизмов. Для большинства
патогенов почва является неблагоприятной средой из-за низкого
содержания органики и значительных колебаний температуры и
влажности. Для ненарушенных почв характерны сложившиеся
взаимоотношения между отдельными группами организмов почвенного микробоценоза; кроме того, накопление в почве продуктов жизнедеятельности микроорганизмов и растений, явления
антагонизма и паразитизма приводят к относительной стабильно30
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
сти микробоценозов почв и тенденции устранения чуждых форм.
Загрязнение почв и изменение их свойств в результате промышленного и сельскохозяйственного воздействия существенно меняет сложившуюся структуру микробных ценозов, в таких условиях патогенные микроорганизмы могут активизироваться и являться причиной заболеваний животных и человека.
Разрушение почвенными микроорганизмами токсичных
продуктов обмена других организмов. Эта деятельность микробов предотвращает чрезмерное накопление в прикорневой зоне
токсичных веществ и обеспечивает их дальнейшее выведение из
организма. В лабораторных экспериментах по изучению этого
аспекта санитарной функции почв было обнаружено, что стерилизация почвенного субстрата угнетала рост растений даже при
наличии полного удобрения.
Почва – защитный и буферный экран биогеоценоза
Зональные типы биогеоценозов отличаются значительной
устойчивостью из-за наличия механизмов обратной связи. Почва
является одним из компонентов, который обладает буферностью
и способен поддерживать гомеостаз биогеоценоза. Способность
почвы к гомеостатическому регулированию крайне важна, поскольку обеспечивает поддержание сложившихся биогеоценозов
Земли, что является залогом благополучия биосферы. Однако эта
роль почвы изучена еще недостаточно, что не позволяет дать ее
общую объективную характеристику. Можно выделить лишь некоторые формы проявления буферной функции почв:
- способность почвы нивелировать колебания входных потов вещества и энергии (температура, влажность, кислотность,
катионы и анионы и т. д.);
- защита от механического разрушения (способность противостоять водной и ветровой эрозии);
- восстановление нарушенных биоценозов за счет запаса семян и других зачатков жизни в почве;
- наиболее интегральным проявлением буферности является
почвенное плодородие, которое определяется взаимодействием
всех свойств почвы и функций, перечисленных выше.
31
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3. Глобальные функции почв
3.1. Почва и литосфера
Возникновение почвы изменило в первую очередь верхний
слой литосферы – кору выветривания. Следует выделять несколько форм участия почв в преобразовании поверхностных
слоев Земли.
3.1.1. Биохимическое преобразование
верхнего слоя литосферы
В процессе трансформации коры выветривания почва принимает как косвенное, так и прямое участие.
Косвенная роль почвы заключается в том, что она является
основной средой обитания организмов суши. Без почвы живые
организмы и их метаболиты не представляли бы серьезного фактора в преобразовании лика Земли.
Непосредственное участие почвы в биохимическом преобразовании литосферы многопланово. Во-первых, почва – поставщик органических кислот специфической и неспецифической
природы (гумусовые кислоты и простые органические кислоты
соответственно). По В. В. Пономаревой, химическая сторона почвообразования представляется как процесс взаимодействия кислот органического происхождения с основаниями литосферы.
Наибольшим растворяющим действием на минералы обладают фульвокислоты (ФК). Их растворяющее действие в 3–4 раза
выше, чем соляной кислоты. Гуминовые кислоты (ГК) также
обладают значительными растворяющими свойствами, однако
их способность осаждаться кальцием приводит к снижению их
агрессивности по отношению к минералам. В целом гумусовые
кислоты (ФК и ГК) оказались более агрессивными по отношению
к минералам по сравнению с простыми органическими и неорганическими кислотами из-за длительности их воздействия.
Во-вторых, кроме кислот, при разложении органики образуется большое количество продуктов жизнедеятельности микроорганизмов. Особенно значительную роль этот процесс играет
на стадии первичного почвообразования, когда минеральных
32
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
веществ еще слишком мало для питания растений. Механизм
воздействия микроорганизмов на минералы может быть прямым
и косвенным. При прямом воздействии микроорганизмы либо
выделяют ферменты (из кристаллической решетки минералов
извлекаются элементы с переменной валентностью), либо слизь
(менее специфическое действие).
Косвенный путь связан с воздействием сильных химических
реагентов, образуемых микроорганизмами в процессе метаболизма. К таким веществам относят органические и минеральные
кислоты (лимонную, щавелевую, уксусную, масляную, азотную,
серную и др.); биогенные щелочи; хелатобразующие или комплексообразующие соединения, которые растворяют неорганические
вещества или удерживают различные компоненты в растворимой
форме (таким путем растворяются и предохраняются от осаждения многие металлические ионы – Fe, Ca, Mn, Zn, Mg, Co, Cu, что
создает условия для их вертикальной и горизонтальной миграции); восстановители – H2, H2S, CH4, участвующие в биогенном
образовании минералов.
Воздействие почвенных агентов на поверхность литосферы
приводит к следующим результатам:
- перевод законсервированного в кристаллических решетках
вещества в подвижное состояние (особенно высокой миграционной способностью обладают коллоидные и истинные растворы);
образование фонда лабильных соединений и элементов, создающего основу для существования круговоротов;
- резкое возрастание удельной поверхности массивнокристаллических пород, подвергнутых выветриванию (1 м3
горной породы имеет поверхность 6 м2, а 1 м3 суглинка – более
10 км2);
- синтез вторичных минералов в зоне гипергенеза; концентрация ряда соединений (новообразования кремнезема, гидроксидов
железа, минералов фосфора, марганца, легкорастворимых углекислых, сернокислых, хлористых солей, органо-минеральных
соединений, глинистых минералов);
- образование коры выветривания (связано с почвообразованием и является в значительной мере его следствием). Кора вы33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ветривания имеет мощность от 10 до 100 м в разных климатических зонах Земли, в ней приобретают подвижность и включаются
в циклы миграции различные элементы, кора выветривания служит источником минеральных элементов для биосферы.
3.1.2. Почва – защитный барьер литосферы
от чрезмерной эрозии
Поверхностные горизонты литосферы испытывают постоянное разрушающее действие различных агентов: вода, ветер, перепады температур, живые организмы, участвуя в преобразовании
литосферы, одновременно создают для нее защитный покров в
виде чехла осадочных пород и почв. На Земле осадочный чехол
практически сплошь покрывает кристаллический фундамент
земной коры, достигая на некоторых участках глубины 20 км.
В. И. Вернадский считал, что земная кора захватывает в пределах нескольких десятков километров ряд геологических оболочек, которые когда-то были на поверхности Земли биосферами.
Эти оболочки – биосфера, стратисфера, метаморфическая и гранитная оболочка. Почва вносит значительный вклад в эффект
сбалансированности развития литосферы. Практически во всех
случаях, когда происходит нарушение почвенного покрова, наблюдается и усиление эрозионных процессов на поверхности литосферы. Особенно этому способствуют массовая вырубка лесов
и распашка огромных площадей. По данным Л. Г. Бондарева, общая глобальная денудация составляет 23–25 млрд т в год, из них
антропогенная – 10 млрд т в год [5].
Для развития литосферы ускоренная эрозия ее поверхности
имеет ряд отрицательных последствий: подавляется химическое
выветривание, преобладающим становится механическое, из-за
этого снижается синтез вторичных энергоемких минералов. В конечном итоге эти процессы могут привести к снижению энергообмена Земли и непредсказуемым последствиям.
3.1.3. Почва – источник вещества
для образования пород и полезных ископаемых
Почвенная оболочка, покрывая литосферу Земли, оказывается важнейшим источником для формирования в ней минералов,
34
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
пород и полезных ископаемых. Вся осадочная и метаморфические оболочки образовались при участии вещества, прошедшего
в той или иной степени через процессы почвообразования. В фундаментальной работе Н. М. Страхова «Основы теории литогенеза» [37] указывается на то, что важнейшим условием образования
осадочных пород является мобилизация вещества на водосборах.
Основу мобилизации вещества составляет переход соединений,
законсервированных в кристаллических решетках, в подвижное состояние. Наиболее эффективно этот процесс осуществляется на территории с развитым почвенным покровом, особенно
в условиях достаточного увлажнения (в гумидном климате).
Наиболее отчетливо прослеживается участие почвообразования в формировании торфов и генетически связанным с ним
углеобразованием. Исследования показали, что вклад почвообразовательных процессов в торфонакопление очень велик. Почвы являются обязательным элементом торфообразования, наряду с климатическим (значительная атмосферная увлажненность)
и геоморфологическим (слабая дренированность) факторами. Почва может сама стимулировать заболачивание из-за изменения ее
свойств, при котором создаются предпосылки для накопления избыточных количеств влаги. Данный тип заболачивания называют
автохтонным, он широко распространен на обширных гумидных
территориях Западной Сибири. Почвы этих территорий в результате развития генетического профиля приобретают иллювиальные
прослойки и целые горизонты с пониженной влагоемкостью, что
запускает процесс торфонакопления. Органическое вещество в составе торфов накапливается из-за неполного распада растений при
обилии влаги, недостатке кислорода, низких температурах и давления за короткое время (4–12 тыс. лет). При углеобразовании
растительные остатки претерпевают воздействие более высокого
давления и температуры в течение многих миллионов лет.
Существует стадийность превращения торфа в различные
виды твердых горючих ископаемых: торф – бурый уголь – каменные угли – антрацит – шунгит – графит.
Есть основания говорить и об определенном значении почвенной оболочки Земли для формирования нефти и газа, на35
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ходящихся в «родственных» связях с углем. В химическом составе угля, нефти и природного газа много общего: преобладает
углерод, присутствуют водород, кислород, азот. Это именно те
элементы, которые являются основой жизни на Земле. Гипотеза
об органическом происхождении нефти и газа сейчас является
общепризнанной: рассеянное в осадочных толщах органическое
вещество в результате десорбции и концентрации образует нефтегазовые залежи.
В коре выветривания, тесно связанной с почвообразованием,
представлены многие месторождения полезных ископаемых, образовавшихся различными путями:
- в результате высвобождения из горных пород (золото, платина, серебро, титанистый железняк, гранат, алмаз и др.);
- в результате накопления вторичных минералов (каолины,
охра, бентониты);
- при выпадении осадка из насыщенных растворов (галит –
каменная соль).
Особенно значительные рудные месторождения формируются в условиях влажного тропического климата, где в корах выветривания возникает латеритный тип бокситов и железных руд.
В латеритной коре выветривания современных тропиков мощность бокситового горизонта может достигать 10–15 м.
3.1.4. Передача аккумулированной солнечной энергии
и вещества атмосферы в недра Земли
В. И. Вернадский высказал гипотезу о том, что гранитная оболочка Земли – это метаморфизированная и переплавленная бывшая
биосфера суши. Подтверждением этому служат высокие запасы
энергии гранитных пород и минералов зоны гипергенеза по сравнению с базальтами. При опускании земной коры эта энергия расходуется на внутриземные процессы, а кристаллическая решетка
теряет энергию и перестраивается в атомные структуры с меньшей
энергией. Этот энергетический источник является важной составной частью в энергетике Земли, наряду с другими видами энергии,
например радиоактивным распадом элементов.
Почва также участвует в передаче вещества атмосферы в недра Земли: при почвообразовании происходит поглощение газов,
36
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
а они в составе почвенных соединений попадают в осадочные породы. Так, с органическим веществом поступают дополнительные количества кислорода в составе оксидов железа, марганца,
серы; в глубинах Земли они восстанавливаются, освобождая кислород. Те же механизмы транспортировки в недра Земли характерны и для азота. Б. Б. Полынов подчеркивал важную роль почв
в фиксации атмосферного азота и его глобальном круговороте.
Особое значение имеет связывание растительно-почвенным
покровом диоксида углерода и его последующая аккумуляция
в осадочной оболочке Земли, достигающая колоссальных величин. В отложениях фанерозоя органического углерода накоплено
9 1021 г, карбонатного углерода в несколько раз больше. При формировании органического осадочного вещества Земли аккумуляция атмосферного диоксида углерода имеет принципиальное
значение для поддержания геологической активности планеты.
Это связано с механизмом стимуляции внутриземных эндогенных процессов за счет передачи гипергенного вещества, богатого
энергией, в глубокие слои. А. Б. Ронов сформулировал геохимический принцип сохранения жизни, отражающий зависимость проявлений живого от динамики литосферы. Жизнь на Земле и других
планетах, при прочих равных условиях, возможна до тех пор, пока
эти планеты активны и происходит обмен энергией и веществом
между их недрами и поверхностью. Энергетическая смерть планеты неизбежно должна привести к прекращению жизни на ней.
3.2. Почва и гидросфера
Гидросфера Земли образована Мировым океаном и акваториями суши. На долю океана и морей приходится 96 % водных
запасов, другие ее виды занимают незначительную часть от общих запасов, но являются более подвижными и постоянно возобновляемыми. Особенно это относится к воде атмосферы и почв.
Почва является важным звеном в круговороте воды, которое длительное время недооценивалось. Почвенные растворы,
по словам В. И. Вернадского, являются «основным субстратом
жизни». Сейчас считается, что почва является вторым по значению гидрологическим фактором после климата. Она играет роль
37
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
посредника между климатом и речным и подземным стоками, ни
одно явление водного баланса не минует почву.
3.2.1. Участие почвы в формировании речного стока
и водного баланса
В осуществлении данной функции первостепенное значение имеют водно-физические свойства почвы. Почва определяет
соотношение грунтового и поверхностного питания рек: от нее
зависит, какая часть атмосферных осадков поступит с водоразделов в реки в виде поверхностных загрязненных стоков, а какая – в виде более чистых грунтовых. От характера стока зависит равномерность питания рек и степень их загрязнения. Если
почва обладает хорошей водопроницаемостью, а подстилающие
породы рыхлые и трещиноватые, легко аккумулирующие влагу,
то создаются условия для равномерного питания рек. Если впитывающая способность почв слабая, то создается поверхностный
сток, а это вызывает ряд отрицательных последствий: длительные паводки весной, пересыхание рек в засухи, активизация эрозии, низкий запас влаги в почве.
Влияние почв на водный баланс и структуру стока зависят
как от генетических особенностей почв в целом, так и от отдельных почвенных свойств. Выявлены существенные различия в поверхностном стоке почв разных генетических типов. Наименьший поверхностный сток отмечается на типичных черноземах,
т. к. они обладают наибольшей водопроницаемостью. На север
и юг от зоны типичных черноземов поверхностный сток возрастает. На структуру стока влияет характер растительности и такие
почвенные свойства, как механический состав и режим промерзания. В лесу поверхностный сток мал и дождевые и снеговые
воды хорошо впитываются почвой; в поле – сильно возрастает,
особенно если земля не занята посевами. На суглинистых почвах
поверхностный сток больше, чем на песчаных. Промерзание
почв сильно снижает фильтрацию из-за закупорки почв льдом,
поэтому в условиях вечной мерзлоты так часто происходит формирование заболоченных участков и болотных почв.
Почва принимает непосредственное участие в формировании водного баланса Земли. Почвенное звено в значительной
38
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
мере определяет процессы испарения с поверхности суши, общий вклад континентального испарения относительно невелик
(13,8 %), но эта влага способствует образованию осадков за счет
местных вод суши и контролирует многие функциональные механизмы наземных экосистем.
Современные исследования показывают, что в водном балансе Земли наметилась тенденция к увеличению объема воды
в океане и сокращению ее запасов на суше. Несколько смягчает
эту диспропорцию создание водохранилищ.
Сейчас изменение водного баланса в значительной степени
связано с человеческой деятельностью: возрастает водопотребление (особенно на нужды сельского хозяйства), это приводит
к увеличению испарения с поверхности суши. При этом почвенное звено оказывается одним из центральных в антропогенных
системах водопотребления. Для оптимизации водного баланса
в агроценозах выработан ряд приемов: зяблевая вспашка (уменьшает поверхностный сток), создание лесополос, обваловка полей
(снегозадержание), террасирование склонов.
От почвы зависит и баланс подземных вод: инфильтрационных, седиментационных (образуются при отложении морских
осадков), возрожденных (образуются в земной коре под действием высоких температур на минералы, содержащие химически
связанную воду) и магматических. Зависимость от почв обусловлена тем, что большая часть минералов, богатых водой, образуется в зоне гипергенеза при почвообразовании и только потом
попадает в слои земной коры, где происходит ее потеря. Так,
каждая тонна гипса (CaSO4 2H2O) при 80–90оС, наблюдающейся
на глубине 2–3 км, отдает 210 кг воды.
3.2.2. Трансформация почвой атмосферных осадков
в почвенно-грунтовые и грунтовые воды
К грунтовым водам относят подземные воды, расположенные ниже почвенной толщи, дренируемые реками или вскрываемые эрозионной сетью. Если зеркало вод постоянно или временно располагается в пределах почвенного профиля, то их можно
выделить в категорию почвенно-грунтовых вод, ниже они будут
рассмотрены совместно с грунтовыми.
39
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В формировании грунтовых вод принимают участие конденсационные воды и осадки, фильтрующиеся через почвенную толщу (инфильтрация). Состав осадков при прохождении их через
почву постепенно меняется и во многом зависит от конкретных
свойств почвы: реакции почвенной среды, ее газового состава,
скорости просачивания вод, генетических свойств почв, унаследованных от материнской породы. Поэтому можно утверждать,
что почвой контролируются все основные составляющие механизма образования грунтовых вод. Кроме почвенного звена,
в формировании грунтовых вод участвуют климат и рельеф, в современную эпоху – человек.
Фильтрующиеся через почвенную толщу атмосферные осадки постепенно меняют свой состав и связывают такие разные
воды, как дождевую (кислородно-азотную, пресную), воды почвенного раствора и речные (кислородно-азотно-углекислые,
пресные) и морскую (кислородно-азотно-углекислую, соленую).
В настоящее время в связи со значительным загрязнением атмосферы кислотность атмосферных осадков уменьшается
от 5,6 до 3,0. При этом усиливается вымывание кальция, магния
и калия, активизируются железо, алюминий и марганец, связывается фосфор. Это заметно снижает почвенное плодородие,
заставляя вносить минеральные удобрения. Удобрения, в свою
очередь, меняют состав грунтовых вод, и появляется проблема
защиты подземных вод от сельскохозяйственного загрязнения.
3.2.3. Почва как фактор биопродуктивности водоемов
Эта функция связана с рассмотренными выше и является
их логическим следствием: почвы определяют химический состав поверхностных и грунтовых вод суши, из почв в водоемы
поступают основные биогены (макро-, микроэлементы и гумус).
Соединения, поступившие с континентов в конечные водоемы
стока, активно вовлекаются в продукционный процесс водных
экосистем и их биохимические циклы. Так, только воды Невы
приносят в Балтийское море ежегодно около 2 млн т растворенного органического вещества. Ежегодный ионный речной сток
в Мировой океан, формирующийся при существенном участии
40
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
почвенных соединений, составляет 3,1 109 т солей и составляет
примерно 63 % общего годового поступления ионов в океан [5].
По подсчетам Б. Б. Полынова, до 95 % кальция, 50 % магния
и 30 % калия, образующихся при выветривании первичных пород на водоразделах и попадающих в моря и океаны, извлекаются из растворов главным образом живыми организмами [10].
Подводные осадки океанов включают значительную долю углекислого кальция, который входит в состав панцирей и раковин
морских животных, которыми потом слагаются мощные толщи
субаквальных отложений. Не случайно именно в области контакта морских и речных вод, приносящих мобилизованные на водоразделах элементы, обособляются зоны высокой биологической
продуктивности акваторий (устья рек, особенно крупных, являются местами «сгущения жизни»).
На суше ландшафтами наивысшей плотности жизни оказываются поймы рек, которые условно можно назвать «земноводными»
ландшафтами. Именно на поймах частично оседают соединения,
поступившие из водораздельных почв на пути их миграции в моря.
В умеренном поясе на заливных лугах объем биологического круговорота может составлять более 1000 кг/га. Одновременно поймы рек Русской равнины выступают как ландшафты, обладающие
наибольшим биологическим разнообразием.
В регионах интенсивного антропогенного воздействия современные почвы иначе влияют на продукционный процесс в водоемах. Техногенное и сельскохозяйственное загрязнение почв
формирует потоки, обогащенные биогенами, в первую очередь
фосфором, азотом и органическим углеродом, вызывающими эвтрофирование водоемов.
3.2.4. Почва – защитный барьер для акваторий
Почва, благодаря своей огромной активной поверхности, может поглощать многие вредные соединения на пути их миграции
в водные экосистемы. В почве происходит сорбция избытка биофильных элементов и предотвращается эвтрофикация водоемов,
связываются токсические соединения. Эта функция очень важна,
т. к. тяжелые металлы и радиоактивные изотопы из водной среды
поглощаются организмами активнее, чем из почвы. Коэффициен41
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ты накопления радиоизотопов у пресноводных растений достигают десятков тысяч, а у наземных – единицы. Такое резкое снижение поступления элементов из почв в растения наглядно подтверждает барьерную роль почвы на пути техногенных потоков.
Загрязняющие вещества сохраняются в почве длительное время
(до сотен лет), особенно при непромывном водном режиме.
Но сорбционные способности почвы не беспредельны, и при
интенсивной антропогенной нагрузке почва часто не справляется с избытком биофильных элементов и агрохимикатов. Избыток
биофильных элементов в водоемах (эвтрофикация) сопровождается их окислением, возникает дефицит кислорода, наблюдаются
избыточное минеральное питание водорослей и микроорганизмов, денитрификация, десульфирование с образованием сероводорода, метана, этилена, гибель рыбы и других обитателей водоемов, заболевания людей и животных при потреблении ими
загрязненной воды.
Почвы, загрязненные агрохимикатами, становятся непригодными. Особенно страдают от загрязнения пойменные земли.
На сорбционных пойменных барьерах может в десятки раз увеличиваться содержание канцерогенов и тяжелых металлов (например, свинец в гидроморфных условиях), а их пребывание в  почве
нередко очень продолжительно – от нескольких лет до столетий,
особенно при непромывном водном режиме.
Сорбционный эффект проявляется не у всех почв. Он заметно снижен у почв, сформированных на кристаллических породах.
Кроме того, существуют загрязнители, которые практически не
сорбируются мелкоземом, например нитриты. Почвенный защитный барьер недостаточно эффективно срабатывает и в зонах
постоянной интенсивной нагрузки на ландшафт. Прежде всего,
это относится к районам широкого использования минеральных
удобрений, где верхние водоносные горизонты оказываются загрязнены соединениями азота, фосфора, калия.
42
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3.3. Почва и атмосфера
3.3.1. Почва как фактор формирования, эволюции
и регулятор газового состава атмосферы
Среди атмосферных функций почвы особо выделяется ее влияние на формирование газового состава атмосферы. Она проявляется
в двух главных формах – опосредованном и прямом воздействии
почвы на состав атмосферных газов. Опосредованное воздействие
определяется зависимостью функционирования наземных биоценозов, контролирующих многие параметры атмосферы (содержание
О2, СО2, микрогазов и др.), зависит от свойств почвы; прямое заключено в самом газообмене между почвой и атмосферой.
Долгое время считалось, что ощутимое воздействие организмов на состав атмосферы выражалось в фотосинтетической
деятельности в начале одноклеточных организмов Мирового
океана, а затем растительного покрова суши. В настоящее время
признается, что вся геологическая история тесно переплетена с
историей жизни на Земле. Существенное воздействие почв и процесса почвообразования на состав атмосферы началось намного
раньше возникновения высшей растительности на суше.
В настоящее время в истории формирования атмосферы Земли выделяют три этапа [7]. Первый приурочен к началу докембрия, когда существовала первичная атмосфера и стала формироваться вторичная воздушная оболочка. По современным представлениям первичная атмосфера сформировалась из первичного
газово-пылевого облака. Вторичная атмосфера возникла из газов,
попавших в нее при дегазации верхней мантии и земной коры.
Она состояла в основном из углекислого газа и паров воды, небольшого количества азота и водорода. В истории вторичной
атмосферы выделяют бескислородный и кислородный периоды
(начался 2 млрд лет назад). Переход к кислородной атмосфере
связан с появлением и широким распространением автотрофных
организмов (оксифотобактерий). Г. А. Заварзин подчеркивает [8,
24], что кислородная атмосфера была сформирована до появления высшей наземной растительности. Второй этап включает
основную часть докембрия – до начала фанерозоя. По-видимому,
43
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
именно в это время проходило становление кислородной атмосферы. Третий этап относится к фанерозою – от кембрия до четвертичного периода включительно. Последний этап в развитии
атмосферы связан с формированием континентальной биосферы
и появления в ней сложноорганизованных биогеоценозов и почв.
Газовый состав современной атмосферы не находится в стабильном состоянии, он пребывает в состоянии непрерывного
пространственно-временного изменения, особенно в нижних
слоях тропосферы. Долгое время считали, что биогенное воздействие на атмосферу связано с растительностью суши и океана.
Но в последнее время все больше исследователей подтверждают
положение В. И. Вернадского о существенном воздействии почвы на состав атмосферы. Это воздействие многообразно, и далеко не все стороны этого сложного явления до конца выяснены.
Остановимся на наиболее очевидных и исследованных аспектах
влияния почвенных свойств и процессов на состав атмосферы.
Пористость почвы является важнейшим свойством, влияющим на газообмен: количество пор в почве составляет 10–60 %
объема. Благодаря расположению почвы на стыке с атмосферой,
пористому сложению и активному продуцированию газов почвенной биотой газообмен между воздухом и почвой происходит
интенсивно (воздух полностью обновляется в верхнем 20-сантиметровом слое почвы от нескольких часов до часа). Скорость газообмена существенно зависит от температуры и влажности почвы и воздуха, интенсивности ветра, меняясь в тысячи раз.
Состав почвенного воздуха существенно отличается от атмосферного, особенно по таким макрогазам, как углекислый газ
и кислород: СО2 в почвенном воздухе в 10–100 раз больше, а О2
– в насколько раз меньше, чем в атмосферном. Колебания содержания этих газов в почвенном воздухе почти на 100 % определяются микроорганизмами. Кроме того, в результате деятельности бактерий в атмосферу поступает метан, сероводород, закись
азота. Ландшафты Земли существенно различаются по составу
и объему выделяемых газов: торфяно-глеевые почвы тундры
выделяют около 0,3 т/га, а степные черноземы – 40–70 т/га СО2
в год. Существенны и сезонные колебания состава почвенного
44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
воздуха, которые, в конечном счете, влияют на внутригодичную
изменчивость концентрации газов в атмосфере [28].
Антропогенное загрязнение атмосферы меняет ее газовый
состав, а почва выступает как истинный регулятор, поглощая
часть газообразных примесей. Установлено, что почвы, особенно лесные, активно участвуют в поглощении оксида углерода,
в огромных объемах выделяемого промышленностью и транспортом. Поглощаются почвой также диоксид серы, сероводород,
этилен, углеводороды и органические газы.
3.3.2. Почва как источник твердого вещества
и микроорганизмов, поступающих в атмосферу
Значение поступления в атмосферу твердого вещества почв
и коры выветривания весьма велико для биосферы и еще не вполне оценено. Из почвы в атмосферу в результате развевания поступают: мелкозем, соли с поверхности солончаков и почвенные
микроорганизмы.
Ветровая эрозия, существенно усиливающаяся при антропогенном вмешательстве, поднимает с поверхности почвы огромное количество тонкодисперсного материала, особенно во время
пыльных бурь. Попадающие в атмосферу частицы почвенного
мелкозема оказывают разнообразное действие на происходящие
в ней процессы: сильно снижается приток солнечной радиации
к поверхности земли, ухудшается качество воздуха, увеличивается вероятность выпадения дождя. Ветровая эрозия усугубляет
и общую эродированность почв, ухудшает качество жизни: выдувается плодородный слой почвы, переносимым мелкоземом
засыпаются поселения, водоемы, снижается фотосинтетическая
активность растительного покрова.
Особый интерес представляет проблема поступления в атмосферу микроорганизмов, основным источником которых служат почвы, а также брызги водной глади океанов и поверхность
растений. Микроорганизмы поднимаются на значительную высоту – до 3 км, и переносятся на огромные расстояния – до нескольких тысяч км. Из-за такого переноса фактор географической изоляции для микроорганизмов не имеет значения.
45
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3.3.3. Влияние почвы на энергетический режим
и влагооборот атмосферы
Воздействие почвенного покрова на тепловой режим атмосферы определяется, прежде всего, поглощением и отражением солнечной радиации. Установлено, что почвы в разных климатических
поясах и в разные сезоны обладают неодинаковой способностью поглощать лучистую энергию солнца. Теплопоглотительная способность (альбедо) зависит от цвета почвы, ее влажности, структуры,
рельефа и растительности. Чем меньше альбедо, тем больше солнечной радиации поглощает почва. Антропогенное вмешательство
сильно меняет все перечисленные параметры и становится основным фактором в изменении радиационного баланса земной поверхности. Особенно сильно меняет альбедо массовая распашка территорий, сведение лесов, эрозионные процессы, опустынивание.
Многократный оборот водяного пара долгое время считался
решающим фактором обеспечения суши влагой. Сейчас показано, что осадки за счет местного испарения на европейской территории России составляют не более 12 %, остальное формируется
за счет испарения с поверхности океана. Однако местный влагоперенос сильно влияет на относительную влажность воздуха,
а именно она определяет общее количество осадков. Так, при относительной влажности воздуха 40 % осадки незначительны, при
возрастании ее до 50 % и более количество осадков быстро возрастает. Кроме того, значение осадков местного испарения велико и потому, что они могут предотвращать губительное действие
засух или существенно ослаблять их влияние.
Роль почв в формировании влагооборота довольно существенна, т. к. она способствует увеличению количества водяного пара, выравнивая процесс влагообеспечения ландшафтов. Это
имеет немаловажное значение, поскольку влагоперенос с океана
на сушу подвержен частым перебоям и резким колебаниям.
Интенсивное использование почвенного покрова, приводящее
к нарушению экосистем суши, вызвало аридизацию многих ее участков и учащение резких колебаний климата. В частности, участились
экстремальные явления в воздушной оболочке: засухи, пыльные
бури, резкое понижение температур зимой, ливни и наводнения.
46
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4. Естественная и антропогенная динамика
почвенных свойств
4.1. Изменчивость факторов почвообразования
Рассмотрение почвы как среды обитания живых организмов
предполагает изучение конкретных почвенных свойств, влияющих на биоту. Если бы почва не была открытой динамичной
системой, эта задача была бы довольно простой. Однако это не
так. Почва – результат воздействия пяти основных факторов почвообразования на горную породу и дневную поверхность Земли. Факторы уже сами по себе изменчивы, их динамика обусловлена астрономическими параметрами: вращением Земли вокруг
своей оси, Земли вокруг Солнца, изменением орбиты Солнца
в Галактике. Продолжительность этих астрономических явлений
и их циклов определяет продолжительность соответствующих
динамических изменений в почвах (суточные, сезонные, многолетние, столетние, тысячелетние, миллионолетние) [10]. А это,
в свою очередь, предполагает изменчивость формируемых этими
факторами почвенных свойств. Поэтому, изучая свойства почв,
невозможно обойти вопрос об их динамике. Важен и другой
аспект данной проблемы. Рассматривая изменчивость почвенных свойств, следует выяснить вопрос, который стал особенно
острым в связи с техногенезом: что для почвы является нормой,
а что патологией (какой разброс внутри данного свойства или
всей совокупности свойств лежит внутри нормального функционирования почвы, а что ведет к необратимым изменениям).
Традиционно почвенные свойства делят на внешние, или
морфологические, и внутренние. К внешним почвенным свойствам относятся строение почвенного профиля, цвет горизонтов,
гранулометрический состав, агрегированность, порозность, наличие новообразований и включений. Внутренними почвенными свойствами являются ее физические, химические и физикохимические свойства. Все перечисленные свойства динамичны,
при этом их изменчивость имеет разную направленность. Одни
являются обратимыми в своих изменениях, их можно вернуть
к исходному состоянию. Другие цикличны; третьи кажутся ци47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
клическими, но при каждом цикле накапливаются определенные
отклонения от исходной величины (ложноциклические). Четвертый вид процессов – необратимые или трендовые.
Каждое почвенное свойство обладает собственными, только
ему присущими особенностями (обратимость, цикличность или
необратимость), и, кроме того, зависит от действия факторов почвообразования, тоже динамичных.
Начнем с рассмотрения влияния на почвенные свойства особенностей почвообразующей породы. В качестве примера возьмем первичное почвообразование на горной породе, при котором
можно выделить как циклические, так и трендовые процессы.
Плотная кристаллическая горная порода долго сопротивляется
воздействию внешних факторов, и ее разрушение может длиться тысячелетиями. Но после того как целостность породы нарушается, процесс уже характеризуется обратной положительной
связью – раздробленная порода все быстрее изменяется под воздействием внешних факторов, и чем больше изменяется, тем быстрее протекают последующие процессы. Изменения затрагивают минералогический и химический состав, формируется также
гранулометрический состав. Часть минералов исчезает, часть
трансформируется. Изменение породы представляет собой трендовое явление, оно необратимо.
Как только на породе образуется почва, наступает фаза «педолиза»: под действием почвы идет еще более быстрая трансформация вещественного состава породы. С появлением растительности ряд процессов приобретает циклический характер:
воздействие продуктов метаболизма живых организмов на минералы зависит от времени года, суточных колебаний активности;
образование гумуса также циклично.
В то же время образовавшаяся почва характеризуется обратной отрицательной связью по отношению к внешним факторам
– она сопротивляется воздействию, сохраняя свои свойства и общий уровень плодородия. Эти буферные свойства почвы унаследованы ею от породы и определяются в значительной степени ее
минералогическим составом. С этой точки зрения процесс трансформации минералов, входящих в почву, становится обратимым:
48
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
разрушившиеся вторичные минералы могут заменяться теми
же вторичными, возникшими при почвообразовании. Основная
трудность в оценке направления в изменениях почвообразующих
пород связана со сложностью минералогического состава почв.
Влияние климата на почву еще более многозначно. Для климатических параметров свойственны суточные, годовые и вековые циклы. Каждый цикл приводит к изменениям почвенных
свойств, но в зависимости от характера этого свойства изменение
может быть циклическим или трендовым. Примерами циклических изменений могут быть суточные колебания температуры,
влияющие на потребление воды растениями, скорость диффузии
веществ в почве, биологическую активность почв. Сезонные изменения климата определяют развитие растений и влияют на водный, газовый, питательный режимы. Поступление и разложение
опада прямо ведет к подкислению или подщелачиванию почв,
также сильно влияет и цикл иссушения – увлажнения.
Многолетние изменения климатических параметров отмечались многими исследователями. Начиная с А. Л. Чижевского ряд
авторов выделяет периодические колебания климата, связанные
с одиннадцатилетними циклами активности Солнца. Для многих
видов организмов установлены циклы изменения численности
и биологической активности с той же периодичностью. Такие
же закономерности позднее были установлены не только для отдельных видов, но для целых парцелл и биогеоценозов.
Вековые и многовековые изменения климата также отмечались неоднократно [1]. Голоцен (12–14 тыс. лет) характеризуется
многочисленными сменами климатических условий на больших
территориях: после таяния ледника происходили колебания климата с периодичностью в 2,5 тыс. лет (в ближайшем прошлом это
так называемый малый ледниковый период с 1400 по 1700 гг.).
За последние 500 тыс. лет оледенения отмечались в среднем
через 100 тыс. лет (440–340–270–150–30 тыс. лет назад). Полагают, что стотысячным циклом руководит «космический дирижер», определяющий ряд параметров орбиты Земли.
Биота, являясь компонентом биогеоценоза, тоже подвержена
определенным изменениям, связанным как с климатическим фак49
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
тором, так и со свойствами самих живых организмов. Ведущим
биосферным процессом следует считать трендовый направленный
процесс эволюции живых организмов, а вместе с ними и эволюцию биогеоценозов (БГЦ). Влияние биоты существует не только
в огромном временном интервале, оно важно и в короткие промежутки времени в данной локальной точке почвенного покрова.
Примером этому служат локальные сукцессии, при которых возникают циклические изменения почвенных свойств с конечным
возвращением к исходному состоянию. На почву влияет не только
фитоценоз, но и отдельное растение, т. к. оно имеет свои особенности потребления воды и питательных веществ. Поэтому в каждой
точке парцеллы под индивидуальным растением будут отмечаться
свои вариации в динамике влажности, питательных веществ и рН.
Таким образом, биота и, особенно растения, влияют как на вековую изменчивость почв, так и на динамику свойств в течение жизни растения. Это влияние можно объяснить влиянием фитогенного поля растения. Под фитогенным полем подразумевается сфера влияния данного растения на экосистему, размер фитогенного
поля зависит от размера растения. В связи с этим в лесу динамика
свойств почвы более выражена, чем на лугу.
Рельеф как фактор почвообразования тоже обладает определенной динамичностью. Рельеф влияет на перераспределение
влияния других факторов – почвообразующей породы, климата и биоты. Кроме того, рельеф сам развивается и изменяется.
В отношении форм макро- и мезорельефа изучены циклы эрозии, которые приводят к нивелированию, сглаживанию рельефа.
Этот процесс является необратимым, т. е. трендовым. Но в ходе
эволюции земной коры есть и процессы, затрагивающие рельеф,
которые усложняют его: это тектонические и карстовые процессы. Циклы этих процессов длительны, они измеряются тысячами
и миллионами лет. Макрорельеф практически никогда не восстанавливается в исходном виде (только в аналогичном), особенно
это касается эрозионных циклов, длительностью в миллионы лет.
Микро- и нанорельеф более динамичны, т. к. связаны с динамичностью биогеоценозов. Микрорельеф создается деятельностью норных животных, землероев, ветровальными процессами.
50
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Именно развитие микрорельефа по-настоящему циклично. Так,
выброс крота превращается в почву через 20 лет, а вывалы деревьев сравниваются с почвой через 200 лет.
В последующих разделах будет рассмотрена динамика всех
почвенных свойств – как внешних, так и внутренних. В начале
каждого из разделов, посвященных вопросам динамики, будет
освещена изменчивость той или иной группы свойств под влиянием природных (естественных) факторов, а затем раскрыта их
антропогенная динамика.
4.2. Природная и антропогенная динамика
морфологических свойств почвы
Морфологические свойства почв – это ее внешний облик,
обусловленный сменой горизонтов. Система морфологических
показателей почв опирается на визуальный анализ почвенного
профиля. Основные морфологические признаки могут трансформироваться под влиянием следующих природных причин.
Строение профиля – это его внешний облик, обусловленный
сменой горизонтов. Ход генетических горизонтов соответствует
типу почвообразования. Естественных причин нарушений строения профиля несколько. Во-первых, такой причиной может быть
перемешивание почвы при вывале деревьев, вынос материала из
нижних горизонтов землероями и т. п. Это перемешивание сопряжено с эволюцией профиля и формированием серии горизонтов. Дальнейшая эволюция вывалов требует разных сроков, зависящих от степени вмешательства в почвенный профиль.
Во-вторых, причиной изменения в строении почв может
быть смена биогеоценоза. В этом случае меняются многие морфологические признаки (цвет, структура, мощность горизонтов), могут появляться новые горизонты. Так, при смене леса
суходольным лугом проявляется горизонт Ад, уменьшается горизонт А2, увеличивается А2В. Для полного формирования нового почвенного профиля в условиях южной тайги в среднем
требуется от 600 до 1000 лет [11].
Мощность горизонтов – может меняться как в многолетнем,
так и в годовом циклах. В первую очередь это относится к лес51
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ной подстилке. Весной и в начале лета ее мощность значительно
больше, чем в августе или начале сентября (до нового осеннего листопада). Разница обычно достигает 1–2 см, а по запасам
она равна массе опада. Если отмечается постоянная убыль или
прибыль в массе подстилки, то следует говорить о трендовом изменении этого органогенного горизонта. Но у лесной подстилки есть также и многолетнее циклическое изменение, связанное
с возрастом лесного биогеоценоза. Она достигает максимума
в приспевающих древостоях, а в начальной и конечной стадии
развития парцеллы она минимальна. Подстилка – единственный
морфологический горизонт, который может изменять свою мощность в течение сезона, вплоть до полного исчезновения. Другие
морфологические горизонты почв в течение года не меняют свою
мощность или изменяют ее очень незначительно, в связи с набуханием и усадкой почв в цикле увлажнения – иссушения. Последнее относится к тяжело суглинистым горизонтам в районах,
контрастных по водному режиму.
Цвет – признак, который в сухом состоянии стабилен, а во
влажном очень быстро меняется. Из-за связи цвета с увлажнением при его описании всегда учитывается влажность. Цвет,
указывая на присутствие в горизонте тех или иных соединений,
является важным диагностическим признаком. Так, при сильном
увлажнении, когда часть профиля временно представляет собой
застойный гидрологический горизонт, может измениться не только выраженность цвета, но и сам цвет, и другие свойства почвы.
В застойном горизонте через некоторое время могут появиться
голубоватые, белесоватые, сизые тона, которые обычно являются
признаком оглеения. В гумусовом темно-сером горизонте оглеение проявляется лишь сизоватым оттенком, что характерно для
луговых и дерново-луговых почв. Сухой период может привести
к полному исчезновению названных тонов.
Итак, цвет почвы – очень динамичный признак, он заметно
меняется в течение сезона во многих почвах. Высушивание образца до воздушно-сухого состояния даже при хранении в лаборатории может существенно изменить цвет почвы. Стандартом
при характеристике цвета следует считать индекс цвета по Ман52
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
селлу для воздушно-сухой почвы, который следует давать при
конечном описании почв.
Механический состав – это относительное содержание
в почве частиц разной крупности. Поскольку механический состав, по сути, являясь внутренним (физическим) свойством почвы, распознается и по внешним (морфологическим) признакам
и в значительной мере формирует другие внешние почвенные
свойства – структуру и сложение, то все три перечисленные признака одновременно рассматривают как среди морфологических,
так и среди физических свойств почвы. Особенности динамики
механического состава почвы, так же как и двух других признаков – структуры и сложения, рассматриваются в данном курсе
в разделе «Динамика физических свойств почвы».
Структура – совокупность агрегатов или структурных отдельностей разной величины, формы, пористости и прочности.
Структура почвенных горизонтов может меняться в соответствии
с изменением почвообразовательного процесса (например, смена
БГЦ). Более подробно об изменчивости структуры будет сказано
в разделе «Динамика физических свойств почвы».
Сложение – внешнее выражение плотности и пористости
почв. Динамика плотности связана с механическим составом
и структурой почвы и обсуждается в разделе «Изменение физических свойств почвы».
В целом морфологические свойства почв достаточно динамичны (за исключением гранулометрического состава), однако
скорость формирования каждого из них сильно разнится. Оценка
скорости формирования некоторых морфологических почвенных
свойств приведена в табл. 1.
Итак, морфологические свойства почвы изменяются в течение жизни биогеоценов при их сукцессии, смене парцелл, а также
при механическом перемешивании почвенной массы. Они отражают изменения на уровне физических и химических свойств,
поэтому при изменении морфологических свойств следует ожидать существенной динамики и сопряженных с ними физических
и химических свойств, как в пределах одной экосистемы, так
и почвенного покрова и ландшафта.
53
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 1
Оценка скорости формирования некоторых морфологических
свойств почвы [10]
Период
сохранения
остаточных
следов
Время
возникновения
сутки
минуты
минуты,
сезон
тысячелетия
минуты
(насыщения),
годы-тысячелетия
сутки, сезон
столетия
годы-тысячелетия
сезон
десятилетия
сезон-годы
годы,
десятилетия
столетия
годы, столетия
сезон
десятилетия
годы, столетия
сезон
десятилетия
сезон, годы
сутки
столетия,
тысячелетия
сезон-столетия
сезон
сезон
сутки
Морфологическое
свойство
Период
заметного
изменения
влажность
минуты,
часы
цвет
структура
мощность
горизонта А1
мощность
других горизонтов
новообразования
(ортштейны)
распространение
корней
магистральные
трещины
рыхлость
сложения
Антропогенное вмешательство наиболее значимо меняет морфологические свойства в почвах сельхозугодий и городов. Пахота затрагивает верхние 20–30 см почвенного профиля
и приводит к появлению перемешанного горизонта Апах, отличающегося по цвету и структуре от аккумулятивного горизонта фоновых почв, появляется подпахотный горизонт. Строение
верхней части профиля упрощается: нередко в состав Апах оказываются включены и горизонты А1А2 серых лесных почв или А2
дерново-подзолистых.
В городских почвах морфологические свойства меняются еще
более радикально: появляются новые (урбик) или исчезают ранее
54
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
существовавшие (А0, А2) горизонты, меняется мощность и окраска исходных горизонтов, иногда естественные горизонты перемешиваются или полностью уничтожаются. В городских почвах отмечается большое количество антропогенных включений, скелетный материал представлен в основном строительным и бытовым
мусором. Профиль оказывается настолько трансформирован, что
для почв городов создана своя классификация, опирающаяся на
морфологические особенности, присущие только этим почвам [2].
4.3. Динамика физических свойств почвы
и ее влияние на почвенную биоту
4.3.1. Природная динамика физических свойств почвы
К физическим свойствам почв относят гранулометрический
(механический) состав, структуру, плотность почвы и ее удельную поверхность.
Гранулометрический состав является радикальным физическим свойством почвы, которое определяет и многие другие
физические и химические параметры почвы и сам процесс почвообразования. Механический состав в значительной мере унаследован от соответствующих почвообразующих пород, именно
порода определяет уровень содержания разных фракций.
Почвообразование на скальных породах приводит к их дроблению на механические элементы. Характер скальных пород
следующим образом определяет преобладающий размер продуктов выветривания. Кислые породы (граниты, гранодиориты, с содержанием SiO2 > 65 %) – дают при выветривании много крупнодисперсного песчаного материала, представленного кварцем.
Основные (диориты, габбро – SiO2 около 45–54 %) и суперосновные (известняки, мергели) породы обогащают почву тонкодисперсными глинистыми минералами. Поэтому частицы разной
крупности имеют различный минералогический и, следовательно, химический состав.
Часть механических элементов формируются при почвообразовании; это в основном органические, органо-минеральные
соединения и вторичные минералы, относящиеся к фракции илистых и коллоидных частиц. Устоявшейся точкой зрения является
55
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
представление, что главной причиной изменения механического
состава почв являются геологические процессы, изменения эти
идут медленно. В качестве гипотез обсуждаются еще три процесса, которые могут приводить к изменению механического состава почв: кислотное разрушение минералов (при оподзоливании);
перенос ила из верхних горизонтов в нижние (лессиваж); внутрипочвенное оглинивание (сиаллитизация).
Известно, что многие растения предпочитают те или иные
по гранулометрическому составу почвы: это связано как с особенностями их корневых систем, так и с потребностями в питательных элементах. Даже небольшие различия в механическом
составе могут быть причиной формирования сильно отличающихся по составу друг от друга растительных сообществ. Так,
сосна обыкновенная предпочитает легкие почвы и по песчаным
и супесчаным почвам заходит далеко в степную зону (ленточные
боры на Алтае), при этом она воспроизводится в этих условиях.
Ель выбирает суглинистые и глинистые почвы, она может расти
на таких почвах в условиях даже черноземной зоны, но воспроизведения в этих условиях не происходит. Предпочтение теми
или иными видами растений определенного механического состава почв позволили выделить растения-индикаторы по этому
параметру. Индикаторы песчаных почв – сосна обыкновенная
(Pinus silvestris), овсянница красная (Festuca rubra), армерия приморская (Armeria maritime), подмаренник настоящий (Gallium
verum), фиалка собачья (Viola canina), кошачья лапка двудомная
(Antennaria dioica). Индикаторы глинистых почв – мать-и-мачеха
обыкновенная (Tussilago farfara), молиния голубая (Molinia�����
cae����
rulea), осоки острая и дернистая (Carex acuta и C. caespitosa) [21].
Микроорганизмы почвы, включая и почвенные водоросли,
также очень сильно зависят от гранулометрического состава. Большая часть почвенной микрофлоры находится в адгезированном
состоянии на почвенных частицах. Адгезированность позволяет
микроорганизмам сохранять свою эконишу: не вымываться почвенными потоками воды и одновременно получать питательные
вещества из раствора и частиц, к которым прикреплены. Поэтому
количество микроорганизмов в почве очень сильно связано с ме56
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ханическим составом – с утяжелением мехсостава увеличивается
адгезия, а следовательно, и общее количество удерживаемых микроорганизмов. Однако прямой пропорциональной зависимости
этих параметров не отмечено, т. к. на адгезию влияют и другие
факторы, такие как количество гумуса, рН, характер поглощенных
катионов. Эксперименты показывают, что слабее всего микроорганизмы адгезируются на частицах размером от 50 до 100 мкм
и сильно на частицах от 2 до 50 мкм; не дают эффекта адгезии
частицы мельче 1,5 мкм (т. е. сравнимые с размером бактериальной клетки). Частицы меньше бактериальных клеток могут сами
адгезироваться на их поверхности, образуя чехлы из адсорбентов
[25]. Многие исследователи наблюдали отложения на поверхности
клеток коллоидных гидроксидов марганца и железа. То же явление
характерно для глинистых минералов, особенно из группы монтмориллонита, при этом образуются очень прочные агрегаты [9].
Гранулометрический состав почвы важен и для немикроскопических, хотя и мелких организмов: мелких клещей, ногохвосток,
жуков и их личинок. Поскольку для них почва как среда обитания
представлена сетью ходов и полостей, то важнейшим свойством
является порозность, зависящая от размеров механических элементов и их адгезированности. Те же свойства почв важны и для более
крупных животных – дождевых червей, личинок крупных жуков,
многоножек. Более крупные животные в большей степени зависят
от всей совокупности свойств почвы, чем обитатели микроскопических почвенных резервуаров (простейшие, коловратки) или обитатели ходов и полостей (клещи, ногохвостки).
В целом гранулометрический состав почв – достаточно консервативное, медленно меняющееся свойство. Быстрое изменение
мехсостава связано только с геологическими процессами: эрозией,
привносом материала, метасоматозом (замещением одной молекулы, атома или иона вещества на другие без изменения объема).
Структура (агрегированность) почвенных частиц напрямую
связана с механическим составом почвы, но уже имеет сезонные
колебания. Агрегированные почвы имеют высокую водопроницаемость, на них снижается поверхностный сток, они лучше противостоят эрозии. В агрегированных почвах создается запас влаги.
57
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Почвенная структура имеет определенную приуроченность к
почвенным типам и характеризует определенные процессы почвообразования. Так, плитчатая структура характерна для горизонта
А2 подзолистых и дерново-подзолистых почв и солодей; столбчатая – для горизонта В1 солонцов; ореховатая – для горизонта В
серых лесных почв; зернистая – для гумусо-аккумулятивных горизонтов черноземов. Гранулометрический состав ставит определенные запреты на развитие тех или иных типов структуры: в супесях и песчаных почвах не формируются ореховатые, зернистые,
столбчатые агрегаты; в тяжелосуглинистых и глинистых не встречаются плитчатые и чешуйчатые агрегаты.
В естественных ненарушенных почвах агрегатное состояние
достаточно устойчиво и распад агрегатов обычно наблюдается
только при застойном увлажнении. В почвах с контрастным водным режимом и тяжелым гранулометрическим составом (так
называемые слитоземы) весной почва представляет собой слитую неагрегированную массу. Летом почва растрескивается, образуя плотные блоки, осенью и зимой трещины снова заплывают.
В почвах агроценозов общее количество агрегатов колеблется в течение сезона, и их максимум приходится на июль-август.
Эти изменения следует считать циклическими с незначительными изменениями в течение сезона и ощутимыми в многолетних
циклах. Смена биогеоценоза, особенно катастрофическая, приводит к резкому изменению агрегатного состояния почвы, вплоть
до полной дезагрегации.
Механический состав и структура почвы влияют на ее плотность. Плотность почв определяет вертикальное движение воды
по профилю. При наличии верхнего разрыхленного слоя с высокой порозностью происходит заметное снижение испарения воды.
Тяжелые почвы могут обладать сравнительно низкой плотностью
(при хорошей агрегированности) или очень высокой (в слитых).
Разница в плотности очень сильно сказывается на всех почвенных
обитателях и, прежде всего, на растениях: почва по-разному осваивается корнями, меняется ее водопроницаемость, водный режим и
тепловые свойства. Суглинистая почва с низкой плотностью для
многих растений является оптимальным субстратом. Приведем не58
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
которые значения плотности почв, различных по механическому
составу (в г/см3): пески – 1,6–1,7; супеси – 1,4–1,6; суглинки неоструктуренные – 1,2–1,5, оструктуренные – 0,9; глины – 1,0–1,9.
Наблюдения за колебаниями плотности в естественных почвах показали, что эта величина колеблется и ее колебания определяются растительным составом сообществ. Под разными видами растений плотность почвы имеет различное значение. Так,
на дерново-подзолистой почве в сосняке лещиновом значения
плотности под различными растениями принимают следующие
значения (в г/см3) [10]: под снытью – 0,91, под кислицей – 0,89;
под ландышем – 0,68; под осокой – 0,98. Смена растений приводит к изменению плотности и порозности.
Меняется плотность и во времени: под одним растением она
меняется и в течение сезона, и по годам, т. е. это свойство является цикличным. Эта цикличность может быть связана с влиянием корней, их выделений, а также животных и микроорганизмов,
приуроченных к фитополю данного растения.
На плотность почв влияет также замерзание и оттаивание. Замерзшая вода частично расширяет поры, но эти поры заполнены
льдом, и реальная порозность почв в этом состоянии уменьшается. С этим явлением связана очень низкая водопроницаемость
мерзлых грунтов, фактически играющих роль водоупоров. Другие физические свойства почвы отличаются большей динамичностью по сравнению с мехсоставом.
Одно из важнейших физических свойств почвы – ее удельная
поверхность. Под удельной поверхностью понимают площадь
поверхности всех почвенных частиц в единице массы. В какой-то
мере об удельной поверхности почвы можно судить по гранулометрическому составу.
Удельная поверхность, наряду с другими свойствами, определяет почвенное плодородие и направленность ряда процессов
почвообразования. Поверхность почвы – место взаимодействия
твердой фазы почвы с корнями растений и микроорганизмами.
Именно на поверхности частиц возникает градиент потенциала
и начинается процесс диффузии ионов. На поверхности частиц
идут процессы сорбции, десорбции, обменного и необменного
59
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
поглощения, диффузии различных веществ. Минералогический
состав почвы очень сильно влияет на удельную поверхность,
большую роль в создании поверхности играют гумусовые кислоты, сорбирующиеся на минералах. В целом удельная поверхность – функция ряда других почвенных свойств: механического, минералогического состава и гумусированности. От удельной
поверхности зависит поглотительная способность почв, а она,
в свою очередь, определяет их химические свойства.
4.3.2. Антропогенная динамика
физических свойств почвы
Физические свойства почв очень сильно изменяются под воздействием человека. Уже при простом рекреационном использовании ландшафта возникает сеть тропинок, дорожек, вытоптанных
площадок. Они сильно уплотняют почву, что ведет к гибели растений, в том числе древесных. По данным И. А. Соколова [36], в лесных биогеоценозах, используемых в рекреационных целях, около
деревьев образуются так называемые «вазоны» – объемы почвы,
в меньшей степени уплотненные. Они окружены уплотненными
почвенными стенками. Многолетняя рекреация создает постоянную сетчатую структуру почвенного покрова, характерную для
парков, лесопарков и лесов с большой антропогенной нагрузкой.
В вазонах устанавливается специфический режим влажности, тропы и дорожки на склонах часто способствуют усилению эрозии.
Под влиянием вспашки почвенные свойства и структура меняются еще более существенно. Основной причиной изменения
свойств почвы является многоразовая вспашка, при которой теряется гумус, уплотняются под действием тяжелой техники верхние горизонты, усиливается эрозия. Необходимость распашки
определяется свойствами почвы: хорошо агрегированные черноземы можно не пахать, дерново-подзолистые почвы дают урожай
только при глубоком рыхлении. При распашке уменьшается плотность, увеличивается водопроницаемость, аэрированность, улучшается тепловой режим. Но при этом создаются два слоя, резко отличающиеся по порозности: верхний, вспаханный – более рыхлый;
нижний, подпахотный – более плотный. Поступление капиллярной воды из подпахотного слоя в пахотный несколько затрудне60
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
но. В середине вегетации это благоприятно, но затрудняет подток
воды к семенам в начале их развития, поэтому почву прикатывают.
Многообразие условий, необходимых для роста растений
в разные периоды их вегетации и многообразие самих почв требуют индивидуального подхода и разных приемов обработки в зависимости от типа почвы. Благоприятные физические свойства
почвы – одно из главных условий получения урожая. При этом
гранулометрический состав, являясь консервативным свойством,
практически не поддается регулированию со стороны человека,
тогда как агрегированность и плотность можно оптимизировать.
Физические нагрузки в случае необрабатываемых почв (природные экосистемы при рекреационной нагрузке) относительно
невелики. В городских экосистемах и агроценозах антропогенная
нагрузка может принимать более широкие масштабы. Это относится и к большей части почв, возникающих в процессе рекультивации бывших горных выработок.
Причинами физических нагрузок на почву являются:
а) прямые механические воздействия:
- повышенное давление на поверхность почвы (транспорт,
вытаптывание);
- особые агротехнические мероприятия, проводимые в пахотном слое почвы или в подпочве;
б) процессы, связанные с перемещением почвы:
- водная эрозия;
- эоловые отложения (особенно вследствие промышленных
выбросов).
Изменения почвенных параметров касаются, прежде всего,
сложения, структуры и плотности и приводят к уменьшению вентиляции и дренажа. Так, оптимальная плотность пахотного горизонта для большинства культурных растений 1,0–1,2 г/см2, а в уплотненных городских она выше 1,4–1,6 г/см2. На уровне фитоценозов
это сказывается в затруднении прорастания семян и проникновения
корней в почву с последующим замедлением роста корней и побегов. Следует различать воздействия, проявляющиеся первично
только в почве, и те, что затрагивают одновременно и напочвенный
ярус (нагрузка на растительность в результате вытаптывания).
61
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В результате таких воздействий в почвенных ценозах происходит снижение обилия организмов и их активности, особенно
разлагающих органические вещества.
4.4. Динамика химических свойств почв
4.4.1. Естественная динамика химических свойств почв
Химические свойства почв включают: химический состав почв (твердой фазы и почвенного раствора), гумусированность, кислотно-основные свойства, обменную способность
и окислительно-восстановительные условия. Химический или
валовый состав почв является достаточно стабильным свойством,
остальные более динамичны.
Химический состав почв
Почва состоит из минеральных, органических и органоминеральных веществ. Источник минеральных веществ – литосфера, органические образуются в результате жизнедеятельности
биоты, органо-минеральные синтезируются в ходе почвообразовательных процессов. Минеральная часть почвы составляет до 80–
90 % от ее массы, и только в органогенных горизонтах она может
составлять меньшую долю (до 10 % в торфяниках). Содержание
основных элементов в литосфере и почве представлено в табл. 2.
Таблица 2
Содержание элементов в литосфере и почве, %
Элемент
Кислород
Кремний
Алюминий
Железо
Кальций
Натрий
Магний
Калий
Углерод
Азот
Фосфор
Сера
Литосфера
47,2
27,6
8,8
5,1
3,6
2,6
2,1
2,6
0,1
0,01
0,08
0,09
62
Почва
49,0
33,0
7,1
3,8
1,4
0,6
0,6
1,4
2,0
0,1
0,98
0,085
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В почве обнаружены почти все известные химические элементы, минеральный состав почв сходен с литосферным. Кислород, кремний, алюминий и железо в почвах присутствуют в той
же последовательности по процентному составу, что и в литосфере. Однако процессы почвообразования приводят к увеличению
содержания кислорода и кремния, и, кроме того, в 20 раз по сравнению с литосферой возрастает содержание углерода и в 10 раз
содержание азота. В то же время следствием почвообразования
является уменьшение в почве по сравнению с литосферой алюминия, железа, кальция, магния, натрия и калия. Почва наследует
геохимические черты исходного материала почвообразующих
пород: богатые кремнеземом породы формируют почвы с высоким его содержанием; карбонаты и другие соли из материнских
пород переходят в почву. Но одновременно идет и изменение материнской породы в ходе почвообразования: минералы перераспределяются по профилю, меняется исходный минеральный состав, в верхних горизонтах аккумулируются биогены – С, S, P, N
и другие. Основной причиной накопления углерода в почве являются живые организмы, в первую очередь растения. Первичный
источник азота – азотфиксирующие микроорганизмы, дальнейшая трансформация соединений азота связана с деятельностью
всей биоты. Фосфор и сера накапливаются в почве также благодаря концентрационной функции «живого вещества».
Основные закономерности, отмеченные при формировании
химического состава почв, следующие:
- валовый состав – стабильное свойство, которое меняется
трендово, необратимо в течение длительного времени. Основные
изменения валового состава связаны с привносом и выносом материала (аллювий, вулканическая деятельность, эрозия);
- часть химического состава почв, зависящая от жизнедеятельности биоты, изменяется циклично (в соответствии с поступлением и разложением органического вещества).
Разберем основные формы соединений химических элементов в почвах и их доступность для биоты.
Кислород входит в первичные и вторичные минералы почвы,
основной элемент органических веществ и воды; потребляется
63
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
только из растворов или в газообразном состоянии, необходим
для жизнедеятельности всех видов живых организмов, за исключением анаэробов.
Кремний входит в состав кварца и силикатов. При их разрушении переходит в раствор в виде анионов орто- и метакремниевых кислот, силикатов натрия и калия. При кислой рН эти соединения осаждаются в почве в виде геля. Кремний используется
растениями для формирования защитных структур, водорослями
– для построения панциря и т. д.
Алюминий присутствует в почве в форме первичных и вторичных минералов, органо-минеральных комплексов, а также
в поглощенном состоянии при кислых рН. В кислой среде его
ионы подвижны, ионы Al(OH)2+ и Al(OH)2+ угнетают рост растений, микроорганизмов и водорослей.
Железо присутствует в почве в составе первичных и вторичных силикатов, в виде гидроксидов и оксидов, простых солей и в
поглощенном состоянии. Его ионы подвижны только при рН < 3;
в восстановительных условиях в растворе появляются ионы Fe2+
. В этой форме железо доступно растениям, но его высокие концентрации оказывают угнетающее действие. При нейтральной и
щелочной рН подвижность железа низкая, и растения испытывают недостаток железа, приводящий к хлорозу.
Углерод находится в почве в составе органического вещества
(от долей процента до 6–7 % и более в черноземах), в виде карбонатов и гидрокарбонатов (от долей процента до десятков процентов в карбонатных почвах) и в углекислом газе почвенного
воздуха. Элемент очень важен для формирования структуры, поглотительной способности почв и их плодородия в целом.
Азот сосредоточен главным образом в гумусе (от 1/40
до 1/20 гумуса). Накапливается в почве благодаря биологической
кумуляции. Доступен растениям в форме аммония, нитратов,
в меньшей степени – в форме нитритов, все они образуются при
разложении органических веществ. В почве присутствуют аммонийный (NH4+) и нитратный азот (NO3-). Аммонийный азот находится в почве в необменном поглощенном состоянии, нитратный
– в растворе. В силу активного поглощения биотой и вымывания
почва постоянно нуждается в пополнении азота.
64
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Фосфор содержится в органических и минеральных соединениях (апатит, фосфорит, вивианит) и в поглощенном состоянии. В кислых почвах фосфор содержится в виде фосфатов железа и алюминия и связан с полутораокислами. В слабокислых,
нейтральных и слабощелочных почвах – в форме фосфатов кальция. Фосфаты являются основным источником фосфора для растений; из органических соединений этот элемент потребляется
только после их минерализации. Наиболее благоприятная среда
для усвоения фосфора лежит в интервале рН 6,0–6,5. Применение
фосфорных удобрений целесообразно на всех почвах.
Сера находится в почве в виде сульфатов, сульфидов и в составе органических молекул. Сульфаты калия, натрия и магния
хорошо растворимы в воде и в условиях гумидного климата выносятся за пределы почвенного профиля; в условиях аридного
климата накапливаются, вызывая засоление. Потребность растений в сере небольшая, обычно удовлетворяется полностью.
Калий входит в кристаллическую решетку первичных и вторичных минералов в малодоступной форме. Слюды мусковит
и биотит легко отдают калий и служат его источником в почве.
Значительная часть калия может находиться в почве в поглощенном состоянии и служить резервом для питания растений.
Калий нужен растениям в больших количествах, особенно в период вегетации. Более всего нуждаются в калии картофель, табак, корнеплоды, травы.
Кальций, магний присутствуют в составе кристаллических
решеток минералов, в форме простых солей и в поглощенном состоянии. Среди поглощенных катионов занимают первое и второе места. Магний нужен растениям для построения хлорофилла,
кальций – для создания благоприятных физических и физикохимических свойств почвы, а в клетке – для формирования структуры цитоплазмы. Недостаток кальция отмечается в кислых хорошо промываемых почвах легкого механического состава – песчаных и супесчаных, а также на солонцеватых почвах.
Помимо использования элементов для нужд метаболизма,
растения могут осуществлять их аккумуляцию. Существует эмпирический биогеохимический показатель, характеризующий
65
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
интенсивность биологического поглощения элементов, – коэффициент биологического поглощения (КБП). Его вычисляют
по формуле А. И. Перельмана:
Ах = lx / nx ,
где Ах – коэффициент биологического поглощения элемента Х;
lx – содержание элемента Х в золе растения; nx – содержание элемента Х в горной породе.
Если необходимо охарактеризовать особенности отдельного
растения к накоплению химического элемента, следует использовать КБП, рассчитанный на кларк литосферы. Если требуется
оценить влияние растений на состав почвы, то рассчитывают этот
коэффициент относительно содержания элемента в горной породе и почве. КБП – не константная величина, она меняется в зависимости от времени, фазы вегетации, возраста растения, свойств
почвы. Перельман выделил 5 групп элементов по значению КБП:
- энергично накопляемые (B) – 10–100;
- сильно накопляемые (K, S, Zn, P, Mn, Ag, St) – 1–10;
- слабого накопления и среднего захвата (Mo, Mg, Ni, Co, U,
Fe) – 0,1–1,0;
- слабого захвата (Na, Cl, Li, Si, Ti, Al) – 0,01–0,1;
- очень слабого захвата – 0,001–0,01.
На поглощение элементов влияют видовые особенности растений и место накопления (орган). А. Л. Ковалевский разделил
растения и их органы по типу поглощения металлов на безбарьерные и барьерные [3]. Содержание элементов в золе безбарьерных
растений увеличивается пропорционально их содержанию в почве;
у барьерных органов имеется порог концентрации, выше которого
растения прекращают поглощать элемент, несмотря на дальнейшее его увеличение в субстрате. Корни большинства видов растений – безбарьерные органы, а генеративные органы – барьерные.
Кислотно-основные свойства
Любое почвообразование связано с изменением рН породы.
Это положение впервые выдвинуто в 1910 г. В. В. Геммерлингом,
который полагал, что преобразование породы в почву проходит
сначала щелочную стадию, а затем уже почва подкисляется. Изменение рН почвы связывают с растворами, прошедшими сквозь
66
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
полог растений и подстилку. Иногда дождевые воды, обмывающие растения (ель, березу), имеют рН 3, но в целом рН дождевых вод, прошедших сквозь кроны, колеблется в пределах 4,6–6,6
(если нет загрязнения).
Лесные подстилки также обладают относительно низкими
значениями рН от 4,0 до 5,0. Подкисление почв связано и с обменными реакциями между почвой и корнем. Корень, поглощая
катионы K+ и Са2+, выделяет Н+, а поглощая анионы NO3- и PO43-,
выделяет НСО3-. В почве рН является одним из наиболее динамичных показателей, колебания рН связаны: с видом растения,
через крону которого проходят осадки; с расстоянием от ствола
дерева; с суточными, сезонными и многолетними циклами, а также с влажностью почвы.
Содержание гумуса
Гумус – сложный динамический комплекс органических соединений, образующихся при разложении и гумификации органических остатков и продуктов жизнедеятельности живых организмов. В составе гумуса различают неспецифические органические
соединения (лигнин, целлюлоза, белки, липиды, углеводы), промежуточные продукты распада и гумификации (высокомолекулярные и низкомолекулярные) и специфические гумусовые вещества (гумусовые кислоты, гумин и прогуминовые вещества).
В почвах постоянно наблюдается сложная динамика гумуса – его синтез, трансформация и разложение. Наиболее важными
показателями гумусного состояния почв являются: содержание
гумуса в верхних горизонтах (в % от массы почвы), соотношение
гуминовых и фульвокислот в его составе (типы гумуса) и тип распределения гумуса по профилю почвы.
Многолетние наблюдения за динамикой гумуса выявили цикличность изменения гумусовых свойств почв под природными
сообществами. Эти циклы имеют различную длительность – вековую, многолетнюю, сезонную. Причиной динамичности гумусовых свойств является динамичность экосистем суши: флуктуации в количестве биомассы, составе, структуре сообществ, наличие сукцессий. Так, в течение года количество гумуса в верхних
горизонтах почв под молодыми биогеоценозами может увеличи67
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ваться в пределах 0,01–0,09 %, при этом в августе-сентябре (перед листопадом) этот рост наименьший. В сформированных БГЦ
скорость накопления гумуса идет на порядок быстрее – 0,12 %.
Но в обоих случаях существует предел накопления гумуса, связанный с зональными условиями, типом материнской породы
и особенностями биогеоценоза [10]. Циклично меняется в течение года и отношение Сгк/Сфк.
Вмешательство человека приводит к трендовому изменению
гумусовых свойств почвы, главным образом, к их деградации
(см. раздел 4.4.2.)
Поглотительная способность почв
Поглотительная (обменная) способность почв обусловливает
существование в почвах определенного фонда питательных веществ, за счет которых может существовать биогеоценоз и от которых зависит его продуктивность. Поглотительная способность
определяется минеральным составом почвы, количеством гумуса
в ней, рН и Еh.
Потребление растениями веществ из почвы связано с подвижностью элементов в ней. Растворяясь в воде, они активным
или пассивным транспортом поступают в корень, часть веществ
попадает туда в результате обменных реакций.
Содержанием подвижных веществ в почве управляют следующие факторы: растворимость этих соединений в воде; влажность и температура почвы; фаза развития растений и их масса;
поступление элементов с дождевыми и талыми водами, опадом;
диффузия веществ из других горизонтов.
Для таких важнейших биогенов, как азот, фосфор и калий,
отмечается летний минимум в их содержании, приходящийся на
период наибольшего прироста биомассы. В осенне-зимний период происходит восстановление исходного или близкого к нему
количества питательных элементов. А это восстановление, в первую очередь, зависит от потенциального запаса веществ в почве,
от возможности пополнения почвенного раствора и почвеннопоглощающего комплекса (ППК) подвижными, доступными веществами. Для пополнения запасов подвижных соединений должно существовать равновесие между твердой фазой, обменным ком68
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
плексом и почвенным раствором. При сдвигании этого равновесия
в какую-либо из сторон возникает дефицит питательных веществ,
связанный либо с низкой растворимостью твердой фазы, либо со
слишком интенсивным переходом веществ в раствор и их выносом
(в гумидном климате) или выпадением в осадок (в аридном).
Очень тесно связано с питательным режимом почвы содержание гумуса. Гумус является как источником питательных веществ, образующихся при его минерализации, так и потенциальным их запасом.
Главным регулятором динамики питательных веществ в почве является фитоценоз. Потребление растениями питательных
веществ определяет изменчивость их содержания в почве. Запасы питательных веществ в слое 0–20 см на 2–3 порядка превышают вынос их растениями, и теоретически почвенных запасов
должно было бы хватить на 100–500 лет без дополнительного поступления питательных веществ. Но на практике большая часть
питательных элементов недоступна растениям, поэтому внесение
удобрений во многих случаях продуктивно и приносит заметную
прибавку к урожаю.
Расход питательных элементов из почвы определяется биологическими особенностями растений, их химическим составом.
Поэтому динамика питательных веществ, в первую очередь, связана с типом биогеоценоза или агроценоза, в котором функционирует почва. Естественные биогеоценозы по своему круговороту
почти сбалансированы, и поэтому существуют бесконечно долго,
и не снижают своей общей продуктивности. Агроценозы из-за
ежегодного выноса биомассы довольно быстро вступают в период
дефицита питательных веществ и не могут существовать без их дополнительного внесения. Внесение удобрений существенно влияет на циклы элементов в экосистемах, оно ведет к интенсификации
круговорота, а не только пополняет фонд подвижных питательных
веществ. Для почв разных типов существуют свои оптимальные
значения содержания питательных веществ. Так, оптимальными
показателями для агроценоза на дерново-подзолистой суглинистой почве будут следующие: гумус – 2,5 %; азот – 0,15 %; фосфаты – 20 мг/100 г почвы; обменный калий – 15 мг/100 г почвы.
69
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
У растений существуют фазы роста, в которых они потребляют наибольшее количество питательных веществ. Так, злаки
имеют максимум потребления биогенов при выходе в трубку,
при наливе зерна их потребление резко снижается.
Естественные ценозы отличаются от агроценозов смазанностью максимумов потребления питательных веществ. Это связано с тем, что в естественных ценозах растения имеют разную
продолжительность жизни и несовпадающие сроки фаз развития.
Обычно в них отмечается несколько максимумов и минимумов,
связанных с интенсивностью потребления веществ разными растениями. Так, для дерново-подзолистых почв в лесных биогеоценозах отмечены следующие особенности поведения фосфора.
Ранней весной при переходе температур воздуха через +5оС подвижность фосфора возрастает (весенний максимум). В начале
активной вегетации растений (май – начало июня) содержание
фосфора в почве падает, дальнейшая смена фаз развития растений обусловливает июльский максимум этого элемента в почве. Общее возрастание количества фосфора в почве отмечается
в сентябре – октябре в связи с поступлением опада. К январю
содержание фосфора снижается и выравнивается. Аналогичная
динамика отмечена для калия.
Весеннее возрастание содержания большинства питательных
элементов связано с повышением их химической подвижности
при повышении температуры (увеличивается их растворимость,
скорость диффузии, концентрация). Распускание листвы резко снижает содержание подвижных питательных веществ в почве, затем в потреблении наступает небольшой перерыв – с ним
связан июльский максимум содержания питательных элементов
в почве. Общее увеличение питательных веществ происходит
в связи с поступлением опада осенью. При этом до 20 % зольных
веществ вымывается в горизонт А1 в течение месяца. В аридных
почвах подвижность веществ зависит от количества влаги, поэтому в них часто в зимние месяцы наблюдаются максимумы.
Таким образом, динамика питательных веществ в почве является цикличной и бывает суточной, многодневной, сезонной
и многолетней. Цикличность обусловлена климатическим факто70
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ром, который в значительной мере формирует ход кривой потребления питательных веществ (максимумы, минимумы, зимняя
пауза). Роль растений в питательном режиме всех экосистем также велика и четко прослеживается.
Окислительно-восстановительные условия
Важным фактором, влияющим на химизм почв, следует признать окислительно-восстановительные условия.
В почве присутствует большое количество веществ минеральной и органической природы, способных вступать в реакции
окисления и восстановления. Эти реакции оказывают существенное влияние на ход почвообразования. В целом почву можно
рассматривать как сложную окислительно-восстановительную
систему. К наиболее распространенным реакциям окисления
относятся реакции, связанные с гумификацией растительных
остатков; изменение степени окисления железа, марганца, серы,
азота и других элементов – это реакции как окисления, так
и восстановления. Часть протекающих в почве окислительновосстановительных реакций имеет обратимый характер (для элементов с переменной валентностью), большинство же идет необратимо (окисление органических веществ).
Для
количественной
характеристики
окислительновосстановительных реакций, протекающих в почве, пользуются
понятием окислительно-восстановительного потенциала (ОВП).
ОВП почвы называют разность потенциалов, возникающую
между почвенным раствором и электродом из инертного металла
(платины), помещенным в почву. ОВП выражается в мВ.
Напряженность окислительно-восстановительных процессов
в почвах связана с условиями реакции среды (рН), реакция среды
влияет на интенсивность и направленность микробиологических
процессов, от нее зависит переход в раствор компонентов некоторых окислительно-восстановительных систем.
В почве сильными окислителями являются O2, Cl2, MnO4(в кислой среде); сильными восстановителями Na+, Ca2+, SO42-, Fe2+.
По величине ОВП можно судить о том, какие окислители
и восстановители имеются в почве и каково примерно их соотношение. В разных типах почв и пахотных горизонтах значения
71
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ОВП обычно находится в пределах от 100 до 750 мВ, иногда опускается до отрицательных значений.
В плакорных степных почвах ОВП обычно держится на
уровне 500–600 мВ. Дерново-подзолистые почвы характеризуются в летние месяцы ОВП 400–700 мВ, при летнем затоплении
ОВП в горизонтах А1 и А2 падает до 300 мВ. В сероземах ОВП
колеблется в пределах 350–600 мВ; в болотных почвах ОВП снижается до -200 мВ.
Снижение ОВП до 350–450 мВ служит показателем среды,
в которой окислительные условия меняются на восстановительные. ОВП ниже 200 мВ свидетельствует о развитии интенсивных
восстановительных процессов с глееобразованием.
Большая часть окислительно-восстановительных реакций
имеет биохимическую природу и тесно связана с микробиологическими процессами. Каждый микроорганизм имеет свой
оптимум ОВП. При высоких значениях ОВП (окислительные
условия) в почве развиваются преимущественно аэробы, при
низких значениях (восстановительные условия) – анаэробы. Однако для почвы отмечена такая общая закономерность: с увеличением количества аэробов возрастает количество анаэробов.
По-видимому, это связано с наличием между ними метаболических взаимоотношений, кроме того, аэробы, потребляя кислород,
создают условия для существования анаэробов. Такое сочетание
разнонаправленных процессов становится возможным благодаря
микрозональности почв.
Обычно в почвах даже нижние горизонты содержат достаточное количество кислорода и дополнительно аэрируются грунтовыми водами. Однако в отдельных локусах, не охватывающих
всего горизонта в целом, довольно часто развиваются восстановительные процессы. Например, ризоплана растений содержит
большое количество легкодоступного органического вещества,
здесь интенсивно идут процессы азотфиксации, аммонификации и нитрификации. В связи с этими процессами в ризоплане
создаются восстановительные условия и возникают анаэробные
зоны. Микрозоны с разными окислительно-восстановительными
условиями подвижны во времени, по мере исчерпания субстратов происходит довольно быстрая смена условий.
72
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При преобладании низких окислительно-восстановительных
условий в почвах отмечается консервация органического вещества (образование торфа), элементы с переменной валентностью
переходят в состояние с низшей валентностью.
4.4.2. Изменения химических свойств почв под влиянием
хозяйственной деятельности человека
Наиболее серьезные последствия для почвенной биоты и человека связаны с изменением химических свойств почвы, поскольку эти изменения непосредственно влияют на метаболизм
живых организмов.
Основное внимание будет уделено изменению химических
свойств почв в глобальном масштабе: дегумификации, потере почвами элементов питания и их загрязнению.
Потеря почвами гумуса
Дегумификация как деградационный процесс известна давно
и характерна для почв агроценозов во всех странах мира, но количественная оценка и планетарные масштабы этого явления
были вскрыты лишь в последние годы.
Уничтожение естественной растительности и распашка целинных земель приводит к резкому изменению гидротермического режима и биологического круговорота веществ в агроценозах, в том числе, резко меняется цикл углерода. Результатом
распашки почв в течение первых лет является резкое снижение
их гумусированности на 25–50 % от исходного количества. Последующая эволюция гумусного состояния этих почв будет зависеть от используемых технологий земледелия. При эффективном
ведении хозяйства, направленном на сохранение и воспроизводство почвенного плодородия, происходит стабилизация гумусного состояния почв. Однако чаще имеет место прогрессирующее сокращение запасов органического вещества почв. Вынос
органического вещества в агроценозах всех стран ежегодно составляет 1–2 %. По данным Г. В. Мотузовой [14] , в Российской
Федерации на долю почв с низким содержанием гумуса приходится 50 % всех пахотных почв, с критическим уровнем – 15%.
В Московской области за период с 1987 по 1999 гг. доля почв
с низкой обеспеченностью гумусом возросла с 26 до 40 %. В по73
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
чвах черноземной зоны РФ за 100 лет потери гумуса в среднем
составили 20–30 % от исходного запаса. За последние десятилетия дегумификация усилилась из-за резкого снижения внесения
органических и минеральных удобрений.
Глобальный баланс дегумификации по расчетам Б. Г. Розанова приводится Г. В. Мотузовой [14]. До того как деятельность
человека начала играть важную роль в эволюции почв среднее
содержание органического углерода в них составляло 2%, а средний запас органического вещества – 13000 т/км2, общий запас
органического углерода в гумусе планеты – 1700 млрд т. Современное гумусное состояние почв, подвергшихся воздействию
человека, существенно изменилось: в пахотных почвах содержание органического углерода составило 1,5 %, средний запас
органического вещества – 900 т/км2, общий запас органического
углерода – 135 млрд т; в почвах бедлендов среднее содержание
органического углерода – 0,25 %, средний запас органического
углерода – 7 млрд т. В почвах, не подвергшихся воздействию человека, запас гумуса оценен в 1290 млрд т органического углерода. Итого, современный общий баланс органического углерода
в  почвенном покрове планеты составляет 1432 млрд тонн. Таким
образом, за 10 тыс. лет земледельческой цивилизации почвенный
покров мира потерял 253 млрд т органического углерода вследствие антропогенного воздействия, 60 млрд т за счет современных пахотных земель, а в целом потери составили 313 млрд т
(или 16 % от его исходного запаса).
По этим расчетам современная скорость дегумификации почвенного покрова планеты возросла за последние 50 лет почти
в 25 раз по сравнению со средней многовековой скоростью. Многими исследователями показано, что в тропиках скорость разложения органического вещества в 4–6 раз выше, чем в умеренных
широтах. Поэтому прогнозируемое повышение температуры на
несколько градусов в связи с парниковым эффектом приведет
к резкому усилению дегумификации почв умеренного пояса.
Последствия потери почвами гумуса многообразны:
- снижение запасов и доступности элементов питания для
растений и микроорганизмов;
74
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
-  снижение биологической активности почвы;
- ухудшение структуры почвы, а также водо- и газообмена в них;
- изменение окислительно-восстановительных условий (часто – нарастание анаэробности);
- усиление парникового эффекта.
Процесс дегумификации рассматривается научным сообществом как расширяющаяся спираль с непредсказуемыми негативными экологическими последствиями вплоть до катастрофических.
Потеря почвами элементов питания
Потеря почвами элементов питания в агроэкосистемах неизбежна за счет их выноса с урожаем. В искусственных экосистемах функция возврата элементов питания возложена на человека.
Но процесс возврата питательных элементов в полной мере происходит далеко не всегда.
По агрохимическим показателям пахотные почвы РФ преимущественно являются низкопродуктивными. Тенденции к сокращению агротехнических и агромелиоративных мероприятий
усилились в стране в последние десятилетия, снижается общий
уровень культуры земледелия. На больших площадях почвы
имеют низкий уровень содержания основных элементов питания
и повышенную кислотность (табл. 3).
Недостаточно обеспечены фосфором пахотные почвы Урала, Восточной Сибири, Дальнего востока, Хабаровского края.
Низкая обеспеченность сельскохозяйственных земель калием отмечается в Республике Коми, Туве, Ярославской, Калужской областях, Северо-Западном и Центральном регионах.
За последние годы в России резко упало применение удобрений, что особенно отрицательно сказывается на почвах со столь
значительным недостатком элементов питания. В настоящее время на больших площадях минеральные удобрения не восполняют
потери почвами элементов питании. Нередко вынос питательных
веществ из почв с урожаем и сорняками в несколько раз превышает их поступление с удобрениями.
Наряду с основными элементами питания, почвы пахотных
угодий недостаточно обеспечены микроэлементами. К микроэле75
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ментам первоочередной необходимости относят цинк, медь, марганец, кобальт, молибден, бор. Особенно велика доля (80–96 %)
почв, требующих внесения молибденовых, цинковых и кобальтовых удобрений.
Таблица 3
Площади сельскохозяйственных угодий
Российской Федерации
с неудовлетворительными агрохимическими показателями
(1994 г.), % [14]
Регион страны
Повышенная
кислотность
Низкое и очень низкое
содержание
элементов питания
Р2О5
К 2О
Северный
33
16
26
Северо-Западный
47
20
26
Центральный
Волго-Вятский
Уральский
Восточно-Сибирский
Дальневосточный
47
34
11
5
50
20
18
43
37
57
31
16
9
10
12
Загрязнение почв
Загрязнение почв – один из опаснейших видов деградации
почв и экосистем в целом. Главными источниками химического
загрязнения почв являются:
- атмосферные выпадения в радиусе действия промышленных предприятий и добычи полезных ископаемых;
- отходы сельскохозяйственного производства и переработки
сельхозпродукции;
- минеральные удобрения и средства химизации сельского хозяйства (пестициды, ядохимикаты, стимуляторы роста, ретарданты);
- автотранспорт;
- тепловые и атомные электростанции.
Значительная часть источников загрязнения почв имеет локальное действие, наиболее крупные оказывают влияние на ре76
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
гиональном уровне и в планетарном масштабе, особенно при
загрязнении через атмосферу и при использовании на больших
площадях (минеральные удобрения).
Одним из таких глобальных процессов является поступление
в атмосферу оксидов углерода, серы и азота, образующихся при
сжигании топлива.
Оксиды углерода – СО2 и СО (угарный газ) – не оказывают
прямого влияния на почвенные свойства, их действие происходит опосредовано. Содержание углекислого газа в атмосфере
промышленных регионов повысилось по сравнению с фоном
на 10 %, и рассчитано, что его поступление ежегодно растет
на 0,3 %. Локальных и региональных последствий это событие не
имеет, но очень значимо на глобальном уровне. Увеличение СО2
в атмосфере – одна из причин «парникового эффекта», повышающего температуру на планете. Угарный газ проявляет токсическое действие на локальном уровне, и оно достаточно продолжительно, поскольку газ сохраняется в атмосфере до трех лет [15].
Действие оксидов азота и серы на почвы и экосистемы суши
проявляется на всех возможных уровнях. Их экологическая опасность связана со способностью данных оксидов растворяться
в атмосферных осадках с образованием азотной и серной кислот
и формировать кислотные дожди. Поступившие в атмосферу оксиды серы и азота и кислые продукты их превращения сохраняются в атмосфере в течение нескольких суток. За это время они
могут быть перенесены воздушными потоками на сотни и тысячи километров от источника выброса, и проблема кислотного
загрязнения приобретает не только локальный и региональный,
но и глобальный характер.
Основная часть выбросов SO2 (94 %) сосредоточена в Северном полушарии. Это два крупных региона с хронически кислыми атмосферными осадками: промышленный северо-восток
США (рН атмосферных выпадений 4,1–4,2) и Центральная
и Северная Европа, главным образом, Германия и Великобритания – (рН 4,1–4,5). В нашей стране, помимо локальных выпадений кислотных дождей, существует проблема трансграничного
переноса, имеющая региональный характер. Наиболее заметны
77
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
проблемы трансграничного переноса в Прибалтике и на северозападе Европейской части России. Здесь рН в среднем составляет
4,4–4,8, а минимальные значения снижаются до 3,7.
Считается, что рН незагрязненных осадков составляет примерно 5,6; присутствие в атмосфере примесей терригенного происхождения (пыль) расширяет диапазон рН от 5 до 7. Наиболее низкие
значения рН атмосферных осадков отмечаются вблизи крупных
металлургических комбинатов. Если сернистый ангидрид не нейтрализуется, рН дождевых и снеговых вод может опускаться ниже
3. Самое низкое значение за всю историю исследования атмосферных осадков зафиксировано в США и составляет 1,9.
Однако кислотность и состав осадков не являются основными факторами, контролирующими прохождение процессов
в почве. Более существенными являются свойства самих почв,
подвергающихся воздействию осадков. Кислотные дожди с одинаковыми значениями рН могут вызывать различные последствия на разных почвах. Большинство исследователей предлагают использовать в качестве основных параметров устойчивости
почв сумму обменных оснований, степень насыщенности ППК
и емкость катионного обмена. Эти характеристики косвенно отражают содержание гумуса, карбонатов, минералогию и механический состав, т. е. свойства, определяющие буферность почв.
Изменение одного или нескольких признаков из приведенного
перечня меняет буферные свойства.
Наиболее чувствительны к действию кислотных выпадений
почвы легкого механического состава, с высокой водопроницаемостью, с низким содержанием обменных оснований и гумуса, слабой сульфат-адсорбционной способностью, кислой рН и низкой
степенью насыщенности ППК. Этой характеристике наиболее соответствуют песчаные подзолы. Слабочувствительными к кислотным выпадениям являются некарбонатные глинистые почвы с рН
около 6; а также кислые почвы с рН меньше 5, умеренным содержанием гумуса и емкостью поглощения от 6,2 до 15,4 мг-экв/100 г
почвы. Нечувствительными являются нейтральные почвы с рН > 6
и сильнокислые с рН < 4 и емкостью катионного обмена больше
15,4 мг-экв/100 г почвы, а также почвы карбонатного состава [14].
78
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Под влиянием кислотных осадков почвы претерпевают следующие изменения.
Кислые растворы вызывают ускоренное выветривание минералов, происходит переход необменных форм элементов в обменные; при кислотном воздействии в нейтральных, богатых гумусом
почвах с высокой степенью насыщенности основаниями преобладает протонно-кальциевый обмен; в кислых субарктических и
подзолистых почвах интенсивно выносится магний; в дерновоподзолистых – марганец и магний; в бурых лесных – кальций
и магний.
Из-за повышения растворимости алюмосиликатов возрастает количество подвижного железа и алюминия, растет опасность
проявления токсичных свойств этих металлов.
Повышается мобильность элементов c фитотоксичными
свойствами (Mn, Zn, Cd, Co, Ni).
Меняется скорость разложения органического материала
(особенно на стадии минерализации), тормозится переход N и P
в доступные растениям формы.
Меняется качественный состав гумуса: высвобождаются в раствор простые органические кислоты (ди- и трикарбоновые). Они обладают высокой хелатирующей способностью
и мобилизуют в почвенный раствор больше железа, алюминия,
микроэлементов. Кроме того, меняется подвижность гумусовых
соединений в связи с их осаждением ионами алюминия и железа.
Следствием этого процесса является снижение водорастворимых
органических соединений в почве.
Изменения почвенных свойств отражаются, в первую очередь, на жизненном состоянии и структуре растительного компонента биогеоценоза, а также охватывают и других обитателей
почв. Перечень основных последствий воздействия кислотных
дождей на растения таков:
- затрудняется поглощение катионов корнями растений из-за
снижения отрицательного заряда поверхности корней;
- снижается доступность кальция, калия, магния из-за их выноса из ризосферы;
79
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- подвижный алюминий подавляет процессы клеточного деления, уменьшает интенсивность дыхания, нарушает транспорт
питательных веществ;
- появление признаков хлороза у растений, т. к. Mn, Zn, Cd,
Co, Ni – антагонисты железа;
- снижается устойчивость растений к болезням и неблагоприятным факторам среды.
Подобного рода изменения в питании и метаболизме растений вызывают снижение их устойчивости к воздействию насекомых, патогенных грибов, бактерий, вирусов, ослабляют морозои засухоустойчивость. Среди деревьев наиболее чувствительны
к закислению хвойные, из низших растений – лишайники; высокой чувствительностью обладает подрост и растения с поверхностной корневой системой.
Если почва не обладает достаточной буферностью, то происходит попадание кислых почвенных растворов в почвенногрунтовые и поверхностные воды. Пресноводные системы обладают меньшей буферностью, чем почвы, и кислотность озерных вод
может снижаться до 5,0–5,5. При этом нарушается ионное равновесие в жабрах рыб, наиболее чувствительными являются сиговые.
Особое значение в последнее время приобрело загрязнение
группой поллютантов, получивших название тяжелые металлы (ТМ). Кроме металлов к этой группе относят некоторые металлоиды, обнаруживаемые в составе загрязняющих веществ, –
As, Sb, Se, B, Mo.
ТМ – группа химических элементов, имеющих плотность
более 5 г/см3. Этот термин заимствован из технической литературы, где металлы делятся на «легкие» и «тяжелые». Для биологических объектов правильнее руководствоваться не плотностью, а атомной массой, т. е. относить к «тяжелым» все металлы
с атомной массой более 50.
Представления об обязательной токсичности ТМ являются
заблуждением, т. к. в эту группу входят и жизненно важные для
организмов медь, цинк, молибден, кобальт, марганец, железо.
Группа ТМ по сути совпадает с понятием микроэлементы – обязательные для живых организмов химические элементы, содержание
80
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
которых измеряется величинами порядка n*10-2 – n*10-5 %. Также
эти элементы называют следовые, массовые, редкие, рассеянные.
Недостаточное или избыточное содержание этих элементов
в почвах связано с двумя факторами: биогеохимическими особенностями экосистем; влиянием техногенных потоков вещества. Районы, в которых концентрация химических соединений
в силу природных причин оказывается выше или ниже оптимальной, называются биогеохимическими провинциями. Их появление
связано с особенностями почвообразующих пород, почвообразовательного процесса, а также с присутствием рудных аномалий.
Антропогенное загрязнение биосферы химическими элементами привело к формированию техногенных аномалий, в которых содержание химических элементов в десятки раз превышает
фоновое содержание их в ландшафтах. В результате могут формироваться глобальные аномалии, охватывающие весь Земной
шар; региональные, охватывающие части материка, страны и области; локальные, радиусом в несколько десятков километров.
Для таких повышенных концентраций элементов термин «микроэлементы» уже непригоден, и следует использовать термин
«тяжелые металлы».
«Металлический пресс» на биосферу, названный В. И. Вернадским «металлизацией», усиливается, и размеры его, повидимому, будут продолжать расти. Задача науки состоит в изучении возникшей ситуации и выработки приемов противодействия процессу загрязнения среды ТМ. Для этого необходимо
знать потенциальную опасность различных металлов и закономерности их поведения в системе «почва – живой организм», характер и интенсивность включения ТМ в пищевые цепи.
Металлы, поступающие на поверхность почвы, накапливаются в ее толще, особенно в верхних гумусо-аккумулятивных горизонтах, и медленно удаляются. Для ТМ принято отмечать период полуудаления (по аналогии с радиоактивными элементами)
– удаление половины от начальной концентрации. Для разных
элементов период полуудаления сильно варьирует: для цинка –
70–510 лет, кадмия – 13–110 лет, меди – 310–1500 лет, свинца
– 740–5900 лет [17] .
81
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Распределение ТМ в ландшафте зависит от расстояния до источника загрязнения, климатических условий (силы и направления ветров, количества осадков), рельефа местности и технологических факторов (фазовое состояние отходов, способ поступления в окружающую среду, высота труб предприятий).
Загрязняющие вещества могут находиться в любом фазовом
состоянии, но преобладающим является загрязнение аэрозолями.
Крупные частицы аэрозолей (>2мкм) выпадают в пределах нескольких километров от источника, формируя зону максимальной концентрации поллютантов. Загрязнение может распространяться на десятки километров, размер и форма ареала загрязнения зависит от вышеназванных факторов.
На характер распределения ТМ в почвах влияет весь комплекс почвенных условий и свойства самих элементов. Механический состав оказывает прямое влияние на закрепление ТМ
и их подвижность: количество поглощенных элементов линейно зависит от присутствия тонкодисперсных глинистых минералов и органических веществ. Почва тяжелого механического состава сорбирует ТМ и характеризуется меньшей потенциальной
опасностью их поступления в растения. Песчаные почвы менее
всего удерживают ТМ, и вероятность включения их в трофические цепи возрастает.
Аккумуляция основной части загрязнителей происходит
преимущественно в гумусо-аккумулятивном горизонте. Связываются ТМ с алюмосиликатами, несиликатными минералами
и органическими веществами. Металлы и металлоиды могут образовывать сложные комплексоы с гумусом, поэтому почвы с высоким содержанием гумуса удерживают больше ТМ, они становятся менее доступны для растений.
Увеличение кислотности сопровождается повышением растворимости соединений металлов, но ограничением растворимости металлоидов.
Значительное влияние на поведение металлов оказывает
характер увлажнения почв. Избыток влаги в почве способствует появлению ТМ с низкой степенью окисления и в более
растворимых формах. Анаэробные условия повышают доступ82
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ность металлов для растений. В условиях промывного водного
режима металлы и металлоиды могут быть вынесены за пределы почвенного профиля и стать источником вторичного загрязнения подземных вод.
Однако решающим фактором в распределении ТМ в биосфере является тип почвенно-геохимического барьера. Геохимическим барьером называется участок, где на коротком расстоянии происходит резкое снижение миграционной способности химических элементов, приводящее к их накоплению.
Геохимические барьеры могут быть механическими, физикохимическими, биогеохимическими, техногенными. Механический барьер – участок резкого уменьшения интенсивности механической миграции химических элементов. Такие барьеры
образуются на путях распространения литохимических потоков
рассеивания в результате уменьшения скорости и несущей способности потока и, как следствие, выпадения тяжелой фракции
(россыпи золота, платины, олова и др.). Биогеохимический барьер связан с биогенным концентрированием химических элементов. Примером такого барьера является верхний гумусовый
слой почвы, где концентрируются металлы в результате образования различных малорастворимых металлоорганических
соединений. На биогеохимических барьерах образуются залежи горючих ископаемых (угля, торфа, нефти), происходит образование залежей известняка, фосфоритов, селитры. Физикохимический барьер – наиболее обширный тип геохимических барьеров, обусловлен изменением интенсивности миграционных
потоков элементов в результате протекания различных физикохимических процессов в литосфере и гидросфере. Техногенные
геохимические барьеры связаны с деятельностью человека,
приводящей к образованию техногенных потоков рассеивания
химических элементов и их концентрированию в различных
геосферах. Примером является складирование и захоронение
отходов, в которых содержание химических элементов в десятки и сотни раз превышает их кларковые значения в литосфере.
Типы почвенных геохимических барьеров и связанная с ними
подвижность и характер накопления ТМ представлены в табл. 4.
83
Кислотно-основные
условия
Кислые
84
Восстановительные
Окислительные
Окислительновосстановительные
условия
Восстановительный
кислый
Окислительный кислый
Тип
барьера
As, Se
_
Mo, V
Mn, Mo
Pb, Cd,
Hg
Pb, As, Se
Ni, Cr,
Zn, Cu,
Co
Ni, Cr, V
Менее
токсичные
Очень
токсичные
Очень
токсичные
Менее
токсичные
Умеренно подвижные,
частично
накапливаются
Слабо подвижные,
активно
накапливаются
_
Cd, Hg
Очень
токсичные
_
Cu, Zn
Менее
токсичные
Легко подвижные,
выносятся
Подвижность и накопление химических элементов
Типы почвенных геохимических барьеров
Таблица 4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
85
Нейтральные и щелочные
Ps, Cd,
Ag, Hg,
Se
Pb, Cd
Pb
Pb
* Концентрируются на испарительном барьере.
Восстановительный сероводородный
Восстановительные
сероводородные
Окислительные
с испарительной
концентрацией
Восстановительный
нейтральный
и щелочной
Окислительный
испарительный
Окислительные
Восстановительные
глеевые
Окислительный
нейтральный
и щелочной
Cu, Zn,
Co, Ni,
Ga, Ag
Cu, Zn,
Co
_
_
_
As, Se
Hg, Cd
Hg, Cd
V, U, Mo
Mo, V, U,
Ag
Zn, Mo,
Cu, Co,
Ni, Cr
Zn, Mo,
Cu, Co,
Ni, Cr
_
Hg
As, Se*
As, Se
_
Ni
_
_
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Последствия воздействия тяжелых металлов на живые организмы и биоценозы многообразны [14–16]. Первыми «удар»
ТМ принимают микроорганизмы, водоросли, грибы и растения.
Для клеток ТМ являются протоплазматическими ядами, токсичность их возрастает по мере увеличения атомной массы. ТМ способны ингибировать активность ферментов, усиливать распад
АТФ, изменять проницаемость мембран и конкурировать с другими металлами, входящими в состав жизненно важных молекул
(ферменты, пигменты и др.).
Тяжелые металлы изменяют протекание процессов и на популяционном уровне: подавляется азотфиксация, разложение
органического вещества, прорастание спор грибов; нарушается
дыхание и ферментативная активность почвы, проявляется микробостатический и генотоксический эффект [22]. В целом при
хроническом загрязнении ТМ первичные сообщества почв сменяются вторичными, нетипичными, в которых мало разнообразие и преобладают один-два устойчивых вида. Установлено, что
в почвах с высоким содержанием ТМ доминируют виды грибов,
обладающих фитотоксическим действием на прорастающие семена, а некоторые из них становятся возбудителями заболеваний
животных и человека. Такие сукцессии меняют характер круговоротов основных биогенов, следствием чего может стать появление почв с нетипичными свойствами и признаками.
Наибольшую опасность для высших организмов представляют последствия микробной трансформации неорганических
соединений ТМ в органометаллические (ртуть – метилртуть).
Образовавшиеся соединения могут поступать в биологические
объекты и накапливаться в трофических цепях. Так, аккумуляция ТМ грибами привела к отравлениям и заболеваниям людей
в ряде европейских стран в районах высокого уровня промышленного и транспортного загрязнения. Причем наиболее высокое содержание ТМ отмечено в плодовых телах наилучших
съедобных грибов рр. Boletus и Agaricus (ртуть – до 0,22 мг/кг,
кадмий – до 19,0 мг/кг).
Воздействие тяжелых металлов на растения разнообразно и неоднозначно. Фитотоксичность металлов и устойчивость
86
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
к ним растений зависит от разных условий. Существенное значение имеет вид металла и количество, находящееся в почвенном растворе. Есть виды растений, способные концентрировать
отдельные тяжелые металлы без видимых признаков угнетения.
О механизмах устойчивости культур к разным видам ТМ известно еще мало. Устойчивость растения по отношению к одному
металлу, как правило, не распространяется на другие. Есть предположения, что это свойство организмов находится под генетическим контролем и может быть использовано при выведении
новых сортов растений, способных давать урожай незагрязненной продукции на загрязненной почве.
Анализ золы различных частей растений показывает, что
тяжелых металлов больше содержится в корнях, затем идут
стебли и листья и, наконец, семена, клубни. Это перераспределение ТМ по органам растения физиологи связывают с преобладающим типом транспорта ТМ. Главный путь транспорта ТМ
в растения – апопластический (по ксилеме и клеточным оболочкам); поэтому тяжелыми металлами богаче те органы растения, которые получают растворы по апопласту – корни, стебли,
листья, корнеплоды. Клубни, а также репродуктивные органы
снабжаются веществами за счет симпластического транспорта.
При этом типе транспорта вещества двигаются по плазмодесмам, этот транспорт включает мембранный перенос, следовательно, избирательность. Главный концентратор ТМ в клубнях
– их покровы, вступающие в контакт с почвой.
Огромный масштаб имеет загрязнение природных ландшафтов нефтью и нефтепродуктами. Нефть – жидкое горючее
полезное ископаемое, ее ежегодная мировая добыча составляет
2,5 млрд т и увеличивается ежегодно на 5 %. Нефтепродукты –
это товарная сырая нефть, прошедшая переработку на промысле, и продукты ее переработки, используемые в хозяйственной
деятельности.
Загрязнение почв нефтью и нефтепродуктами происходит
при добыче, транспортировке, переработке и их непосредственном использовании. Потери составляют около 50 млн т /год, их
основные причины – аварии на нефтепромыслах, разрывы не87
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
фтепроводов. Существенный вред причиняют природной среде
полиароматические углеводороды, образующиеся при сгорании
топлива, из-за их устойчивости к разложению и высокой токсичности. Экологические последствия загрязнения ландшафта
нефтью и нефтепродуктами зависят от свойств загрязняющих
веществ и ландшафта.
Нефть – смесь большого числа веществ (>450) с различными молекулярными массами и разными свойствами, практически нерастворимых в воде. В жидких углеводородах растворены твердые и газообразные. Нефть включает легкие (летучие)
и тяжелые фракции. Летучие фракции обладают повышенной
токсичностью для обитателей почвы, но действие их кратковременно. Тяжелые фракции нефти, включающие смолы, асфальтены, парафины, малоподвижны, они закупоривают поры почвы, склеивают почвенные частицы. При этом меняются воднофизические свойства почв, нарушается водообмен, снижается
поступление воды к корням растений.
Трансформация нефти происходит за счет абиотических
(окисление и фотохимическое разложение) и биотических процессов. Большое значение в природе имеет микробиологическое
разложение нефти углеводородокисляющими бактериями. Конечными продуктами микробиологической трансформации являются низкомолекулярные органические соединения, которые
могут встраиваться в макромолекулы природных органических
веществ.
В почвах, загрязненных нефтью, наблюдаются следующие
изменения:
- изменение всех почвенных свойств (морфологических, физических, химических и строения почвенного профиля);
- нарушение природного соотношения между отдельными
группами и фракциями органического вещества почв;
- проникновение нефти и нефтепродуктов в грунтовые воды;
- нарушение экологического равновесия в почвенной экосистеме;
- снижение почвенного плодородия и создание токсикологически опасных ситуаций.
88
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Благодаря наличию природных механизмов разрушения
нефти и нефтепродуктов, почвы могут сами очищаться от этого вида загрязнения и обладают определенным потенциалом
самоочищения. Однако существует такой уровень концентрации нефтепродуктов, выше которого почва не может справиться с загрязнением. Этот уровень называют пределом потенциала
самоочищения (ППС). Самоочищение почвы от нефти зависит
от климатических условий (осадки, температура) и свойств почвы (содержания гумуса, гранулометрического состава, рН, биологической активности).
Значения ППС по нефтепродуктам, выше которых предусматривается рекультивация, в разных странах различны: в Канаде
– 1000 мг/кг, в Голландии – 5000 мг/кг, в России – 10000 мг/кг.
При этом нарушения в структуре сапротрофного микробного сообщества, соответствующие состоянию стресса, по данным собственных исследований автора, начинают отмечаться уже при
концентрации дизельного топлива 1000 мг/кг почвы.
Полное изменение структуры микробного сообщества происходит при его концентрации 70 000 мг/кг, в этом случае из десятков видов сапротрофных микроорганизмов остаются функционирующими 2–4 вида устойчивых к этому загрязнению. Прекращение роста растений наблюдается при количестве нефтепродуктов
3500 мг/кг, серьезный ущерб экосистеме наносится при концентрации нефтепродуктов 20000 мг/кг почвы.
4.5. Деградация микробиологических
свойств почв
Микроорганизмы почвы выполняют важнейшую роль в экосистемах Земли, что обусловлено высоким биогеохимическим
эффектом их деятельности. По глобальности воздействия на биосферу значение почвенных микробиологических процессов может быть сопоставимо только с фотосинтезом [6, 8, 17]. Основные функции микроорганизмов в почве следующие:
- разложение остатков отмерших организмов;
-образование новых, характерных для почвы, гумусовых органических веществ, придающих почве специфические свойства;
89
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- участие в круговороте важнейших биогенных (С, N, P, S, K)
и других химических элементов (Fe, Mn);
- участие в разрушении и новообразовании минералов.
Микроорганизмы, входящие в состав почвенных ценозов,
активно взаимодействуют с почвой. По этой причине все виды
антропогенной деградации почв сказываются на их состоянии.
Реакция микроорганизмов зависит от многих факторов: вида
и интенсивности воздействия, вида микроорганизма, свойств
почв и почвенных режимов. Реакция микробного сообщества выражается в изменении численности отдельных групп бактерий,
видового состава, доминирующих видов, показателей их активности (дыхание, ферментативная активность).
Воздействие загрязняющих веществ может быть мощным
непродолжительным (острым) и длительным с невысокой интенсивностью (хроническим). Реакция микроорганизмов в двух
названных вариантах будет различной. При незначительном загрязнении реакцию микроорганизмов выявить трудно из-за высокой вариабельности функциональных показателей микробных
ценозов. При более высокой степени загрязнения деградация
четко проявляется в изменении структурных и функциональных
параметров микробного сообщества.
Выявлены как общие, так и специфические черты ответной
реакции почвенного микробоценоза на антропогенную дегрдацию
почв [3, 17, 22]. Во всех случаях отмечается снижение численности микроорганизмов, сокращение видового разнообразия, изменение видового состава, смена доминирующих видов, повышение
доминирования толерантных видов, упрощение структуры микробного ценоза, увеличивается содержание токсиннобразующих,
эпифитных и пигментированных видов. Возможно появление не
типичных для данных почв форм. Отмечено также сближение видового состава микробных сообществ в различных почвах, подверженных загрязнению одного рода. Такие нарушения свидетельствуют о глубоком нарушении исходного состояния почв и образования на их основе почв с нетипичными для данного ландшафта
свойствами. Об изменении структуры микробного комплекса свидетельствует снижение индекса Шеннона в 1–2 и более раз.
90
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Такая трансформация микробиологических свойств является крайне опасным явлением, поскольку такие изменения
неизбежно вызовут изменение состояния растений и населяющих почву животных. Влияние этих перестроек в микробном
комплексе может затронуть и человека, поскольку некоторые
патогенные и токсинообразующие виды могут быть устойчивы
в условиях загрязнения.
Микроорганизмы различаются по их толерантности к загрязняющим веществам. Чувствительные и устойчивые виды
есть как среди бактерий, так и среди грибов. Более устойчивы к загрязнению целлюлозолитические бактерии, эпифитные
и пигментированные формы микроорганизмов. Среди пигментированных часто встречаются резистентные токсинообразователи, отрицательно влияющие на другие виды организмов,
в том числе на растения. Чувствительными к загрязнению являются олигонитрофильные, аммонифицирующие бактерии, некоторые актиномицеты.
У почвенных грибов в загрязненных почвах наблюдается задержка и снижение уровня прорастания спор, замедляется рост
колоний, снижается способность к размножению. Однако среди
грибов есть и крайне устойчивые к различным антропогенным
воздействиям [17].
При нарушении состояния почв происходит изменение показателей их ферментативной активности. Ферменты продуцируются всеми обитателями почвы, особенно активно – почвенным
микробным комплексом. Ферменты входят в состав прижизненных выделений всех почвенных обитателей, а также могут переходить в состав почвы и после их гибели. Сохранению ферментов
в почве способствует их закрепление на почвенных частицах –
иммобилизация (Звягинцев). Весь ферментный комплекс почвы
характеризует ее биологическую активность, которую можно
разделить на актуальную (определяемую непосредственно в почвах) и потенциальную (определяемую в условиях лаборатории).
В настоящее время известно около 1000 ферментов. Большая
часть из них обнаруживается в почвах, но с диагностической целью используют около 8–9 из них. Чаще других определяют ак91
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
тивность гидролаз (уреаза, протеаза, инвертаза, фосфатаза и др.)
и оксидоредуктаз (каталаза, дегидрогеназа, полифенолоксидаза и
др.). Специфичность реакции фермента на определенный вид загрязнения и сравнительная простота их определения позволяет
достаточно точно и быстро проводить диагностику загрязнения.
Ферментативная активность почв, наряду с содержанием гумуса
и показателями дыхания почвы названы наиболее информативными диагностическими показателями.
В разных почвах эффект деградации микробиологических
свойств различен. Реакция микробного комплекса почв в ответ
на загрязнение проходит несколько стадий или зон – гомеостаза,
стресса, резистентности и репрессии. Величина зоны гомеостаза
почвенной микробной массы может служить мерой устойчивости
почвы к конкретному виду антропогенной деградации почв. Так,
в черноземе величина зоны гомеостаза на порядок выше, чем в
дерново-подзолистой почве [8]. Состояние микробного комплекса является, с одной стороны, индикатором нарушений в загрязненных почвах, с другой стороны, показателем способности почв
к восстановлению.
92
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5. Почвенный экологический мониторинг:
понятия, показатели, виды,
объекты, методы
Принципы организации мониторинга почв, в отличие от мониторинга других природных сред, разработаны сравнительно
недавно. Наиболее полное обобщение всех вопросов почвенного монторинга для суденческой аудитории приведено в учебнике Г. В. Мотузовой, О. С. Безугловой «Экологический мониторинг почв» [14], который и послужил основой для материала
данного раздела.
Почвенный экологический мониторинг – система регулярного, не ограниченного в пространстве и времени контроля почв,
дающая информацию об их состоянии с целью оценки прошлых
и настоящих изменений и прогноза их в будущем. Почвенный
мониторинг – одна из важнейших составляющих экологического мониторинга в целом. Особая роль почвенного мониторинга
обусловлена тем, что все изменения состава и свойств почв отражаются на выполнении почвами их экологических функций,
следовательно, на состоянии биосферы.
Неблагоприятные изменения почвенных свойств могут формироваться под влиянием как природных факторов, особенно катастрофического характера, так и деятельности человека. Очень
часто неблагоприятные природные и антропогенные факторы
действуют одновременно, и вычленение антропогенных последствий представляет значительную сложность. Кроме того, в почвах, в силу их буферности, последствия антропогенного воздействия проявляются не сразу, оказываются отсрочены. Поэтому
существует необходимость оценивать не только настоящие изменения, но и их долговременные последствия.
Программа мониторинга должна содержать перечень
определяемых показателей; требования к выбору точек опробования; требования к методам определения показателей;
основания для оценки полученных уровней показателей и прогноз их изменения.
93
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5.1. Показатели
почвенного экологического мониторинга
Показатели, отражающие экологическое состояние почв
(взаимосвязь с сопредельными средами и влияние на организмы), называют индикаторами мониторинга. Они информативны также при оценке устойчивости экосистемы в отношении того
или иного вида деградации.
Требования к индикаторам почвенного экологического мониторинга:
- информативность в отражении состояния почв как компонента экосистемы;
- чувствительность к смене экологической обстановки;
- доступность методов аналитического определения;
- правильность и воспроизводимость результатов их аналитического определения, обеспечивающие сопоставимость данных.
Выбор показателей мониторинга зависит прежде всего
от вида деградации почв. Но при любых видах деградации необходимо определение показателей из трех разных групп:
- показатели ранней диагностики неблагоприятных свойств
и режимов (биологические тесты, ферментативная активность,
окислительно-восстановительный и кислотно-основной режим
почвы, микроморфология почвы);
- показатели, характеризующие сезонные или краткосрочные
(2–5 лет) изменения почвенных свойств. Эта группа показателей
рекомендуется для оценки текущего состояния почвы и прогноза
урожайности (в том числе, и на текущий год) (влажность, кислотность, состав почвенного раствора, содержание доступных растениям элементов, дыхание почвы);
- показатели долгосрочных изменений, проявляющиеся
в течение 5–10 и более лет (мощность гумусового горизонта,
запасы гумуса, расчет эрозионных потерь почвы, структурное
состояние почвы).
94
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5.2. Виды
почвенного экологического мониторинга
На основе различий механизмов и масштабов проявления
деградации почв выделяют несколько уровней мониторинга –
глобальный, фоновый (подсистема глобального), региональный
и локальный мониторинг почв.
Локальный
мониторинг
называют
еще
санитарногигиеническим, или импактным. Локальный мониторинг направлен
на контроль уровня содержания в среде тех загрязняющих веществ,
которые выбрасывает конкретное предприятие. Контролируются в
первую очередь природные среды, наиболее чувствительные к данному загрязнителю. При этом почвы анализируются при любом случае загрязнения окружающей среды. Роль локального мониторинга
– выявление влияния деградации почв на экосистемы локального
уровня и условия жизни человека. Важно как раннее обнаружение
экологической опасности, связанной с загрязнением, так и выявление закономерностей накопления токсичных веществ. Результаты
обследования почв дают возможность ранжировать их по уровням
загрязнения и составить прогноз опасности для здоровья человека,
выработать систему рекультивационных мероприятий. В населенных пунктах контроль проводят с учетом функциональных зон.
В первую очередь обследуются почвы территорий повышенного
риска для здоровья населения (почвы детских дошкольных учреждений, школ, больниц, селитебные зоны, зоны санитарной охраны
водоемов, питьевого водоснабжения и т. п.)
Региональный мониторинг направлен на оценку влияния на
состояние окружающей среды региона всех видов человеческой
деятельности. Контроль осуществляется различными региональными службами: гидрометслужбой, агрохимслужбой, гидрохимической, лесоустроительной, сейсмологической и др. Этот вид
мониторинга можно назвать геосистемным (по И. П. Герасимову), так как в основу контроля распространения загрязняющих
веществ в регионе положены принципы распространения природных химических веществ в геосистеме.
Фоновый мониторинг является подсистемой глобального
мониторинга и является обязательным, поскольку его цель – кон95
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
троль за состоянием почв территорий, которые могут служить
эталонами окружающей среды или «нулевыми точками отсчета»
при проведении локального и регионального мониторинга. Наиболее надежной является аналитическая информация о содержании контролируемых химических веществ, полученная при непосредственном обследовании фоновых почв. Объектами наблюдения для фонового мониторинга служат почвы, характерные для
региона исследования, в минимальной степени подверженные
антропогенному воздействию (почвы заповедников, памятников
природы). Однако для фонового мониторинга могут быть использованы и обобщенные литературные данные по химическому составу почв региона, данные обследования музейных почвенных
образцов или погребенных почв с точной датировкой.
Глобальный (или биосферный) мониторинг – это система
контроля над экологическими последствиями для окружающей
среды дальнего атмосферного переноса загрязняющих веществ
в масштабах всей планеты. Задача глобального мониторинга
почв – оценка интенсивности влияния глобального переноса веществ на состояние почв, удаленных от источника загрязнения.
Слежение выполняется в заповедниках, получивших от ЮНЕСКО статус биосферных заповедников.
Показатели локального и регионального мониторинга не единообразны по контролируемым показателям и в зависимости от
этого делятся на виды. Специфические виды локального и регионального мониторинга направлены на выявление последствий
деградации химических свойств почв, с которыми связано прямое
действие почв на живые организмы (недостаток питательных веществ, токсичное действие загрязнителей, передающееся по пищевым цепям). При химическом загрязнении существенных изменений физических и морфологических изменений может и не быть.
Комплексный локальный и региональный мониторинг
почв направлен на выявление экологических последствий комплексной деградации почв, в основе которой лежат либо процессы деградации физических свойств почв, которые: 1) неизбежно сопровождаются деградацией их химических свойств
(опустынивание) или 2) начинаются с деградации химических
96
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
свойств, которая влечет за собой изменение физических, а потом и морфологических.
Универсальные виды локального и регионального мониторинга почв позволяют получить интегральную оценку деградационных процессов. В основе этого вида мониторинга лежит оценка состояния микробного или растительного ценоза, производственная оценка качества почв (по урожайности) или внешний
вид почвенного покрова сверху (космическая и аэрофотосъемка),
позволяющий оценить большие территории.
5.3. Объекты
почвенного экологического мониторинга
Объекты почвенного мониторинга должны обеспечить выявление различных видов и уровней неблагоприятных изменений
свойств почв, возникающих под влиянием хозяйственной деятельности человека, кроме этого, объекты должны дать возможность оценить изменения почв в пространстве и времени.
Перед выбором пробных площадей для мониторинга должен
быть проведен анализ всех антропогенных факторов, способных
влиять на состояние почв и экосистемы в целом. Такой анализ
позволит конкретно выявить специфический характер воздействия тех или иных факторов на почвы и сопредельные среды
и определить вид планируемого экологического мониторинга.
С видом мониторинга будет сопряжен перечень показателей состояния почв, определение которых целесообразно для данного
вида мониторинга.
Нарушения, вызванные антропогенным воздействием, во всех
случаях зависят от расстояния до источника воздействия. Рекогносцировочные исследования должны выявить ближайшую к источнику воздействия (загрязнения) зону наиболее интенсивной
деградации и зону распространения частично нарушенных почв
(буферную зону). И те и другие должны быть включены в перечень
объектов наблюдения. Чаще всего площади буферной зоны значительно превышают площади интенсивно деградированных земель.
В перечень пробных площадей при мониторинге почв должны
быть включены природные аналоги техногенно измененных ланд97
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
шафтов. Почвы природных ландшафтов служат «нулевой точкой
отсчета» и позволяют вычленить воздействие человека и природные
факторы формирования почв. Состояние почв на таких контрольных территориях следует оценивать при всех видах мониторинга.
Выбранные объекты мониторинга должны быть четко зарегистрированы, нанесены на карту (или карто-схему), это позволит следить за изменениями выбранных показателей во времени.
5.4. Выбор тестовых участков
при контроле состояния загрязненных почв
Принципы выбора точек пробоотбора на фоновой и загрязненной территории различаются. На фоновой территории местоположение тестовых участков определяют в зависимости
от ландшафтных особенностей района, для этого проводится
рекогносцировочное обследование территории. Обследование
должно выявить тип почвообразующих пород, рельеф, тип растительности и почвообразования. Количество и расположение
тестовых участков зависит от ландшафтно-геохимических и почвенных особенностей территории. Характер миграции элементов определяется родом геохимического ландшафта. Наиболее
распространенными являются следующие три рода:
- плоские равнины с замедленным водообменом, слабым эрозионным расчленением или без него (приморские низменности,
аллювиальные равнины, вулканические и другие плато) – нет выраженных зон аккумуляции, местоположение участка зависит только от свойств почвы;
- чередование плоских поверхностей со склонами, поверхностный и подземный сток более энергичен (эрозионные возвышенности, расчлененные плато) – тестовые участки располагаются и в аккумулятивном, и в элювиальном ландшафте;
- склоновые участки, плоских поверхностей почти нет, характеризуются энергичным водообменом (горный и сильно холмистый рельеф) – тестовые участки располагаются и в аккумулятивном, и в элювиальном ландшафте.
Таким образом, тестовые участки для ландшафтов 2 и 3-го
рода должны располагаться и в аккумулятивном, и в элювиаль98
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ном ландшафтах. Контрольный тестовый участок приурочен
к элювиальному ландшафту. Содержание поллютантов в почвах
аккумулятивных ландшафтов свидетельствует об их миграции
в данных условиях.
На загрязненной территории точки для отбора почвенных
проб размещают на разном расстоянии от источников загрязнения и с учетом розы ветров. Частота размещения точек опробования больше вблизи источника загрязнения (50, 100, 200, 300 м)
и сокращается по мере удаления. Форма ареала обследования
не является кругом, а представляет собой неправильную форму,
вытянутую по розе ветров. Сложность организации ландшафта
на загрязненной территории тоже должна приниматься во внимание, тестирование зон аккумуляции необходимо для составления
полной картины миграции веществ.
На тестовых участках проводятся регулярные и периодические
наблюдения. Периодичность определяется степенью промышленной освоенности территории, удаленностью от крупных загрязняющих объектов, особенностями контролируемого элемента.
5.5. Экологическое нормирование качества
загрязненных почв
Задачей экологического мониторинга является оценка состояния окружающей среды на основе регулярных наблюдений.
«Ценой» при этом являются нормативы качества окружающей
среды. Различают два основных подхода к оценке качества среды (в том числе и почв). При антропоцентрическом подходе
«нормальной» считается среда (почва), обеспечивающая требуемое качество жизни человека. Примером антропоцентрического подхода является санитарно-гигиеническое нормирование.
При экосистемном подходе «нормальной» считается экосистема, во всех звеньях которой отсутствуют значимые антропогенные нарушения. Экосистемный подход служит гарантией сохранения как живых организмов, так и человека.
Санитарно-гигиеническим критерием качества окружающей
среды служат предельно допустимые количества (ПДК) химических веществ в изучаемых объектах. ПДК соответствуют мак99
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
симальному содержанию химического вещества в природных объектах, которое не вызывает негативного (прямого или косвенного)
влияния на здоровье человека. Впервые ПДК стали определять
в воздухе рабочих помещений (1925 г.); к 1989 г. были разработаны ПДК более 300 веществ, содержащихся в атмосферном воздухе, и почти 1000 ПДК веществ для воды. Для почв к этому моменту было разработано ПДК около 30 веществ, это отставание
в количестве нормативов для химических веществ в почвах связано с неоднородностью почвенного покрова и почвенных свойств,
существенно влияющих на растворимость, реакционную способность и подвижность веществ в почве. Прямые контакты человека
с почвой несущественны или вообще отсутствуют. Человек контактирует с почвой опосредованно через другие среды или живые организмы в следующих вариантах: почва-растение-человек;
почва-растение-животное-человек; почва-воздух-человек, почвавода-человек. Определение ПДК химических веществ в почвах
фактически сводится к экспериментальному определению способности этих веществ поддерживать допустимую для живых
организмов концентрацию веществ в воде, воздухе и растениях,
контактирующих с почвой. Поэтому ПДК веществ для почв устанавливается не только по общесанитарному показателю (как это
принято для воздуха и воды), а еще и по транслокационному, миграционному водному и миграционному воздушному показателям.
Общий санитарный показатель определяют на основе полулетальной дозы ЛД 50 (доза химического вещества, вызывающая гибель 50 % подопытных животных). Транслокационный
показатель определяют по способности почв обеспечивать содержание химических веществ на допустимом уровне в растениях. Миграционный водный показатель определяют по способности обеспечивать безопасное (не выше ПДК) содержание
загрязняющих веществ в воде. Миграционный воздушный показатель определяют по способности обеспечивать безопасное
(не выше ПДК) содержание загрязняющих веществ в воздухе.
Норматив для почв устанавливается по наименьшему из всех
экспериментально найденных показателей. Уровни ПДК, установленные по разным показателям, отражают как токсичность
100
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
химических веществ, так и доминирующий механизм их распространения в природных средах.
Система нормирования на основе ПДК имеет ряд недостатков, вот основные из них:
- условия модельного эксперимента, в которых идет их лабораторное определение, существенно отличаются от природных;
- выводы о воздействии ПДК веществ на лабораторные объекты (животные, растения) переносятся без полного основания
на человека, что недостаточно обоснованно;
- при установлении ПДК моделируется действие одного фактора (в крайнем случае, не более двух – трех), в реальных условиях организм подвергается комплексному воздействию ряда факторов, которые не учитываются;
- не учитывается взаимодействие химических веществ, при
разных видах взаимодействия (антагонизм, синергизм, аддитивность) могут образовываться вещества более опасные, чем исходные;
- не учитывается возможность кумулятивного эффекта веществ;
- не учитываются свойства почв, сильно различающиеся
в разных регионах страны.
В настоящее время для преодоления несовершенств в системе экологического нормирования предлагаются различные
подходы. Одним из них является разработка ориентировочных
допустимых концентраций (ОДК) химических элементов для
почв, различающихся по важнейшим свойствам (кислотности и
гранулометрическому составу). ОДК разрабатывали на основе
обобщения имеющихся сведений о взаимосвязи между уровнем
нагрузки на почвы и состоянием почв и сопредельных сред.
В основу группировки почв по устойчивости их к тяжелым
металлам положены кислотно-щелочные условия, преобладающие
в тех или иных почвах. Для группировки почв было принято во
внимание распространение основных геохимических ассоциаций
почв на территории России. Наибольшую площадь распространения имеют геохимические ассоциации почв с кислой и нейтральной реакцией среды, которые можно разделить на две группы: по101
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
чвы с очень кислой и кислой реакцией среды (рН водной вытяжки
< 5); почвы со слабокислой и нейтральной средой (рН 5–7). В эти
две ассоциации, занимающие 60–70 % площади России, войдут
практически все подзолистые, дерново-подзолистые, серые лесные и часть черноземов. Важен учет гранулометрического состава
почв, особенно для первой группы, в которой выделили подгруппу песчаных и супесчаных почв (наименее устойчивых к загрязнению) и подгруппу суглинистых и глинистых (более устойчивых).
Уровни ОДК для одного и того же элемента для почв с разными
свойствами различаются в 4–5 раз.
Медико-географический подход лежит в основе биогеохимического нормирования. Этот вид нормирования основан на
натурных наблюдениях в биогеохимических провинциях, где самой природой созданы условия избытка или недостатка тех или
иных химических элементов. Результаты регулярных наблюдений за состоянием живых организмов и здоровьем людей на таких территориях позволяют установить их связь с содержанием
элементов в природных средах. Ценность этого подхода в опоре
на фактический, а не экспериментальный материал. Результатом
исследований стало разделение нашей страны на биогеохимические зоны: таежно-лесную нечерноземную, лесостепную и степную черноземную, сухостепную, полупустынную и пустынную,
горную. Каждая из зон мозаична, в ней могут быть выделены
биогеохимические провинции с различным уровнем содержания
химических веществ в природных средах. Для выделенных провинций проведен анализ экологических параметров, определены
те концентрации химических элементов в почвах, водах, растениях, выше или ниже которых нарушаются обменные процессы
в живых организмах. На основе биогеохимического районирования В. В. Ковальским [29] установлены пороговые концентрации
ряда химических элементов в почве.
Нормирование состояния загрязненных почв может проводиться и на основании концепции экологического риска. Риск
от химического загрязнения – это нежелательные для человека
и почв последствия антропогенной деятельности, которые могут произойти с определенной долей вероятности. Оценка эко102
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
логического риска для определенного ландшафта вследствие загрязнения почв химическими веществами проводится на основе
сведений о реальной нагрузке загрязняющих веществ на почвы
(общей и критической, выраженной в т/га), их миграции в ландшафте и учете устойчивости почв к загрязнению. При этом принимаются во внимание следующие факторы, характеризующие
ландшафт: тип почв, гранулометрический состав, положение
в рельефе, водный режим, тип растительности, почвообразующие породы. Негативный эффект влияния повышенной нагрузки
на почвы оценивается по реакции чувствительных живых организмов, чаще всего – микроорганизмов. Ориентировочный показатель экологического риска можно найти как отношение общей химической нагрузки на почвенный покров к критической
нагрузке этих веществ на эту же территорию. Уровни показателя
экологического риска загрязнения почв измеряются величинами, превышающими единицу, колеблются в широких пределах
(от 1 до 1000) и могут быть классифицированы. Нормирование
на основе концепции экологического риска имеет прямой выход
в практику, так как позволяет учитывать опасность загрязнения
почвы при расчете кадастровой стоимости (чем выше риск загрязнения почвы, тем ниже ее стоимость).
В последнее время в подходах к нормированию содержания
химических элементов в почвах все большее распространение получает экосистемное нормирование. Концепция экологического нормирования опирается на экосистемный подход. Главным
в данном подходе является тезис о том, что нормальным состояние экосистемы может быть только при сохранении ее целостности, при обеспечении сохранности биогеохимических циклов
всех химических элементов в экосистеме. Цель экосистемного
нормирования состоит в том, чтобы сохранить природу в таком
состоянии, когда все живые организмы имеют равное право на
существование. Такой подход обеспечит и сохранение человека
(популяции, индивидуума) как компонента экосистемы. Отличие
человека от большинства других организмов в том, что он является конечным концументом в большинстве трофических цепей.
Задача состоит в том, чтобы проверить, сохраняется ли уровень
103
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
содержания того или иного вещества в экосистеме при любом
антропогенном воздействии в пределах флуктуации его содержания в природных условиях или выходит за его пределы.
Теория экосистемного нормирования последовательна, но
подходы и методы ее окончательно не разработаны и находятся
в стадии становления. Так, не разработаны понятия о существенных и несущественных изменениях в экосистеме. Требуется учитывать все силы в экосистеме, которые способны компенсировать внешнее техногенное воздействие на нее. При оценке этого
влияния применяется принцип «слабого звена»: следует уделить
внимание тому виду воздействия, которое может лимитировать
развитие экосистемы. Это значит, что нагрузки, допустимые для
самого уязвимого компонента экосистемы, принимаются как допустимые для системы в целом.
При экосистемном подходе нужно принимать во внимание
не только токсическое действие химического вещества. Следует оценивать и другие возможные виды нарушений экосистемы,
такие как сокращение видового разнообразия, изменение отдельных групп биоты, выпадение из системы видов – доминантов,
изменение величины продуктивности, упрощение трофической
цепи, уменьшение ассимиляционной емкости экосистемы и ее
способности к самоочищению, разрушение экосистемы.
Выбор показателей при экосистемном нормировании зависит от того, на каком уровне организации экосистемы оцениваются изменения. Например, предлагается в качестве критериев
экологического состояния экосистемы использовать показатели
сохранности вертикальной и горизонтальной структуры фитоценоза, показатели завершенности круговорота веществ (конечным
результатом данного процесса является плодородие), баланс гумуса в почве. Если в почве поддерживается положительный запас гумуса (отсутствуют потери гумуса в многолетних циклах),
то предлагается считать нагрузки на экосистемы допустимыми.
Признаком нарушения в сохранности экосистем предлагается
считать накопление в зоне техногенного воздействия неразложившейся подстилки, что может свидетельствовать о незавершенности круговорота углерода.
104
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Контрольные вопросы по курсу
экологического почвоведения
1. Предмет и задачи экологического почвоведения.
2. История возникновения и развития почвенного покрова
Земли (криптозой, фанерозой).
3. Становление и сущность учения об экологических функциях почв – глобальных и биоценотических.
4. Глобальные экологические функции почв: почва и литосфера.
5. Глобальные экологические функции почв: почва и гидросфера.
6. Глобальные экологические функции почв: почва и атмосфера.
7. Биоценотические функции почв, связанные с ее физическими свойствами.
8. Биоценотические функции почв, связанные с ее физикохимическими свойствами.
9. Биоценотические функции почв, связанные с ее химическими свойствами.
10. Информационные функции почв.
11. Целостные биоценотические функции почв.
12. Циклические и трендовые изменения почвенных свойств.
Почвообразующие породы как фактор изменчивости почвенных
свойств.
13. Сезонные изменения климата как пример циклических
явлений и их влияние на почвенные свойства.
14. Влияние растительности и рельефа на почвенные свойства.
15. Естественная и антропогенная динамика морфологических почвенных свойств: мощности горизонтов и профиля в целом, цвета, новообразований, включений.
16. Естественная и антропогенная динамика физических
свойств почвы (гранулометрического состава, агрегированности,
плотности); влияние их динамики на почвенную биоту.
17. Основные водно-физические свойства почв и их изменение под влиянием деятельности человека.
18. Доступность почвенной влаги для растений.
19. Доступность почвенной влаги для микроорганизмов и водорослей.
105
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
20. Естественная динамика химических свойств почв: химического состава, поглотительной способности, pH, Eh.
21. Изменение химических свойств почвы под влиянием кислотных выпадений, нарушение кислотно-щелочного баланса почвы как фактор деградации химических свойств почвы .
22. Деградация химических свойств почвы под влиянием тяжелых металлов, пестицидов, радионуклидов.
23. Типы почвенно-геохимических барьеров. Поведение тяжелых металлов на различных почвенно-геохимических барьерах.
24. Дегумификация и потеря почвами элементов питания –
основная причина деградации химических свойств почв агроценозов.
25. Деградация почвенных свойств под влиянием нефти, нефтепродуктов и других органических загрязнителей.
26. Деградация микробиологических свойств почвы.
27. Почвенный экологический мониторинг: определение,
виды, объекты, показатели.
28. Показатели состояния почв при их мониторинге – биохимические и педохимические.
29. Выбор тестовых участков при контроле состояния загрязненных почв.
30. Основные подходы к экологическому нормированию качества почв и используемые критерии.
106
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Список литературы
Основная литература
1. Александровский, А. Л. Эволюция почв и географическая
среда / А.Л. Александровский, Е. И. Александровская; Ин-т географии РАН. – М. Наука, 2005. – 223 с.
2. Герасимова, М. И. Антропогенные почвы: генезис, география, рекультивация: учеб. пособие / М. И. Герасимова,
М. Н. Строганова, Н. В. Можарова, Т. В. Прокофьева. – Смоленск: Ойкумена, 2003. – 268 с.
3. Гиляров, М. С. Почвенный ярус биоценозов суши
/ М. С. Гиляров // Успехи современной биологии. – Т. 66,
вып.  1. – 1968. – С. 121–136.
4. Добровольский, Г. В. Экологические функции почвы
/ Г. В. Добровольский, Е. Д. Никитин. – М.: Изд-во МГУ, 1986.
– 137 с.
5. Добровольский, Г. В. Функции почв в биосфере и экосистемах / Г. В. Добровольский, Е. Д. Никитин. – М.: Наука, 1990.
– 270 с.
6. Добровольский, Г. В. Сохранение почв как незаменимого
компонента биосферы: Функционально-экологический подход. –
М.: Наука; МАИК «Наука/Интерпериодика», 2000. – 185 с.
7. Добровольский, Г. В. Экология почв. Учение об экологических функциях почв: учебник / Г. В. Добровольский, Е. Д. Никитин. – М.: Изд-во Моск. ун-та; Наука, 2006. – 364 с.
8. Заварзин, Г. А. Бактерии и состав атмосферы / Г. А. Заварзин. – М.: Наука, 1984. – 192 с.
9. Звягинцев, Д. Г. Биология почв / Д. Г. Звягинцев, И. П. Бабьева, Г. М. Зенова. – М.: Изд-во МГУ, 2005. – 445 с.
10. Карпачевский, Л. О. Динамика свойств почвы / Л. О. Карпачевский. – М.: Геос, 1997. – 170 с.
11. Карпачевский, Л. О. Экологическое почвоведение
/ Л. О. Карпачевский. – М.: ГЕОС, 2005. –336 с.
12. Ковда, В. А. Биохимия почвенного покрова / В. А. Ковда. – М.: Наука, 1985. – 263 с.
107
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
13. Криволуцкий, Д. А. Почвенная фауна в экологическом
контроле / Д. А. Криволуцкий. – М.: Наука, 1994. – 268 с.
14. Мотузова, Г. В. Экологический мониторинг почв: учебник / Г. В. Мотузова, О. С. Безуглова. – М.: Академический Проект; Гаудеамус, 2007. – 237 с.
15. Мотузова, Г. В. Химическое загрязнение биосферы и его
экологические последствия: учебник / Г. В. Мотузова, Е. А. Карпова. – М.: Изд- во Моск. ун-та, 2013. – 304 с.
16. Почвенно-экологический мониторинг и охрана почв / под
ред. Д. С. Орлова, В. Д. Васильевской. – М.: Изд-во МГУ, 1994.
– 272 с.
17. Роль почвы в формировании и сохранении биологического разнообразия / Г. В. Добровольский, И. Ю. Чернов (отв.
ред.). – М.: Товарищество научных изданий КМК, 2011. – 273 с.
18. Структурно-функциональная роль почв в биосфере / под
ред. Г. В. Добровольского. – М.: Геос, 1999. – 278 с.
19. Таргульян, В. О. Структурный и функциональный подход к почве: Почва – память и почва – момент / В. О. Таргульян,
И. А. Соколов // Математическое моделирование в экологии. –
М.: Наука, 1976. – С. 17–34.
Дополнительная литература
20. Аллеопатическое почвоутомление. – Киев: Наукова думка, 1979. – 246 с.
21. Березина, Н. А. Экология растений: учеб пособие для
студ. Высш. учеб. заведений / Н. А. Березина, Н. Б. Афанасьева.
– М.: Академия, 2009. – 400 с.
22. Гузев, В. С. Тяжелые металлы как фактор воздействия на
микробную систему почв / В. С. Гузев, С. В. Левин, И. П. Бабьева // Экологическая роль микробных метаболитов / под ред.
Д. Г.  Звягинцева. – М.: Изд-во МГУ, 1986. – С. 82–104.
23. Добровольский, Г. В. Лекции по истории и методологии
почвоведения: учебник. – М.: Изд-во Моск. ун-та, 2010. – 232 с.
24. Заварзин, Г. А. Взаимодействие почвенного и атмосферного воздуха / Г. А. Заварзин, Д. Г. Звягинцев, Л. О. Карпачевский, Б. Г. Розанов. – М.: Изд-во МГУ, 1985. – С. 35–47.
108
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
25. Звягинцев, Д. Г. Почва и микроорганизмы / Д. Г. Звягинцев. – М.: Изд-во МГУ, 1987. – 256 с.
26. Зонн, С. В. Современные проблемы генезиса и географии
почвы / С. В. Зонн. – М.: Наука, 1983. – 168 с.
27. Карпачевский, Л. О. Лес и лесные почвы / Л. О. Карпачевский. – М.: Лесн. пром., 1981. – 261 с.
28. Карпачевский, Л. О. Новые подходы к оценке роли почв
в биосфере. Почвоведение: № 1 / Л. О. Карпачевский. – 1987. – С. 135–137.
29. Ковальский, В. В. Геохимическая экология: Очерки
/ В. В. Ковальский. – М.: Наука, 1974. – 300 с.
30. Ковда, В. А. Основы учения о почвах. Т. 1 / В. А. Ковда.
– М.: Наука, 1973. – 447 с.
31. Криволуцкий, Д. А. Животный мир почвы / Д. А. Криволуцкий. – М.: Знание, 1969. – 48 с.
32. Макеев, О. В. Глобальная экология почвенного холода
и  тепла / О. В. Макеев. – Пущино, 1980. – 36 с.
33. Никитин, Е. Д. О биогеоценотических функциях почв
/ Е. Д. Никитин // Вестн. Моск. ун-та. Сер. Почвоведение: № 4. – 1977. – С. 3–8.
34. Овчинникова, И. Н. Экологический риск и загрязнение
почв / И. Н. Овчинникова. – М., 2003. – 363 с.
35. Ринькис, Г. Я. Оптимизация минерального питания растений / Г. Я. Ринькис. – Рига: Зинатне, 1972. – 355 с.
36. Соколов, И. А. Теоретические проблемы генетического почвоведения / И. А. Соколов. – Новосибирск: Наука, 1993.
– 231 с.
37. Страхов, Н. М. Основы теории литогенеза / Н. М. Страхов. Т. 1. – М.: АНСССР, 1960.
109
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Оглавление
Введение.............................................................................................3
1. Развитие почвенного покрова Земли...........................................4
2. Учение об экологических функциях почв................................10
2.1. Становление и сущность учения об экофункциях почвы....10
2.2. Биогеоценотические функции почв........................................14
2.2.1. Функции, обусловленные физическими свойствами
почв............................................................................................14
2.2.2. Функции, связанные с химическими свойствами почв.....20
2.2.3. Функции, определяемые физико-химическими
параметрами почв....................................................................24
2.2.4. Информационные функции..................................................27
2.2.5. Целостные биогеоценотические функции почвы..............29
3. Глобальные функции почв.........................................................32
3.1. Почва и литосфера....................................................................32
3.1.1. Биохимическое преобразование верхнего слоя
литосферы.................................................................................32
3.1.2. Почва – защитный барьер литосферы от чрезмерной
эрозии.........................................................................................34
3.1.3. Почва – источник вещества для образования пород
и полезных ископаемых...........................................................34
3.1.4. Передача аккумулированной солнечной энергии
и вещества атмосферы в недра Земли....................................36
3.2. Почва и гидросфера..................................................................37
3.2.1. Участие почвы в формировании речного стока
и водного баланса....................................................................38
3.2.2. Трансформация почвой атмосферных осадков
в почвенно-грунтовые и грунтовые воды..............................39
3.2.3. Почва как фактор биопродуктивности водоемов...............40
3.2.4. Почва – защитный барьер для акваторий............................41
3.3. Почва и атмосфера....................................................................43
110
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3.3.1. Почва как фактор формирования, эволюции
и регулятор газового состава атмосферы...............................43
3.3.2. Почва как источник твердого вещества
и микроорганизмов, поступающих в атмосферу...................45
3.3.3. Влияние почвы на энергетический режим
и влагооборот атмосферы........................................................46
4. Естественная и антропогенная динамика почвенных
свойств.......................................................................................47
4.1. Изменчивость факторов почвообразования...........................47
4.2. Природная и антропогенная динамика морфологических
свойств почвы...........................................................................51
4.3. Динамика физических свойств почвы и ее влияние
на почвенную биоту.................................................................55
4.3.1. Природная динамика физических свойств почвы..............55
4.3.2. Антропогенная динамика физических свойств почвы......60
4.4. Динамика химических свойств почв .....................................62
4.4.1. Естественная динамика химических свойств почв............62
4.4.2. Изменения химических свойств почв под влиянием
хозяйственной деятельности человека...................................73
4.5. Деградация микробиологических свойств почв....................89
5. Почвенный экологический мониторинг:понятия,
показатели, виды, объекты, методы.......................................93
5.1. Показатели почвенного экологического мониторинга.........94
5.2. Виды почвенного экологического мониторинга...................95
5.3. Объекты почвенного экологического мониторинга.............97
5.4. Выбор тестовых участков при контроле состояния
загрязненных почв...................................................................98
5.5. Экологическое нормирование качества загрязненных
почв ...........................................................................................99
Контрольные вопросы по курсу экологического
почвоведения .........................................................................105
Список литературы........................................................................107
111
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Учебное издание
Волкова Ирина Николаевна
ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ
ПОЧВОВЕДЕНИЕ
Учебное пособие
Редактор, корректор М. В. Никулина
Правка, верстка Е. Б. Половкова
Подписано в печать 08.11.2013. Формат 60×841/16.
Усл. печ. л. 6,51. Уч.-изд. л. 5,06.
Тираж 70 экз. Заказ
.
Оригинал-макет подготовлен
в редакционно-издательском отделе ЯрГУ.
Ярославский государственный университет
им. П. Г. Демидова.
150000, Ярославль, ул. Советская, 14.
112
Документ
Категория
Географические науки
Просмотров
662
Размер файла
624 Кб
Теги
почвоведения, 899, экологической
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа