Экология почв

1. Перечислить общебиосферные функции почв и назвать одну из них

Любая почва, как естественно-историческое тело, обладает общебиосферными функциями, участвуя в формировании глобальных круговоротов веществ, энергии и информации в биосфере. Насчитывается несколько десятков основных общебиосферных функций почв. Почва прямо или косвенно контролирует многие процессы в литосфере (такие например, как биохимическое преобразование ее верхних слоев, проникновение солнечной энергии в ее нижние слои и др.), гидросфере (формирование почвенных вод, трансформация поверхностных вод в грунтовые, процессы формирования речного стока и др.), атмосфере (регулирование потоков веществ, тепла, влаги и энергии приземной атмосферы, ее химического состава), а также биосферы в целом, выступая в качестве среды обитания животных и растений, источника вещества и энергии для организмов суши, а также в качестве защитного барьера.

Почва – ресурс органического вещества биосферы

О масштабах проявления накопительной, или ресурсной, функции почвы  можно судить по круговороту и  аккумулированию органического  вещества. Сам процесс накопления органического вещества и связанного с ним энергии – одна из основных экологических функций почвы. Почва по сравнению со всеми другими геосферами представляет собой основной накопитель органического С, на основе которого построено все живое.

4. Общебиосферные функции почв
1. Почва как среда обитания для организмов суши

• Биомасса живого вещества много больше биомассы океана

• Почвенная среда обитания – аккумулятор и источник вещества и энергии для организмов суши
1. Роль почвенного покрова в дифференциации географической оболочки и биосферы

1. Характер почвенного покрова определяет обособление зон, хотя основной фактор формирования географических зон

3) Почва – связующее звено  биологического и геологического  круговоротов

Биокруговорот направлен на аккумуляцию и удержание элементов на водоразделах, а в геологическом круговороте доминирует одно направление потока вещества – снос на плакорах и накопление в акваториях.

При нарушении почвенного покрова  биокруговорот ослабляется, а геологический круговорот усиливается.

4) Почва как фактор биологической  эволюции

Почва – промежуточная среда (м/д  водной и воздушной) через которую  возможен постепенный переход от водного образа жизни к наземному без резкого изменения организации живого.

Функции почвы в наземных экосистемах

2. Источник элементов питания
3. Механическая опора растений
4. Жизненное пространство, жилище и убежище
5. Депо семян и других зачатков
6. Почвенный мелкозем сорбирует м/о (больше те почвы, у которых более тяжелый мех. состав и более высокое содержание гумуса)
7. Функция стимулятора и ингибитора биохимических и других процессов (поступающие в почву разнообразные продукты метаболизма растений, м/о и животных могут стимулировать или угнетать жизнедеятельность живых организмов).

Информационные функции почв

• Память биогеоценоза (ландшафта)

Почва является отражением изменения  окружающей среды, так как она  полностью зависит от условий  среды

• Функция сигнала для сезонных и других биологических процессов

Параметры почвы – тепловой, водный, пищевой, солевой режимы – изменяются периодически. Определяет «включение» различных процессов.

Санитарная функция (переработка  ежегодно попадающих отходов жизнедеятельности  организмов, растительного опада, посмертных останков животных).

2. Роль почвенного покрова в дифференциации географической оболочки.
3. Эволюция почвенного покрова
4. Почва – связующее звено биологического и геологического круговоротов

До возникновения жизни на Земле  происходил только большой, геологический, круговорот веществ между сушей  и океаном. В геологическом круговороте  вода, испаряющаяся с поверхности  океана, выпадает на поверхность суши в виде атмосферных осадков, производя  разрушение горных пород и перенос  продуктов разрушения. При этом все  растворимые вещества, в т.ч. зольные элементы пищи растений, уносятся в реки и моря. Такой круговорот происходил только до появления жизни на Земле, т.е. в абиотических условиях. С возникновением жизни появился новый – малый, биологический круговорот веществ, противоположный геологическому. В биологическом круговороте живые организмы извлекают из большого геологического круговорота элементы пищи (N, P, S, многие макро- и микроэлементы) и накапливают их в форме органических соединений своего тела, откуда они не могут быть вымыты, т.к. живое вещество и клетки нерастворимы в воде. Растения в качестве пищи поступают в организм животных, где синтезируются новые органические соединения. После отмирания растений и животных органические соединения разрушаются микроорганизмами и элементы пищи накапливаются как в органической, так и минеральной части почвы. Итак, малый биологический круговорот происходит между почвой и живыми организмами. Элементы из большого геологического круговорота при этом включаются в малый биологический, который развивается в форме непрерывно расширяющейся спирали, обеспечивая развитие жизни на Земле. Почва – это та среда, где постоянно совершается двухсторонний процесс перехода одной формы вещества в другую, синтеза и разрушения органического вещества, непрерывный круговорот питательных элементов для растений. Благодаря этим процессам органические и минеральные вещества меняют свои свойства, переходя то в растворимое, то в нерастворимое состояние. Эти противоположные процессы и составляют сущность малого биологического круговорота. Большой геологический и малый биологический круговороты взаимосвязаны невзирая на их противоположную направленность. Медленно протекающий на протяжении столетий геологический круговорот вызывает снос вещества на плакорах и накопление в межводораздельных пространствах или акваториях. Малый биологический круговорот за год или несколько более удлиненный отрезок времени обеспечивает создание биомассы и ее разрушение. Функция малого биологического круговорота аккумулятивная. Накопление элементов биологического круговорота происходит именно в почве в силу ее сорбционных и обменных свойств, которые обеспечиваются органо-минеральными соединениями и вторичными минералами. Таким образом, почва – это связующее звено между биологическим и геологическим круговоротами и механизм, задерживающий вещества, которые могли быть вынесены континентальным геохимическим потоком. При нарушении почвенного покрова (распашка почв, сведение лесов и др. антропогенные воздействия) происходит принципиальное изменение в соотношении биологического и геологического круговоротов: ослабление биологического и усиление геологического.

5. Энергетический режим атмосферы и состояние почвенного покрова 

Взаимодействие этих геосфер заключается  в том, что почва постоянно  подвергается воздействию потоками световой энергии, идущей от Солнца, которую  почва поглощает и отражает. Трансформация  светового потока зависит от оптических свойств почвы, являющейся оптически  неоднородным многокомпонентным и  многофазовым природным образованием. Она происходит с большей степенью поглощения (около 70%) и меньшей –  отражения (около 30%). Поглощенная составляющая превращается в тепловую энергию  и определяет почвенные процессы, которые определяют газовый состав атмосферы. Спектральная отражательная  способность почв обусловлена их вещественным составом и физико-химическим состоянием поверхности почвенных  частиц. Дисперсность почв, их влажность, а также содержание гумуса, соединений Fe и Mn – основные факторы, определяющие количество отраженной энергии и ее качественный состав. Возрастание влажности активизирует процесс поглощения света почвой и уменьшает светорассеяние (Михайлова, Орлов, 1986). Средние величины интегрального отражения увеличиваются от почв тундры к подзолистым и серым лесным почвам, достигая максимума в светло-серых лесных почвах. В черноземных почвах эти величины убывают до минимума и снова возрастают в солонцах.

Почвообразование значительно  изменяет процесс взаимодействия поверхности  Земли с солнечной радиацией. Суглинистые породы отражают, например, около 20% солнечной радиации, а распаханные черноземы на тех же породах отражают лишь 5-7%. Распаханные подзолы и солонцы отражают до 30%.

6. Почва и газовый состав атмосферы

Почва –  регулятор газового состава современной  атмосферы. Состав атмосферного воздуха  зависит в основном от деятельности почвенных микроорганизмов. Кроме  того, атмосферный воздух может свободно поступать в крупные почвенные  поры, т.е. между почвой и атмосферой идет постоянный газообмен.

Основные  компоненты почвенного воздуха такие  же, как и атмосферы. Это – макрогазы (O2, N2) и микрогазы (CO2, оксиды азота, CH4, инертные газы и др.).

Почва является главным регулятором состава  атмосферы Земли. Обусловлено это  деятельностью почвенных микроорганизмов, в огромных масштабах продуцирующих  разнообразные газы — азот и его оксиды, кислород, диоксид и оксид углерода, метан и другие углеводороды, сероводород, ряд прочих летучих соединений. Большинство из этих газов вызывают «парниковый эффект» и разрушают озоновый слой, вследствие чего изменение свойств почв может привести к изменению климата на Земле.

7. Круговорот воды в биосфере и роль почвы в нем.  Формы и свойства воды в почве.

Взаимодействие почвы с водами Земли – важная часть в развитии и функционировании гидросферы. Гидросфера образована Мировым океаном и  акваториями суши и представляет собой прерывистую водную оболочку. На долю океанов и морей приходится 96% запаса воды и 72% поверхности земного  шара. Другие виды воды занимают незначительную часть от общего запаса ее на Земле. Воды почв, атмосферы и рек, являясь  наиболее подвижными и возобновляемыми, играют немаловажную роль в биосферных процессах и в круговороте  воды в целом, хотя доля их от общего запаса составляет тысячные доли процента.

На протяжении всей истории изучения круговорота воды на Земле роль почвы  как одного из гидрологических факторов в основном недооценивалась. Однако В.И.Вернадский (1934) отмечал, что почвенные растворы являются «основным субстратом жизни». Он установил четкую связь между почвенными растворами и морской, речной и дождевой водами. В целом почва играет роль посредника между климатом, речным и подземным стоком. Ни одно явление водного баланса не минует почву. Важнейшая гидрологическая функция почвы – это трансформация ею атмосферных осадков в почвенные и грунтовые воды.

Круговорот воды. Вода составляет значительную часть живых существ: в теле человека – по весу 60%, а в растительном организме достигает 95%. На круговорот воды на поверхности Земли затрачивается около трети всей поступающей на Землю солнечной энергии. Испарение с водных пространств создает атмосферную влагу. Влага конденсируется в форме облаков, охлаждение облаков вызывает осадки в виде дождя и снега; осадки поглощаются почвой или стекают в моря и океаны.

Для человечества важны фазы круговорота в пределах экосистем. Здесь происходят четыре процесса (рис. 1.3):

·      перехват. Растительность перехватывает часть выпадающей в осадках воды до того, как она достигает почвы. Перехваченная вода испаряется в атмосферу. Величина перехвата в умеренных широтах может достигать 25% общей суммы осадков, это – физическое испарение;

·      транспирация – биологическое испарение воды растениями, но не дождевая вода, а вода, заключенная в растении, т. е. экосистемная. Растения, потребляя около 40% общего количества осадков, играют главную роль в круговороте воды;

·      инфильтрация – просачивание воды в почве. При этом часть инфильтрованной воды задерживается в почве тем сильнее, чем значительнее в ней коллодоидальный комплекс, соответствующий накоплению в почве перегноя;

·      сток. В этой фазе круговорота избыток выпавшей с осадками воды стекает в моря и океаны.

Вода в почве. Вода в почве имеет огромное и разностороннее значение, она является одним из факторов плодородия и урожайности растений. С наличием воды в почве, ее количеством и качеством связаны произрастание растений и деятельность микроорганизмов, процессы почвообразования и выветривания, производственная деятельность человека, направленная на повышение урожайности сельскохозяйственных культур, и улучшение плодородия почв. Основной источник влаги — атмосферные осадки. Они поступают в почву и заполняют ее поры. Поступившая влага активно взаимодействует с твердой фазой (частью) почвы. Передвижение влаги, ее доступность растениям зависят от состава и свойств почвы. 
В естественных условиях почва обладает различной степенью влажности. Понятие «влажность» характеризует содержание воды в почве, выраженное в процентах от массы сухой почвы (весовая влажность) или от объема почвы (объемная влажность). Влажность может изменяться в широких пределах — от избыточной до влажности устойчивого завядания растений, при которой появляются первые признаки увядания растений с хорошо развитой корневой системой. 
У дерново-подзолистых, песчаных и супесчаных почв влажность завядания составляет 4—6%, у глинистых— 10-12%. 
Влага в почве имеет различную подвижность и доступность для растений; исходя из этого в ней выделяют несколько форм влаги: 1) химически связанную и кристаллизационную; 2) сорбированную; 3) капиллярную; 4) гравитационную; 5) грунтовую; 6) парообразную; 7) твердую. 
Химически связанная и кристаллизационная вода входит в состав молекул минералов в виде ионов ОН{Fе(ОН)3, Аl(ОН)3}, при прокаливании удаляется в виде воды. Растениям эти формы воды недоступны. 
Сорбированная вода удерживается на поверхности почвенных частиц сорбционными силами, то есть молекулы воды притягиваются к твердым частицам почвы и прочно удерживаются ими. Эту форму воды подразделяют на два вида: гигроскопическую и пленочную. Гигроскопическая влага — парообразная, поглощенная частицами твердой фазы из воздуха. Она покрывает твердые частицы в виде тонкой пленки, слоем 2—3 молекулы, и прочно удерживается. Эта вода прочносвязанная, недоступна растениям. Пленочная вода располагается сверху слоя гигроскопической влаги, толщина ее пленки составляет несколько десятков молекул. Пленочная влага называется рыхлосвязанной, но доступна она растениям лишь частично. 
Капиллярная вода — это свободная почвенная влага, находящаяся в тонких порах (капиллярах) почвы, она удерживается и передвигается под влиянием капиллярных (менисковых) сил, от более влажных участков к менее увлажненным, из крупных капилляров в мелкие и в любом направлении — горизонтальном и вертикальном. 
Капиллярная вода легко доступна растениям и является основным источником снабжения их влагой. 
Гравитационная вода — свободная почвенная влага, заполняет в почве крупные капилляры и поры, передвигается под влиянием силы тяжести, просачиваясь в водоносные горизонты. Гравитационная вода доступна растениям, но в снабжении их водой участия принимает мало из-за быстрого просачивания или перехода в другие формы. 
Грунтовая вода — влага водоносного слоя почвы, лежащего ниже почвенной толщи, удерживаемая слоем водоупора. Использование грунтовой воды растениями возможно, но при их близком залегании и поднятии до корнеобитаемого слоя. 
Парообразная вода — влага, содержащаяся в почвенном воздухе в незначительном количестве. Она недоступна для растений, но при переходе в капельножидкую может снабжать растения водой. 
Твердая вода (лед) — переход влаги из жидкого состояния в твердое; происходит у свободных форм влаги при температуре ниже 0° С. 
Водные свойства почвы. Основные водные свойства водопроницаемость, влагоемкость, водоподъемная способность и водоотдача. 
Водопроницаемость — свойство почвы как пористого тела пропускать через себя воду. Она зависит от механического состава, структурного состояния почвы и ее сложения. В почвах легкого механического состава водопроницаемость выражена хорошо, а почвы тяжелые и особённо бесструктурные слабоводопроницаемы. При наличии водопрочной структуры суглинистые и глинистые почвы обладают высокой водопроницаемостью. У почв рыхлого сложения она выше, чем у почв уплотненных. 
Влагоемкость характеризует способность почвы удеряживать влагу. Различают несколько видов влагоемкости, основные из них наименьшая, капиллярная и полная. 
Наименьшая влагоемкость (полевая) — предельное количество влаги, которое способна удерживать почва в полевых условиях после стекания гравитационной воды и при отсутствии капиллярного увлажнения за счет грунтовых вод. При наименьшей влагоемкости в почве содержится максимальное количество воды, доступной для растений, так как водой заполнено 50—70% пор почвы. 
Капиллярная влагоемкость — количество влаги, которое способна удерживать почва в капиллярно-подпертом состоянии, то есть при наличии капиллярной связи с грунтовой водой, за счет которой она пополняется. 
Полная влагоемкость — содержание влаги в почве при условии полного заполнения всех пор водой. 
Влагоемкость почвы зависит от механического состава, содержания гукуса и структуры. Суглинистые и глинистые почвы обладают наибольшей влагоемкостью по сравнению с почвами супесчаными и песчаными. Почвы, богатые гумусом, структурные, способны удерживать влаги больше, чем почвы бесструктурные, слабогумусированные. 
Сельскохозяйственные растения предъявляют неодинаковые требования к содержанию влаги в почве. Наилучшие условия для роста зерновых культур создаются при влажности почвы 30—50%, для зерновых бобовых - 50—60, корнеплодов и технических культур 60—70 и луговых трав — 80—90% полной влагоемкости. 
Водоподъемная способность — способность почвы медленно втягивать в себя воду по капиллярным порам под действием менисковых сил (сцепления воды с почвенными частицами)." Высота и скорость поднятия воды зависят от ширины капилляров: чем меньше их диаметр, тем выше эти показатели. В крупных порах поднятие влаги происходит на меньшую высоту, но с большей скоростью. 
Почвы тяжелые, бесструктурные обладают лучшей водоподъемной способностью по сравнению с почвами легкими и структурными. 
Расход влаги из почвы. Следует различать два вида расхода влаги: производительный и непроизводительный. К первому виду относится потребление влаги растительным покровом, ко второму — испарение с поверхности почвы, инфильтрация в грунтовые воды, сток воды и снос снега с поверхности почвы. Наибольший расход влаги происходит в результате ее испарения с поверхности почвы (физическое испарение). При этом почва может иссушаться на глубину 0—20 см, а в засушливых районах — до 0—40 см и более. Скорость испарения влаги зависит от внешних условий и свойств почвы. Испарение увеличивается с повышением температуры и скорости ветра, оно зависит и от формы поверхности. Волнистая поверхность (гребнистая, глыбистая) расходует влаги больше, чем ровная. Растительный покров и мертвый опад растений на поверхности почвы резко сокращают физическое испарение.