Конспект теории. Общая закономерность развития теоретического почвоведения – постоянное повышение статуса организмов в почвообразовании (Ярилов

Общая закономерность развития теоретического почвоведения – постоянное повышение статуса организмов в почвообразовании (Ярилов, 1937). По В.В.Докучаеву, организмы (живая фаза) один из факторов почвообразования.

Познание роли организмов в формировании почв происходило сложными и извилистыми путями. Одна из сложностей заключалась в том, что общее признание роли организмов и получение конкретных данных о такой роли были очень разными вопросами (Иванов, 2003).

Почвы и растения. Известно, что растения в результате фотосинтеза служат основным поставщиком органического вещества в почвы. Высока их роль в образовании гумуса. При изучении почв обнаружилась связь в распространении почв и растений. Эти знания использовались и применяются до сих пор в фитоиндикации (распознавание свойств по растениям). Например, такие растения, как кошачья лапка, звездчатка злачная (мокрица), хвощ полевой, подорожник указывают на кислую реакцию среды (рН) в почве. Проблемы фитоиндикации подробно рассмотрены в работах Л.Г. Раменского (1956, 1971); С.В. Викторова (1974, 1985).

При исследовании фитоценозов, лесов и пастбищ важным направлением стало познание биологической продуктивности в целом, ее структуры, количественного, в том числе весового, соотношения надземной и подземной частей, опада, подстилки (мортмассы). Большое значение для почвоведения России приобрели исследования наземной и подземной частей растительности. Они показали резкое преобладание в степях подземной фитомассы над наземной. Таким образом, основные функции растений: 1) продуценты органического вещества почвы; 2) индикаторы биогеоценозов; 3) фиксаторы солнечной энергии; 4) принимают участие в регулировании водного и температурного режима почвы; 5) корневые выделения оказывают существенное влияние на биохимические процессы в почве.

Почвы и микроорганизмы, почвенная микробиология. Исследование роли микроорганизмов в почвообразовании стало возможным в результате работ Л. Пастера. Начало становления микробиологии почв в мире и в России как самостоятельного раздела почвоведения приходится на тридцатые годы двадцатого века. Оно связано с именами С.А. Ваксмана (США), а в нашей стране – Н.Г. Холодного, С.П. Костычева, Д.М. Новогрудского, Н.Н. Худякова, Е.Н. Мишустина, Н.М. Лазарева, Н.А. Красильникова. Их работами были установлены первые микробиологические различия между почвами разных природных зон, гранулометрического состава и неодинакового землепользования. На кафедре биологии почв МГУ во второй половине двадцатого века установлены основные принципы строения и функционирования комплекса почвенных микроорганизмов. Определено значение адгезии клеток в жизнедеятельности почвенных микробов. Впервые было обосновано положение о том, что разные уровни антропогенных нагрузок на микробную систему почвы вызывают разные типы ее изменчивости.

Основные функции микроорганизмов: 1) деструкция и синтез органического вещества; 2) определяют интенсивность биологических процессов в почве; 3) влияют на пищевой режим; 4) могут быть индикаторами экологического состояния почв.

Зоология почв. Общие соображения о роли животных в образовании почв высказывались, начиная с эпохи Возрождения. Докучаев и Костычев отмечали активную жизнь животных в черноземе. Первый фундаментальный труд о роли дождевых червей в образовании почв принадлежит Ч. Дарвину. Систематические исследования по зоологии почв начались в конце 1930-х гг. опубликованием работы М.С. Гилярова «Почвенная фауна и жизнь почвы».

Масса органического вещества создаваемая растениями и водорослями, т.е. первичными продуцентами, поступает далее в биологический круговорот к следующему звену – потребителям растительной продукции. Часть этой массы отчуждается (поедается) непосредственно «на корню» животными фитофагами, другая часть поступает в сапротрофный ярус, в котором происходит потребление и разложение мертвых растительных остатков. В этой части цикла животные - преобразователи органической массы, хотя их роль как разлагателей менее значительная, чем роль грибов и бактерий.

Сейчас установлено, что практически все природные почвы заселены животными, состав и обилие которых определяется особенностями гидротермического режима, физико-химическими свойствами минеральной массы, составом и структурой растительного покрова и микробного населения.

Функции почвенных животных: 1) влияют на формирование почвенного профиля; 2) определяют динамику содержания гумуса, химизм почв, структуру; 3) обуславливают темпы деструкционных процессов и биологическую активность; 4) питаясь живыми и отмершими растительными тканями, создают органогенный слой, в котором почти 90 % массы составляют их экскременты; эта масса составляет основу гумусового горизонта, состав и структура которого постепенно усложняется и дифференцируется в ходе растительной сукцессии и накопления мелкозема, растительного опада и отмершей корневой массы.

Общая характеристика животного населения почвы складывается из оценки размеров, численности, зоомассы и суммарного метаболизма почвенной фауны. Подробно данные об этих показателях можно найти у М.С. Гилярова (1965), Б.Р. Стригановой (2003).

Информацию о распространении почвенных животных можно использовать для целей зооиндикации во время биодиагностики почв. Зооиндикация – это распознавание на основе почвенной фауны. Для правильной диагностики необходимо знать экологию почвообитающих организмов (Бабьева, Зенова, 1989). Каждый вид в пределах своего ареала занимает определенные местообитания, совокупность условий в которых отвечает исторически выработавшимся требованиям данного вида. Условия, отвечающие требованиям того или иного комплекса организмов, приводят к формированию определенных типов почв.

Изучение биологического круговорота и биогеохимических циклов занимает особое место в почвенной биологии в последние годы. Интерес связан с тем, что именно через почву и почвенный покров проходят сложнейшие процессы обмена веществом и энергией между земной корой, атмосферой и гидросферой со всеми обитающими на земле организмами. К настоящему времени известно не менее 65 элементов периодической системы, которые подвергаются микробному воздействию, вызывающему, по образному выражению В.И. Вернадского, «вихрь миграции элементов».

Микробные системы играют первостепенную роль в биологическом круговороте и определяют гомеостаз (устойчивость) экосистем. Почвенные микроорганизмы в естественных биогеоценозах поддерживают на постоянном, характерном для данного типа почвы уровне органическое вещество (гумус), содержание подвижного азота, фосфора, скорость разрушения минералов и т.д. Современные исследования направлены на поиск оценочных показателей, с помощью которых можно было диагностировать и документировать потенциальный риск изменения устойчивости почв в результате влияния внешних воздействий (Ананьева, 2003). Важнейшей составляющей почвы является микробная биомасса (МБ). Доля этого компонента в составе органического вещества незначительна (до 5%). Однако, считается, что круговорот веществ и энергии не может осуществиться, не пройдя через микробную биомассу. МБ – живая часть органического углерода почвы и более чувствительная к различным воздействиям и нарушениям, чем органическое вещество в целом.

Хозяйственная деятельность человека, в частности в сельском хозяйстве, приводит к интенсификации процессов, осуществляемых почвенными микроорганизмами. В результате происходят чрезмерно быстрое разрушение органического вещества, превращение внесенных азотных удобрений в нитраты с последующим их вымыванием в грунтовые воды и реки, развитие процесса денитрификации и т.д.

Таким образом, общий тезис, часто применяемый в почвенной микробиологии, «чем больше, тем лучше» (в отношении количества микроорганизмов, ферментативной активности почв, скорости разложения клетчатки на зарытых в почву кусках ткани, дыхания почвы и т.д.), кажется все более сомнительным (Звягинцев, 2003). Отличие микроорганизмов от высших организмов состоит в том, что их количество может быть совсем непропорционально их реальному воздействию на экосистему и не пропорционально интенсивности проводимых ими процессов. Количество же животных и растений, а также их биомасса в гораздо большей степени пропорциональны их вкладу в круговорот вещества и энергии в экосистеме.

Немалые потенциальные возможности говорят, как правило, о большей способности системы сохранять равновесие при изменяющихся внешних воздействиях. В этом отношении экосистемы (целина) с высокой потенциальной биологической активностью могут быть устойчивее. Однако гипертрофированная (очень высокая) полевая (реальная) биологическая активность скорее ведет к разрушению экосистемы, чем к ее поддержанию.

Для естественных экосистем должен быть характерен свой оптимум микробиологической реальной активности, и выход за его пределы, как в сторону понижения, так и в сторону повышения вреден. Определение средней реальной биологической активности, характерной для данной почвы, крайне необходимо, так как это позволило бы устанавливать повреждения в функционировании комплекса микроорганизмов.

Совокупная деятельность почвенной биоты оценивается по выделению углекислоты СО₂ («дыханию почвы»). Для проведения таких исследований не требуется особых микробиологических знаний: дается интегральная оценка с употреблением термина «биота». В.И. Кирюшин обобщив данные многих исследований, предложил систему оценки биологической активности почвы. Она включает наряду с оценкой дыхания почвы по выделению углекислоты показатели ферментативной активности почвы в цикле углерода, азота, фосфора и общую каталитическую активность почвы (табл.). Другие авторы в качестве интегрального показателя биологической активности почвы предлагают рассматривать суммарную активность биомассы почвенных микроорганизмов.

Таблица. Шкала для оценки биологической активности почвы

Показатель	Активность
Очень слабая	Слабая	Средняя	Высокая	Очень высокая
Выделение СО2, СО2 /10 г/сут.	0-5	5-10	10-15	15-25	>25
- // - С-СО2 /10 г/сут.	0-1,4	1,4-2,7	2,7-4,1	4,1-6,8	>6,8
- // - г СО2 м^2/сут.	-	<12	12-24	>24	-
- // - г С-СО2 м^2/сут.	-	<3,3	3,3-6,6	>6,6	-
Каталаза, О2, см^3/г/мин.	До 1	1-3	3-10	10-30	>30
Инвертаза, мг глюкозы/г/сут.	До 5	5-15	15-50	50-150	>150

Итак, в истории отечественного почвоведения существовало несколько направлений изучения взаимодействия живых организмов и почвы. Среди них выделяют следующие:

1) изучение роли растений в почвообразовании (П.А. Костычев, С.И. Коржинский, Н.А. Красильников);

2) изучение значимости микроорганизмов (С.Н. Виноградский, П.А. Костычев, В.Л. Омелянский, Е.Н. Мишустин);

3) исследование роли почвенных животных (Ч. Дарвин, В.И. Вернадский, Г.Н. Высоцкий, Н.А. Димо, М.С. Гиляров);

4) изучение роли живого вещества в целом и его геохимической роли (В.И. Вернадский, С.В. Зонн, Д.Г. Звягинцев);

5) изучение роли биологического круговорота и биогеохимических процессов (В.И. Вернадский, В.Р. Вильямс, С.П. Кравков, Б.Б. Полынов, Н.П. Ремезов, Н.И. Базилевич, Родин, М.А. Глазовская, В.А. Ковда).

Для установления причинно-следственных связей в почвоведении необходимо знать информацию о структуре главного объекта исследований – почве, динамике ее свойств. Как правило, первым этапом в практической работе исследователя является сбор фактических данных. Другими словами мы определяем или диагностируем свойства почвы при помощи основных (значимых) показателей. К ним чаще относят: содержание гумуса, гранулометрический состав, реакцию среды, ЕКО, структуру, морфологические признаки и т.д. Однако, биологические методы оценки состояния почв по сравнению с традиционными (химическими, физическими), используются незначительно, особенно в практическом почвоведении и экологии. В то же время, применение методов биодиагностики особенно убедительно, когда требуется интегральная оценка состояния почвы. Биодиагностика почв – это распознавание современного состояния почвы по ее биологическим свойствам.

По данным Ю.Г. Гельцер (1986), данные биологических исследований используются в тех случаях, когда классические методы – морфологические, химические, физические, либо не показывают достоверных различий сравниваемых почв или протекающих в них процессов, либо применение их затруднено и нерентабельно. Прежде всего, это разнообразные оценочные исследования в области генезиса и систематики, плодородия и бонитировки почв, оценки степени химического загрязнения.

Биодиагностика почв должна входить в систему мониторинга окружающей среды. Мониторинг – это система наблюдений, оценки, прогноза за состоянием почвы и земельного фонда с целью рационального использования и охраны. Биологический мониторинг отличается использованием индикаторов, представляющих информацию о живой части объекта. В целом мониторинг почвенной среды направлен на быструю диагностику нарушений биоты и на разработку путей управления важными процессами в почве.

Основные понятия и термины биодиагностики:

Экологический стандарт почвообитающих организмов (по Гилярову) – сочетание основных факторов среды: температуры, влаги, питательных веществ и т.д., обеспечивающих их жизнедеятельность.

Экологический стандарт почвы (по Волобуеву и Соколову – «экологическая ниша почвы») – часть пространства, на котором в результате совокупного действия факторов формируется конкретная почва с определенными свойствами.

Таким образом, согласно принципу биодиагностики, основная задача будет заключаться в поисках сходства между экологией изучаемого ареала почвы и экологией организмов-индикаторов, обитающих в пределах данного ареала.

Для того чтобы решить эту задачу необходимо иметь представление о широте экологического стандарта организмов и почвы. По Гилярову, широта экологического стандарта организмов определяется как амплитуда колебаний факторов среды, в пределах которой возможно существование вида.

Эврибионтный – вид организма с большой широтой экологического стандарта;

Стенобионтный – вид организма с небольшой широтой экологического стандарта.

Дата добавления: 2014-11-25