Едафічні (грунтові) чинники

Грунтом називають шар речовини, що лежить поверх гірських порід земної кори. Російський вчений Докучаєв в 1870 році першим розглянув грунт як динамічну, а не інертне середовище. Він довів, що грунт постійно змінюється і розвивається, а в її активній зоні йдуть хімічні, фізичні і біологічні процеси. Грунт формується в результаті складної взаємодії клімату, рослин, тваринних і мікроорганізмів. Радянський академік грунтознавець Вільямс дав ще одне визначення грунту - це рихлий поверхневий горизонт суші, здатний проводити урожай рослин. Зростання рослин залежить від вмісту необхідних живильних речовин в грунті і від її структури.

До складу грунту входять чотири основні структурні компоненти: мінеральна основа (звичайно 50-60% загального складу грунту), органічна речовина (до 10%), повітря (15-25%) і вода (25-30%).

Мінеральний скелет грунту - це неорганічний компонент, який утворився з материнської породи в результаті її вивітрювання.

Понад 50% мінеральний склад грунту займає кремнезем SiO2, від 1 до 25% доводиться на глинозем Al2О3, від 1 до 10% - на оксиди заліза Fe2О3, від 0,1 до 5% - на оксиди магнію, калія, фосфору, кальцію. Мінеральні елементи, створюючі речовину грунтового скелета, різні за розмірами - від валунів і каміння до піщаних крупинок - частинок діаметром 0,02?2 мм, мула - 0,002?0,02 мм і найдрібніших частинок глини - менше 0,002 мм в діаметрі. Їх співвідношення визначає структуру грунту. Вона має велике значення для сільського господарства. Глини і суглинки, що містять приблизно рівну кількість глини і піску, звичайно придатні для зростання рослин, оскільки містять достатньо живильних речовин і здатні утримувати вологу. Піщані грунти швидше дренируются і втрачають живильні речовини через вилуговування, але їх вигідніше використовувати для отримання ранніх урожаїв, оскільки їх поверхня висихає весною швидше, ніж у глинистих грунтів, що приводить до кращого прогрівання. Із збільшенням каменястості грунту зменшується її здатність утримувати воду.

Органічна речовина грунту утворюється при розкладанні мертвих організмів, їх частин і экскрементов. Органічні залишки, що не повністю розклалися, називаються підстилкою, а кінцевий продукт розкладання - аморфна речовина, в якій вже неможливо розпізнати первинний матеріал - називається гумусом. В хімічному плані це дуже складна суміш мінливого складу, утворена органічними молекулами різних типів; в основному гумус складається з фенолових з'єднань, карбонових кислот і складних ефірів жирних кислот. Гумус, подібно глині, знаходиться в колоїдному стані; окремі частинки його міцно прилипають до глини і утворюють глино-гумусний комплекс. Так само як і глина, гумус володіє великою поверхнею частинок і високою катионообменной здатністю. Ця здатність особливо важлива для грунтів з низьким змістом глини. Аніони в гумусі - це карбоксильні і фенолові групи. Завдяки своїм фізичним і хімічним властивостям гумус покращує структуру грунту і її аерацію, а також підвищує здатність утримувати воду і живильні речовини.

Одночасно з процесом гумификации життєво важливі елементи переходять з органічних сполук в неорганічні, наприклад, азот- в іони амонія NH4+, фосфор - в ортофосфат-іони H2PO4-, сіра - сульфат-іони SO42-. Цей процес називається мінералізацією.

Грунтове повітря також як і грунтова вода, знаходиться в порах між частинками грунту. Порозность (об'єм пір) зростає в ряді від глин до суглинків і пісків. Між грунтом і атмосферою відбувається вільний газообмін, внаслідок чого повітря обох середовищ має схожий склад. Звичайно в повітрі грунти через дихання населяючих її організмів дещо менше кисню і більше вуглекислого газу, ніж в атмосферному повітрі. Кисень необхідний для коренів рослин, грунтових тварин і организмов-редуцентов, розкладаючих органічна речовина на неорганічні складові. Якщо йде процес заболочування, то грунтове повітря витісняється водою і умови стають анаеробними. Грунт поступово стає кислим, оскільки анаеробні організми продовжують виробляти вуглекислий газ. Грунт, якщо вона небагата підставами, може стати надзвичайний кислій, а це разом з виснаженням запасів кисню несприятливо впливає на грунтові мікроорганізми. Тривалі анаеробні умови ведуть до відмирання рослин.

Грунтові частинки утримують навкруги себе деяку кількість води. Частина її, звана гравітаційною водою може вільно просочуватися вниз через грунт. Це веде до вилуговування, тобто до вимивання з грунту різних мінеральних речовин, у тому числі азоту. Гравітаційна вода проходить до рівня грунтових вод, глибина залягання яких коливається залежно від кількості випадаючих опадів.

Вода може також утримуватися навкруги окремих колоїдних частинок у вигляді тонкої міцної зв'язаної плівки. Цю воду називають гігроскопічною. Вона адсорбується за рахунок водневих зв'язків на поверхнях кварцу і глини або на катіонах, пов'язаних з глинистими мінералами і гумусом. Ця вода якнайменше доступна для коренів рослин, і саме вона останній утримується в дуже сухих грунтах. Кількість гігроскопічної води залежить від вмісту в грунті колоїдних частинок, тому в глинистих грунтах її набагато більше - приблизно 15% вага грунту, ніж в піскуватих - приблизно 0,5%. У міру того, як нагромаджуються шари води навкруги грунтових частинок, вона починає заповнювати спочатку вузькі пори між цими частинками. а потім розповсюджується у все більш широкі пори. Гігроскопічна вода поступово переходить в капілярну, яка утримується навкруги грунтових частинок силами поверхневого натягнення. Капілярна вода може підійматися по вузьких порах і канальцях від рівня грунтових вод. Рослини легко поглинають капілярну воду, яка грає найбільшу роль в регулярному постачанні їх водою. На відміну від гігроскопічної ця вода легко випаровується. Тонкоструктурниє грунти, наприклад глини, утримують більше капілярної води, ніж грубоструктурные, такі, як піски.

Вода необхідна всім грунтовим організмам. Вона поступає в живі клітки шляхом осмосу. Вода також важлива як розчинник для живильних речовин і газів, що поглинаються з водного розчину коренями рослин. Вона бере участь в руйнуванні материнської породи, що підстилає грунт, в процесі почвообразовния.

Хімічні властивості грунту залежать від змісту мінеральних речовин, які знаходяться в ній у вигляді іонів. Деякі іони є для рослин отрутою, інші - життєво необхідні. Особливий вплив на характеристики грунтів надає концентрація іонів водню. Флора грунтів, кислотність яких близька до нейтрального значення (рН? 7), особливо багата видами. Вапняні і засолені грунти мають рН=8?9, а торф'яні - до 4. На цих грунтах розвивається специфічна рослинність.

В грунті мешкає безліч видів рослинних і тваринних організмів, що впливають на її физико-хімічні характеристики: бактерії, водорості, гриби або найпростіші одноклітинні, черв'яки і членистоногі. Біомаса їх в різних грунтах рівна (в кг/га): бактерій 1000?7000, мікроскопічних грибів - 100?1000; водоростей 100?300, членистоногих - 1000; черв'яків 350?1000.

В грунті здійснюються процеси синтезу, біосинтезу, протікають різні хімічні реакції перетворення речовин, пов'язані з життєдіяльністю бактерій. За відсутності в грунті спеціалізованих груп бактерій їх роль виконують грунтові тварини, які переводять крупні рослинні залишки в мікроскопічні частинки і таким чином роблять органічні речовини доступними для мікроорганізмів.

Органічні речовини виробляються рослинами при використовуванні мінеральних солей, сонячної енергії і води. Таким чином, грунт втрачає ті мінеральні речовини, які рослини узяли з неї. В лісах частина живильних речовин знов повертається в грунт через листопад. Культурні рослини за якийсь період часу вилучають з грунту значно більше біогенних речовин, ніж повертають в неї. Звичайно втрати живильних речовин заповнюються внесенням мінеральних добрив, які в основному прямо не можуть бути використаний рослинами і повинні бути трансформований мікроорганізмами в біологічно доступну форму. За відсутності таких мікроорганізмів грунт втрачає родючість.

Основні біохімічні процеси протікають у верхньому шарі грунту товщиною до 0,4 метра, оскільки в ньому мешкає найбільша кількість мікроорганізмів. Одні бактерії беруть участь в циклі перетворення тільки одного елемента, інші - в циклах перетворення багатьох елементів. Якщо бактерії минерализуют органічна речовина - розкладають органічну речовину на неорганічні з'єднання, то найпростіші знищують надмірну кількість бактерій. Дощові черв'яки, личинки жуків, кліщі розпушують грунт і цим сприяють її аерації. Крім того, вони переробляють важко розщеплювані органічні речовини.

До абиотическим чинників середовища незаселеного живих організмів відносяться також чинники рельєфу (топографія). Вплив топографії тісно пов'язаний з іншими абиотическими чинниками, оскільки вона може сильно позначатися на місцевому кліматі і розвитку грунту.

Головним топографічним чинником є висота. З висотою знижуються середні температури, збільшується добовий перепад температур, зростають кількість опадів, швидкість вітру і інтенсивність радіації, знижуються атмосферний тиск і концентрації газів. Всі ці чинники впливають на рослини і тварин. В результаті звичайним явищем стала вертикальна зональна.

Гірські ланцюги можуть служити кліматичними бар'єрами. Гори служать також бар'єрами для розповсюдження і міграції організмів і можуть грати роль лімітуючого чинника в процесах видообразования.

Ще один топографічний чинник - експозиція схилу. В Північній півкулі схили, обернуті на південь, одержують більше сонячного світла, тому інтенсивність світла і температура тут вище, ніж на дні долин і на схилах північної експозиції. В Південній півкулі має місце зворотна ситуація.

Важливим чинником рельєфу є також крутизна схилу. Для крутих схилів характерний швидкий дренаж і змивання грунтів, тому тут грунти малопотужні і більш сухі, з ксероморфной рослинністю. Якщо ухил перевищує 35°, грунт і рослинність звичайно не утворюються, а створюються осипи з рихлого матеріалу.

Серед абиотических чинників особливої уваги заслуговує вогонь або пожежу. В даний час екологи прийшли до однозначної думки, що пожежу треба розглядати як один з природних абиотических чинників разом з температурою, атмосферними осіданнями, грунтом і т.п.

Пожежі як екологічний чинник бувають різних типів і залишають після себе різні наслідки. Верхові або дикі пожежі, тобто дуже інтенсивні і непіддатливі забороні, руйнують всю рослинність і всю органіку грунту, наслідки ж низових пожеж абсолютно інші. Верхові пожежі надають лімітуючу дію на більшість організмів - биотическому співтовариству доводиться починати все спочатку з того небагато чого, що залишилося, і повинне пройти багато років, поки ділянка знову стане продуктивною. Низові пожежі, навпаки, володіють виборчою дією: для одних організмів воно виявляються більш лімітуючим, для інших - менш лімітуючим чинником і таким чином сприяють розвитку організмів з високою толерантністю до пожеж. Крім того, невеликі низові пожежі доповнюють дію бактерій, розкладаючи померлі рослини і прискорюючи перетворення мінеральних елементів живлення у форму, придатну для використовування новими поколіннями рослин.

Якщо низові пожежі трапляються регулярно раз в декілька літ, на землі залишається мало вітролому, це знижує вірогідність спалаху крон. В лісах, що не горіли більше 60 років, нагромаджується стільки горючої підстилки і відмерлої деревини, що при її запалюванні верхова пожежа майже неминуча.

Рослини виробили спеціальні адаптації до пожежі, так само як вони зробили по відношенню до інших абиотическим чинників. Зокрема, нирки злаків і сосен приховані від вогню в глибині пучків листя або хвоинок. В періодично вигоряючих місцепроживаннях ці види рослин одержують переваги і вогонь сприяє їх збереженню, вибірково сприяючи їх процвітанню; широколиственные ж породи позбавлені захисних пристосувань від вогню, він для них згубний.

Таким чином, пожежі підтримують стійкість лише деяких екосистем. Листопадним і вологим тропічним лісам, рівновага яких складалася без впливу вогню, навіть низова пожежа може заподіяти великий збиток, поруйнувавши багатий гумусом верхній горизонт грунту, привівши до ерозії і вимивання з неї біогенних речовин.

Іонізуюче випромінювання - випромінювання з дуже високою енергією - є невід'ємною характеристикою навколишнього середовища. Взаємодіючи з речовиною, випромінювання вибиває електрони з атомів і приєднує їх до інших атомів з утворенням пар позитивних і негативних іонів. Іонізація є основною причиною радіаційного пошкодження цитоплазми, ступінь якого пропорційний числу пар іонів, що утворилися в пошкодженій речовині. Джерелом природного, або фонового, випромінювання служать 1) космічне проміння; 2) калій-40 in vivo (що входить до складу живих тканин); 3) природні радіоактивні ізотопи, що містяться в гірських породах і грунті.

Важливе екологічне значення мають?-излучение (направлений потік ядер атомів гелію 42Не)?- випромінювання (швидкі електрони), електромагнітні?- (? = 5(10-11?5(10-13 м) і рентгенівське випромінювання (? = 5(10-8?5(10-12 м). Всі перераховані види радіації (і корпускулярні, і хвильові) врешті-решт поглинаються біологічними системами з однаковими наслідками: електронні оболонки атомів в клітках деформуються і атоми іонізуються. У результаті біологічне пошкодження кліток проводять быстродвижущиеся електрони, вибиті з атомів - незалежно від типу первинної радіації.

Проте по (силі разрушения(в клітці, по густині виділення енергії на одиницю відстані, пройденої хвилею або частинкою, всі перераховані види радіації сильно відрізняються один від одного. Так, важкі частинки (?-частицы) створюють зону надзвичайно високої густини іонізації, легкі ж частинки (електрони або електрони, вибиті рентгенівськими и/или?-лучами) створюють зону низкою густини іонізації, викликаючи інші біологічні ефекти.

Виділяють два типи біологічних пошкоджень, що викликаються радіацією.

Фізичний, або (пулеобразный((I тип). В цьому випадку вибиті електрони руйнують молекулярні зв'язки безпосередньо в структурі, де вони були вибиті. Така пряма дія, що протікає дуже швидко, служить головною причиною пошкодження ДНК в ядрах кліток при опромінюванні, приводячи до генетичних мутацій і порушень.

Хімічний, або непрямий (II тип). Тут збиток біологічній структурі наносять реакційні частинки, які утворилися оддалік цієї структури, але наблизилися до неї в результаті блукань. Наприклад, що міститься в клітці кисень, захоплюючи вибиті електрони, перетворюється на іон-радикала О2-(. Цей іон-радикал токсичний, оскільки здатний активно окисляти фосфоліпіди мембран, порушуючи їх цілісність і функціонування.

При першому типі біологічного пошкодження важка іонізуюча частинка (наприклад?-частица), проходячи через ядро клітки, розірве обидві нитки ДНК з більшою вірогідністю, ніж легка частинка (?-частица), що проводить слабу іонізацію. Проте для другого, непрямого типу дії картина представляється зворотною. Легкі частинки, створюючи при проходженні через клітку низьку локальну концентрацію вільних іон-радикалів або радикалів, більш небезпечні, ніж важкі частинки. Справа тут в тому, що, чим менше концентрація радикалів на певній ділянці шляху, пройденій іонізуючою частинкою, тим менше між радикалами відбувається реакцій рекомбінації і більш довгий шлях блукань самого радикала, а значить, тим вірогідніше радикал уразить важливу клітинну структуру (наприклад, ДНК або мембрану).

Ступінь витривалості різних організмів, а також кліток і тканин до дії іонізуючого випромінювання називають радіочутливістю. Мірою її служить значення дози опромінювання, що викликає загибель 50% організмів або кліток, - ЛД50, яка вимірюється в берах (бер). Один бер - позасистемна одиниця еквівалентної дози випромінювання, рівна енергії випромінювання 100 ерг, поглиненою масою в 1 г з урахуванням коефіцієнта якості випромінювання (1бэр= 0,01 Дж/кг).

Радіочутливість у різних біологічних об'єктів сильно відрізняється (табл. 6). Наприклад, доза 200 бер викликає загибель зародків деяких комах на стадії дроблення, доза 500 бер приводить до стерильності деяких видів комах, доза 1000 бер абсолютно смертельна для ссавців. Як показують дані більшої частини досліджень, найбільш чутливі до опромінювання клітки, що швидко діляться.

Таблиця 6 Радіочутливість різних біологічних об'єктів

Дію малих доз радіації оцінити складніше, оскільки вони можуть викликати віддалені генетичні і соматичні наслідки. Наприклад опромінювання сосни дозою 1 бер в доба протягом 10 років викликало уповільнення швидкості росту, аналогічне однократній дозі 60 бер. Підвищення рівня випромінювання в середовищі над фоновим приводить до підвищення частоти шкідливих мутацій.

У вищих рослин чутливість до іонізуючого випромінювання прямо пропорційна розміру клітинного ядра, а точніше об'єму хромосом або змісту ДНК.

У вищих тварин не знайдено такої простої залежності між чутливістю і будовою кліток; для них більш важливе значення має чутливість окремих систем органів. Так, ссавці дуже чутливі навіть до низьких доз радіації унаслідок легкої повреждаемости опромінюванням кровотворної тканини кісткового мозку, що швидко ділиться. Навіть дуже низькі рівні хронічно діючого іонізуючого випромінювання можуть викликати в кістках і в інших чутливих тканинах зростання пухлинних кліток, що може виявитися лише через багато років після опромінювання.

Для абиотических чинників справедливі всі раніше розглянуті закони дії екологічних чинників на живі організми. Знання цих законів дозволяє відповісти на питання: чому в різних регіонах планети сформувалися різні екосистеми? Основна причина - своєрідність абиотических умов кожного регіону. Популяції концентруються на певній території і не можуть бути поширений всюди з однаковою густиною, оскільки мають обмежений діапазон толерантності по відношенню до чинників навколишнього середовища і, отже, для кожного поєднання абиотических чинників характерні свої види живих організмів. Безліч варіантів поєднань абиотических чинників і пристосованих до них видів живих організмів обуславливают різноманітність екосистем на планеті.

Дата добавления: 2014-01-07