Биогеные вещества как экологические факторы

Биогенные соли и элементы, как это показал еще Ю. Либих в XIX в., являются лимитирующими факторами и ресурса­ми среды для организмов. Одни из элементов требуются орга­низмам в относительно больших количествах, поэтому их на­зывают макроэлементами, другие тоже жизненно необходи­мы организмам, но в очень малых, как говорят, следовых ко­личествах — их называют биогенными микроэлементами. Рас­тения получают их, как правило, из почвы, реже — из воды, а животные и человек — с пищей.

Биогенные макроэлементы. Первостепенное значение среди них имеют фосфор и азот в доступной для организмов форме. Фосфор — это важнейший и необходимый элемент протоплазмы, а азот входит во все белковые молекулы.

Основной источник азота — атмосферный воздух, а фос­фора — лишь горные породы и отмершие организмы. Азот фик­сируется большинством растительных и гетеротрофных орга­низмов и включается в биологический круговорот. Фосфора в организме содержится в процентном отношении больше, чем в исходных природных источниках, и именно поэтому так ве­лика его лимитирующая роль. Ю. Одум (1975) приводит при­мер с желтком яйца утки, в одном грамме которого фосфора содержится больше в 9∙10⁶ раз, чем в одном грамме воды реки Колумбии, из которой птица получает пищу. Недостаток фосфора по своему влиянию на продуктивность биоты стоит на втором месте после воды.

Лишь немногим по своему значению этим элементам ус­тупают калий, кальций, сера и магний. Калий входит в состав клеток, играет важнейшую роль в осмотических процессах, в работе нервной системы животных и человека, способствует росту растений и т. д. Кальций является составной частью ра­ковин и костей животных, необходим растениям и т. д. Сера входит в состав некоторых аминокислот, коферментов, вита­минов, обеспечивает хемосинтез и др. Магний — необходимая часть молекул хлорофилла, входит в состав рибосом растений и животных и др.

Биогенные микроэлементы. Биогенные микроэлементы входят в состав ферментов и нередко бывают лимитирующими факторами. Для растений в первую очередь необходимы: железо, марганец, медь, цинк, бор, кремний, молибден, хлор, ванадий и кобальт. Если в этом наборе, например, нехватка Мn, Fе, Сl, Zn и V, то не будет полноценным процесс фотосинтеза, а если не будет Мо, В, Со и Fе, то нарушится азотный обмен, и т. п. Эти же микроэле­менты необходимы животным и человеку. Их недостаток (или избыток при загрязнении) вызывает болезни.

Граница между макро- и микроэлементами довольно ус­ловна: например, натрия животным требуется во много раз боль­ше, чем растениям, для которых натрий часто вносят в список микроэлементов.

7. Эдафические факторы и их роль в жизни растений и почвенной биоты.

Эдафические (от греч. еёарпок — почва) факторы — поч­венные условия произрастания растений. Делятся на химиче­ские — реакция почвы, солевой режим почвы, элементарный химический состав почвы, обменная способность и состав обменных катионов; физические — водный, воздушный и тепло­вой режимы, плотность и мощность почвы, ее гранулометри­ческий состав, структура и др.; биологические — растительные и животные организмы, населяющие почву. Из них важнейшими экологическими факторами являются влажность, температура, структура и пористость, ре­акция почвенной среды, засоленность.

Состав и структура почв. Почва — особое естественно-историческое образование, воз­никшее в результате изменения поверхностного слоя литосфе­ры совместным воздействием воды, воздуха и живых организ­мов. Порода, из которой образовалась почва, называется ма­теринской. Исходные минералы и структура породы разруша­ются, создаются новые минералы и другая структура, обеспе­чивающие накопление разложившейся органики. В результате формируется почва — геологическое тело, отличающееся от всех похожих на нее глинистых и песчаных образований тем, что обладает плодородием: дает жизнь растениям и, следователь­но, пищу животным и человеку.

Плодородие почвы — ее способность удовлетворять потреб­ность растений в питательных веществах, воздухе, биотической и физико-химической среде, включая тепловой режим, и на этой основе обеспечивать урожай сельскохозяйственных куль­тур, а также биогенную продуктивность диких форм раститель­ности.

Почва состоит из твердой, жидкой и газообразной компо­нент и содержит живые макро- и микроорганизмы (раститель­ные и животные).

Твердая компонента преобладает в почве и представлена минеральной и органической частями. Больше всего минера­лов первичных, оставшихся от материнской породы, меньше — вторичных, образовавшихся в результате разложения первич­ных, — это глинистые минералы коллоидных размеров, а так­же минералы-соли: карбонаты, сульфаты, галоиды и др., вы­падающие в осадок из почвенных вод. Процентное содержание в почве способных легко растворяться в воде минералов-солей характеризует ее степень засоления. Органическая часть пред­ставлена гумусом — сложным органическим веществом, обра­зовавшимся в результате физико-химического разложения от­мершей органики. Гумус играет ключевую роль в плодородии почвы благодаря питательным веществам, которые он содер­жит, в том числе и биогенным элементам. Содержание гумуса в почвах колеблется от десятых долей процента до 20—22 % Самые богатые гумусом почвы — черноземы, они же и самые плодородные.

Жидкая компонента почв, вода, может быть свободной, свя­занной, капиллярной и парообразной. Свободная вода переме­щается по порам под действием силы тяжести, связанная ад­сорбируется поверхностью частиц и образует на них пленку, капиллярная удерживается в тонких порах под действием ме­нисковых сил, а парообразная находится в той части пор, кото­рая свободна от воды. Наиболее доступной для корневой сис­темы растений является свободная и капиллярная формы во­ды, труднодоступная — связанная (пленочная) вода, а парооб­разная влага большой роли не играет. Отношение массы всей воды в почве к массе ее твердой компоненты, обычно выра­женное в процентах, именуют влажностью почвы.

Состав почвенного раствора определяет реакцию среды, показателем которой является величина рН. Наи­более благоприятной для растений и почвенных животных яв­ляется нейтральная среда (рН = 7).

Структура и пористость определяют доступность для рас­тений и животных питательных веществ. Частицы почв, свя­занные между собой силами молекулярной природы, образу­ют структуру почвы. Между ними образуются пустоты, назы­ваемые порами. Пористость — это доля объема пор в объеме почвы, которая может достигать 50% и более.

Газовую фазу почвы составляет «почвенный воздух», включающий газы, заполняющие свободные от воды поры, а также газы, адсорбированные коллоид­ными частицами и растворенные в почвенном растворе.

Строение почв в вертикальном разрезе. Почвообразование происходит сверху вниз, с постепенным затуханием интенсивности процесса. В умеренной зоне он за­тухает на глубинах 1,5—2,0 м. Этой величиной и определяет­ся мощность (толщина) почв в умеренной зоне. Изменяется не только интенсивность, но и характер почвообразователь­ного процесса, что отражается в почвенном профиле (рис. 3), в нем выделяются три горизонта: перегнойно-аккумулятивный (А), вмывания (В) и материнская порода (С). На рис. 3 приведено более детальное подразделение го­ризонта «А», который определяет плодородие почв. Мощность его от нескольких до десятков сантиметров, в нем аккумулиро­ваны, в основном в гумусовом горизонте А₁, питательные ве­щества для корневой системы растений и почвенная биота, но уже в горизонте А₂, происходит выщелачивание и вымывание солей, органических коллоидов и т. п., которые переносятся, вмываются в горизонт В —иллювиальный. Здесь органические вещества переработаны редуцентами в минеральные формы и происходит накопление карбонатов, гипса, глинистых минера­лов и др. Этот горизонт постепенно переходит в материнскую породу (С).

Рис. 3. Обобщенный почвенный профиль.  

Дата добавления: 2014-01-07