12.4.1. Эдафические факторы

Наука о почвах называется почвоведением. Уже в ранних работах подчеркивалось значение почвы как источника питательных веществ для растений. Почву изучали также с геологической точки зрения, и при этом внимание было сосредоточено на физических и химических свойствах почвы,- ее описывали как инертный неорганический материал. Русский ученый Докучаев впервые стал рассматривать почву как динамическую, а не инертную среду. Он сделал это в своей классической работе о почвах России, опубликованной в 1870 г. Докучаев доказал, что почва постоянно изменяется и развивается, а в ее активной зоне идут физические, химические и биологические процессы. Он выявил пять главных почвообразующих факторов, к которым относятся климат, геологическая основа (материнская порода), топография (рельеф), живые организмы и время.

Хотя мы включили почву в раздел об абиотических факторах, правильнее считать ее важнейшим связующим звеном между биотическими и абиотическими компонентами наземных экосистем.

Почвой называют слой вещества, лежащий поверх горных пород земной коры. Рост растений зависит от содержания нужных питательных веществ в почве и от ее структуры. Хотя современная технология позволяет довольно успешно преодолевать неблагоприятные почвенные условия, нужен верный научный анализ проблемы, чтобы не допустить побочных вредных воздействий на окружающую среду. Примером может служить истощение запасов питательных веществ в почве, зачастую связанное с вырубкой лесов (особенно в тропиках), и избыточное обогащение почвы удобрениями в районах интенсивного земледелия. Оно ведет к вымыванию питательных веществ и связанной с этим эвтрофизации водоемов, как, например, в некоторых восточных районах Англии.

В состав почвы входят четыре важных структурных компонента: минеральная основа (обычно 50-60% общего состава почвы), органическое вещество (до 10%), воздух (15-25%) и вода (25-35%). Методы анализа этих компонентов описаны в разд. 13.1.1. Кроме того, имеется биотический компонент, о котором говорилось в предыдущем разделе и который будет рассмотрен подробнее в гл. 13.

Минеральный скелет почвы - это неорганический компонент, который образовался из материнской породы в результате ее выветривания.

структура почвы. Минеральные фрагменты, образующие вещество почвенного скелета, различны - от валунов и камней до песчаных крупинок и мельчайших частиц глины. Скелетный материал обычно произвольно разделяют на мелкий грунт (частицы < 2 мм) и более крупные фрагменты. Частицы меньше 1 мкм в диаметре называют коллоидными. Механические и химические свойства почвы в основном определяются теми веществами, которые относятся к мелкому грунту. Соотношение частиц разных размеров в мелком грунте исследуют путем механического анализа в лаборатории (разд. 13.1.1) или при наличии опыта на ощупь в поле. На рис. 12.15 представлены две наиболее известные классификации для различения песка, ила и глины. В обоих случаях глиной считают материал с частицами меньше 0,002 мм (2 мкм) в диаметре.

Рис. 12.15. Классы почв по размеру частиц

Структура почвы определяется относительным содержанием в ней песка, ила и глины. На рис. 12.16 изображен стандартный "треугольник почвенной структуры" и указаны границы одиннадцати структурных классов.

Рис. 12.16. Треугольная диаграмма классов почв по структуре, использованная в Soil Survey of England and Wales, 1974

Структура почвы имеет большое значение для сельского хозяйства. Средне- и мелкоструктурные почвы, такие, как глины, суглинки и алевриты, обычно более пригодны для роста растений, так как содержат достаточно питательных веществ и способны удерживать воду. Песчанистые почвы быстрее дренируются и теряют питательные вещества из-за выщелачивания, но их выгодно использовать для получения ранних урожаев: их поверхность высыхает ранней весной быстрее, чем у глинистых почв, что приводит к лучшему прогреванию. Степень каменистости почвы (частицы > 2 мм) тоже имеет значение, так как влияет на быстроту износа сельскохозяйственных орудий, а также на дренаж. Обычно с увеличением содержания камней в почве уменьшается ее способность удерживать воду.

Значение почвенной структуры можно отчасти уяснить, сравнивая свойства чистого песка и глины (табл. 12.4). Идеальная почва должна содержать приблизительно равные количества глины и песка в сочетании с частицами промежуточных размеров. В этом случае образуется пористая, крупитчатая структура, и почвы называются суглинками. Они обычно обладают достоинствами двух крайних типов почв и не имеют их недостатков. Таким образом, легко выполнимый механический анализ почвы дает полезное представление о ее вероятных свойствах.

Таблица 12.4. Сравнение свойств песка и глины

(¹⁾ Вода отличается теплонмкостью и дольшой скрытой теплотой парообразования.)

С сельскохозяйственной точки зрения почвы иногда относят к тяжелым (глины) или легким (пески). Это разделение отражает те усилия, которые необходимы для обработки почвы сельскохозяйственными орудиями. Тяжелые почвы плохо дренируются и обычно бывают сырыми и клейкими. Легкие же почвы хорошо дренируются и прекрасно поддаются обработке, так как их частицы легко отделяются друг от друга.

Химизм минерального скелета. Химизм почв частично определяется минеральным скелетом, частично органическим веществом, которое будет описано ниже. Большая часть минеральных компонентов представлена в почве кристаллическими структурами. Это устойчивые продукты выветривания материнской породы. Песок и алеврит состоят в основном из очень инертного минерала - кварца (SiО₂), именуемого также кремнеземом. Кремнезем служит источником силикат - ионов (SiO₄^-4), которые обычно соединяются с катионами, особенно с катионами алюминия (Аl³⁺) и железа (Fe³⁺, Fe²⁺), и образуют электронейтральные кристаллы. Силикаты - преобладающие почвенные минералы.

Большую роль в удержании воды и питательных веществ играет особенно многочисленная и важная группа глинистых минералов. Большинство их встречается в виде мельчайших плоских кристаллов, часто шестиугольной формы, которые образуют в воде коллоидную суспензию. Каждый кристалл содержит слои силиката, объединенные со слоями гидроокиси алюминия. Общая поверхность слоев, граничащая с промежутками между ними, очень велика по сравнению с объемом кристаллов (5-800 м² в 1 г глины). Важная особенность этих минералов - наличие у них постоянного отрицательного заряда, который нейтрализуется катионами, адсорбированными из почвенного раствора. Благодаря этому катионы не выщелачиваются из почвы и могут обмениваться на другие катионы из почвенного раствора и растительных тканей. Эта катионообменная способность служит одним из важных индикаторов плодородия почвы. Свободные пространства втягивают также воду, что ведет к гидратации и набуханию глины.

Органическое вещество почвы образуется при разложении мертвых организмов, их частей (например, опавших листьев), экскретов и фекалий. Мертвый органический материал используется в пищу совместно детритофагами, которые его поедают и таким образом способствуют его разрушению, и редуцентами (грибами и бактериями), завершающими процесс разложения. Не полностью разложившиеся органические остатки называются подстилкой, а конечный продукт разложения - аморфное вещество, в котором уже невозможно распознать первоначальный материал,- получило название гумуса. Цвет гумуса варьирует от темно-бурого до черного. В химическом плане это очень сложная смесь изменчивого состава, образованная органическими молекулами различных типов; в основном гумус состоит из фенольных соединений, карбоновых кислот и сложных эфиров жирных кислот. Гумус, подобно глине, находится в коллоидном состоянии; отдельные частицы его прочно прилипают к глине и образуют глино-гумусовый комплекс. Так же как и глина, гумус обладает большой поверхностью частиц и высокой катионообменной способностью. Эта способность особенно важна для почв с низким содержанием глины. Анионы в гумусе - это карбоксильные и фенольные группы. Благодаря своим химическим и физическим свойствам гумус улучшает структуру почвы и ее аэрацию, а также повышает способность удерживать воду и питательные вещества.

Одновременно с процессом гумификации (образования гумуса) жизненно важные элементы переходят из органических соединений в неорганические, например азот в ионы аммония (NH⁺₄), фосфор в ортофосфат-ионы (Н₂РО^-₄), сера в сульфат-ионы (SО^2-₄). Этот процесс называется минерализацией. Углерод высвобождается в виде СО₂ в процессах дыхания (см. рис. 9.2, где показан круговорот углерода).

Для того чтобы формировался гумус того или иного типа, необходим достаточный дренаж почвы: в условиях переувлажнения разложение идет очень медленно, так как нехватка кислорода ограничивает рост аэробных редуцентов. В таких условиях растительные и животные остатки сохраняют свою структуру и, постепенно спрессовываясь, образуют торф, который может накапливаться вплоть до больших глубин. Метод определения содержания гумуса в образцах почвы будет описан в следующей главе (опыт 13.2).

Почвенный воздух, так же как и почвенная вода, находится в порах между частицами почвы. Порозность (объем пор) возрастает в ряду от глин к суглинкам и пескам. Между почвой и атмосферой происходит свободный газообмен, и в результате этого воздух обеих сред имеет сходный состав. Обычно в воздухе почвы из-за дыхания населяющих ее организмов несколько меньше кислорода и больше двуокиси углерода, чем в атмосферном воздухе. Кислород необходим для корней растений, почвенных животных и организмов-редуцентов. Некоторые почвенные газы переходят в раствор, что способствует газообмену. Если идет процесс заболачивания, то почвенный воздух вытесняется водой и условия становятся анаэробными. При этом такие минеральные элементы, как железо, сера и азот, проявляют тенденцию переходить в восстановленное состояние (Fe²⁺ , сульфид, сульфит, нитрит), в котором, окисляясь, они могут связывать еще оставшийся кислород. Почва становится кислой, так как анаэробные организмы продолжают вырабатывать СО₂. Обновление гумуса замедляется, и в результате накапливаются гуминовые кислоты. Почва, если она не богата основаниями, может стать чрезвычайно кислой, а это наряду с истощением запасов кислорода неблагоприятно воздействует на почвенные микроорганизмы. Изменения в степени окисленности железа влияют на цвет почвы. Окисленная форма железа (Fe³⁺) придает почве желтый, красный и коричневый цвета, тогда как восстановленная форма (Fe²⁺) обусловливает серый цвет, характерный для заболачиваемых почв. Длительные анаэробные условия ведут к отмиранию растений. Метод определения количества воздуха в образцах почвы описан в следующей главе (опыт 13.3).

Почвенные частицы удерживают вокруг себя некоторое количество воды. Часть ее, называемая гравитационной водой, может свободно просачиваться вниз сквозь почву. Это ведет к выщелачиванию, т. е. к вымыванию из почвы различных минеральных веществ, в том числе азота. Гравитационная вода проходит до уровня грунтовых вод, глуби-на залегания которых колеблется в зависимости от количества выпадающих осадков.

Вода может также удерживаться вокруг отдельных коллоидных частиц в виде тонкой прочной связанной пленки. Эту воду иногда называют гигроскопической (рис. 12.17). Она адсорбируется за счет водородных связей на поверхностях кварца и глины или на катионах, связанных с глинистыми минералами и гумусом. Эта вода наименее доступна для корней растений, и именно она последней удерживается в очень сухих почвах. Количество гигроскопической воды зависит от содержания в почве коллоидных частиц, и поэтому в глинистых почвах ее намного больше (примерно 15% веса почвы), чем в песчанистых (примерно 0,5%).

По мере того как накапливаются слои воды вокруг почвенных частиц, она начинает заполнять сначала узкие поры между этими частицами, а затем распространяется во все более широкие поры. Гигроскопическая вода постепенно переходит в капиллярную, которая удерживается вокруг почвенных частиц силами поверхностного натяжения (рис. 12.17). Капиллярная вода может подниматься по узким порам и канальцам от уровня грунтовых вод. Причиной этого служит высокое поверхностное натяжение воды. Растения легко поглощают капиллярную воду, которая играет наибольшую роль в регулярном снабжении их водой. В отличие от гигроскопической эта вода легко испаряется. Тонкоструктурные почвы, например глины, удерживают больше капиллярной воды, чем грубоструктурные, такие, как пески.

Рис. 12.17. Три типа почвенной воды

Общее количество воды, которое может быть удержано почвой (его определяют, добавляя избыток воды и затем ожидая, пока она не перестанет выходить каплями), называется полевой влагоемкостью (разд. 13.1.1).

Вода необходима всем почвенным организмам. Она поступает в живые клетки путем осмоса (разд. 14.1). Вода также важна как растворитель для питательных веществ и дыхательных газов, поглощаемых из водного раствора корнями растений. Она принимает участие в процессах разрушения материнской породы, подстилающей почву (см. ниже).

Вы одиноки? Собираетесь усладиться любовью с реальной проституткой? На этом интим сайте http://prostitutki-bryanska.win находится большой каталог достойных зависти проституток со всего двора, вы можете созвать их к себе.