Вальков В.Ф., Денисова Т.В. Плодородие почв и сельскохозяйственные растения: экологические аспекты

Подождите немного. Документ загружается.

объединяя весь комплекс окружающей среды, в том числе энергию

фотосинтеза.

В естественных условиях плодородие почв неразрывно связа-

но с соответствующим этим почвам биоценозом и является ре-

зультатом развития природного почвообразовательного процесса.

Единство компонентов биоценоза неминуемо ставит нас перед необ-

ходимостью оценить продуктивность биогеоценозов не только как

результат почвенных условий, но и как экологические особенности

растительных сообществ. В данном случае не почва и ее свойства

определяют объем биомассы сообщества («урожай»), а само при-

родное сообщество регулирует этот объем и поддерживает его на

уровне эволюционно сложившегося равновесия составных частей

биогеоценоза. Естественные биоценозы сами обеспечивают свойст-

венную им продуктивность.

Понятие плодородия в применении к естественным условиям

теряет агрономическое содержание, так как способность удовле-

творять потребности растений в элементах питания присуща не

только почве, но и самому биологическому сообществу. В ряде слу-

чаев эта функция почти полностью переходит к биоценозу (тайга,

гилея), хотя первоосновой накопления элементов в биомассе все же

остается почва и ее материнская порода.

Экологическая конкретность плодородия – глобальное явле-

ние, характерное не только для культурных растений, но и для

фитоценозов в естественной среде. Почвенный компонент биогео-

ценоза формируется биотопом во взаимосвязи с абиотическими

факторами и претерпевает в процессе генезиса сукцесионные из-

менения, как и сам биотоп, до квазиравновесного (климаксного)

состояния, наиболее оптимального в конкретной ландшафтной

обстановке.

Величайшее биогеоценотическое разнообразие природы, несо-

мненно, обуславливает и естественное разнообразие почвенных ус-

ловий с неодинаковыми и порой очень контрастными количествен-

но-качественными характеристиками почвенной массы, но в целом

отвечающими представлению о плодородной почве для конкретно-

го биогеоценоза и его биотопа. Вот здесь ярко проявляется неодно-

значность плодородия: то, что оптимально плодородно для одних

фитоценозов, совершенно неблагоприятно для других. Конкретные

примеры приведены в табл. 1.1.

Таким образом, биогеоценотическое плодородие имеет весьма

разные формы проявления. Однако при всем многообразии его форм

на суше возможно выделить две группы биогеоценозов, а именно,

лесные и травянистые биогеоценозы. Они отличаются специфично-

стью и противоположностью в аспектах плодородия почв, но единст-

вом оптимального жизнеобеспечения биоценозов всем необходимым.

Лес и травянистая растительность в своих многочисленных формах

являются основными типами биоценотического покрова Земли.

Таблица 1.1

оптимальныехарактеристикипочвенногоплодородия

дляразныхбиогеоценозов

Биогеоценозы Оптимум почвенных условий

Еловый лес тайги

Подзолистые глинисто-суглинистые почвы. В профиле почвы гумусовый

горизонт А

всего 2–3 см. Реакция кислая, pH 4,5–5,5. Мощность

корнеобитаемой толщи ограничена горизонтами А

+В

(40–60 см). Крайне

низкий потенциал почвенного питания: бедность соединениями азота,

фосфора, минеральных элементов. Повышенная плотность массы почвы и

почвообразующей породы. Высокий уровень плодородия для елового леса

Петрофитные

разнотравно-типчаково-

ковыльные степи

Донецкого кряжа

Маломощные часто щебнистые черноземы меловых известняков, каменистых

сланцев. Реакция среды щелочная (pH 7,5–8,6). Мощность корнеобитаемой

толщи 40–70 см. Резкий дефицит влаги. Богатство зольными элементами

при содержании гумуса около 3–4 %. Высокий уровень плодородия для

петрофитного фитоценоза, насыщенного степными злаками

Обионово-петроси-

мониевый с другими

сочетаниями солянок

и галофильных злаков

Солончак луговой. Содержание солей более 1 %, засоление хлоридно-

сульфатное. Слабо выраженный гумусовый горизонт. Избыток

легкорастворимых солей обеспечивает высокий уровень плодородия почвы

для солончаковых фитоценозов

Разнотравно-

дерновинно-злаковая

степь

Чернозем обыкновенный. Мощный гумусовый горизонт (80–120 см), высокое

содержание гумуса, нейтральная реакция среды, богатство зольными

элементами. Высокий уровень плодородия почвы для разнотравно-злаковых

фитоценозов

Сосняки бореального

пояса

Подзолы иллювиально-железистые. Гумусовый горизонт не выражен.

Рыхлая песчаная среда с количеством физической глины менее 10–15 %.

Обилие первичных минералов, включая кварц. Кислая реакция среды (pH

4,5–5,5). Промытость почвы, бедность доступными для растений зольными

элементами, азотом, фосфором. Высокий уровень плодородия для сосняков

тайги

Тропическая гилея

Красные и желтые ферраллитные почвы. Бедность гумусовым веществом.

Сильная промытость от подвижных форм азотного и минерального питания.

Полная разрушенность первичной алюмосиликатной массы и обогащенность

окислами алюминия и железа. Исключительно высокий уровень плодородия

почвы для тропического дождевого леса.

В то же время, для многих растений естественного мира на суше

Земли плодородной средой может быть и не почва, а другие объекты

географической среды. Достаточно упомянуть сфагновые верховые

болота и роскошные эпифиты тропиков на высоких деревьях. В этих

случаях минеральное питание поступает из атмосферы. Есть и дру-

гие примеры внепочвенного существования фитоценозов.

1.2.плодородиепочвлесныхбиогеоценозов

В современных условиях функционирования биосферы леса

представляют незаменимое планетарное явление аккумуляции жи-

вого вещества и необходимых для жизни химических элементов, а

также сохранения многовекового уровня стабильного газового ба-

ланса в атмосфере. Лесные сообщества в подавляющем большин-

стве имеют зональную природу: таежные леса бореального поя-

са, суббореальные широколиственные леса, многообразные формы

лесных биогеоценозов субтропиков и тропиков. Однако все леса

при их пространственной самодостаточности во многом едины.

Биоклиматический оптимум зональных лесов. При извест-

ном биологическом и экологическом многообразии лесных зон и

биогеоценозов все леса имеют общие черты, обусловленные, пре-

жде всего, температурными факторами и условиями увлажнения.

Климатическое варьирование температурных условий функцио-

нирования лесных биогеоценозов простирается от субполярных

областей до экваториальных тропиков. Однако ограничивающим

фактором являются не сибирские континентально-морозные зимы,

а недостаток тепла в летний вегетационный период. Убедительный

пример этому безлесные пространства атлантически теплой

Исландии и Фаррерских островов, где летом, при мягких зимах,

средняя температура не превышает 10 °С. Это и есть температур-

ный летний минимум распространения лесов.

Второй единый для лесов фактор биоклиматических условий –

влажные типы климатов с преобладанием количества выпадающих

осадков под эвапотранспирацией т. е. коэффициент естественного

увлажнения в автоморфных условиях (без участия грунтовых вод)

всегда более 1,0. Это определяет господство в почвах промывно-

го водного режима и процессов выщелачивания тотального типа с

нисходящей миграцией растворов солей щелочных и щелочно-зе-

мельных металлов и с развитием кислой реакции среды в почвен-

ной массе.

Потенциальная бедность лесных почв. Свойства почвы, ее

богатство в утилитарно-агрономическом смысле часто не совпа-

дают с продуктивностью природных растительных сообществ.

Наблюдаются явные противоречия: крайне бедные, промытые,

выщелоченные почвы служат субстратом для экстрапродуктив-

ных биогеоценозов. Разительным примером этого служат посто-

янно влажные дождевые тропические леса на красных и желтых

аллитных (ферраллитных) почвах. Гилеи по обилию биомассы и

количеству растительного опада намного превосходят все природ-

ные растительные сообщества. Почвы же, на которых развиваются

гилеи, настолько бедны элементами питания, что при вовлечении

их в сельскохозяйственное производство едва может обеспечить по-

лучение трех–четырех удовлетворительных урожаев. Трудно пред-

ставить с утилитарных крестьянских позиций, что аллитная масса

почв гилей является весьма оптимальной средой для растений тро-

пического пояса, плодородной средой, обеспечивающей экологиче-

ский оптимум биоты.

В агрономическом плане малоплодородны и другие лесные почвы,

особенно подзолы и мерзлотно-таежные почвы бореального пояса,

красноземы и желтоземы субтропиков. Промытость, кислая среда,

отсутствие или элементарность гумусового горизонта, фульватный

тип гумуса – все это главные черты агрономической бедности почв

или низкий уровень потенциального плодородия в общепринятом

понимании. Несколько повышенным потенциальным плодородием

выделяются бурые и серые лесные почвы суббореального пояса. Это

широколиственные леса с большим запасом в биоценозах элементов

минерального питания и способностью образовывать вполне сфор-

мированный гумусовый горизонт. Однако и эти почвы по сельскохо-

зяйственному плодородию далеко отстоят от черноземов степей или

бруниземов северо-американских прерий. Поселение травянистой

растительности под пологом леса и развитие в лесных сообществах

дернового процесса значительно повышают уровень потенциального

агрономического плодородия, что характерно, например, для дерно-

во-подзолистых и серых лесных почв.

Таким образом, лесные почвы крайне бедны элементами мине-

рального питания. Однако в целом сами биоценозы леса содержат

значительный объем биофильных элементов. Но если почвы бедны,

а в живом веществе достаточно элементов питания, чтобы обеспе-

чивать полноценное биогеоценотическое воспроизводство, то впол-

не резонен вопрос: как же образовался первоначальный запас пи-

тательных веществ, сосредоточенный в растительных и животных

организмах? Для тропических гилей немецкий географ И. Вальтер

отмечал, что исходный запас питательных веществ образовался в

то время, когда мощность коры выветривания была не столь ве-

ликой и корни растений непосредственно соприкасались с корен-

ной породой. В современных условиях после сведения тропическо-

го леса всегда образуются менее продуктивные тропические леса,

не достигающие высоты и пышности первичного дождевого леса.

Требуются многие и многие десятилетия для наполнения биоло-

гического круговорота веществ биофильными элементами, чтобы

биогеоценозы гилей достигли климаксного состояния. В умерен-

ном поясе молодого геологического возраста материнские породы

как первоисточник минеральной пищи залегает не столь глубоко

от поверхности, от корневой зоны древесных растений. Поэтому

вторичные леса восстанавливаются почти в первоначальном виде

за сравнительно короткий срок, около 100 лет. Подпочва наших

лесов еще имеет возможность поставлять необходимый запас мине-

ральных элементов в живое вещество леса. В стабильности биоло-

гического круговорота в лесных сообществах нельзя пренебрегать

и притоком веществ за счет атмосферной пыли, что совершенно не

учитывается в экологическом балансе минеральных компонентов

биоценозов.

Особое значение приобретают вопросы охраны лесных почв.

Многочисленные примеры освоения тропических почв без доста-

точной их изученности и окультуривания свидетельствуют о пол-

ной деградации почв по пути образования латеритных панцирей.

Естественный тропический лес на латеритизированных почвах не

восстанавливается, а продуктивность вторичных лесов значитель-

но ниже их исходного уровня. В наших условиях умеренного пояса

природоохранными объектами являются леса на песках, особенно

кварцевых, леса на гранитах, кварцитах, диабазах, гнейсах и дру-

гих массивно-кристаллических породах, леса на крутых склонах

с маломощными почвами и т. д. Все эти почвы, удобные для ле-

сов, крайне неблагоприятны в агрономическом отношении и тре-

буют капитальных затрат на окультуривание путем травосеяния,

применения органических и минеральных удобрений при высоком

уровне развития животноводства.

Почвенно-экологическая специфика лесных биогеоценозов.

В природе эволюционно сформировались два великих раститель-

ных царства, практически разделивших между собой всю сушу

планеты. Это травянистые биогеоценозы, обуславливающие дерно-

вый процесс почвообразования со своей пространственной самодос-

таточностью, но глобальные по своей целостности, и лесные биогео-

ценозы с особой спецификой почвообразования. Термин «почвооб-

разование» многозначен и безразмерен. Почвообразование можно

рассматривать как глобальное явление и как зональный процесс,

как ландшафтную и биоценотическую особенность и как явление в

конкретном педоне, наименьшей массе конкретной почвы.

Биологическое сообщество лес редко отличается от травянистой

растительности по своей экологической специфике как фактор раз-

вития почвообразовательного процесса. Сравнительная оценка

почвообразовательных функций приведена в табл. 1.2 без учета

зонально-ландшафтного и биоценотического количественно-каче-

ственного многообразия.

Таблица 1.2

оценкаэкологическихпочвообразовательныхфункцийлесных

итравянистыхбиогеоценозов

Показатели

Биогеоценозы

лесные травянистые

Соотношение над-

земной и подземной

биомассы

Биомасса корней незначительна,

надземная часть составляет

80–90 % всей биомассы

Корневые системы растений состав-

ляют 80–90 % всей биомассы

Особенности поступ-

ления растительного

опада в почвообразо-

вательный процесс

Основной растительный опад

поступает на поверхность почвы,

образуя горизонт лесной подстилки,

, участие корневых систем незна-

чительное

Основной растительный опад посту-

пает в почвенные горизонты в виде

ежегодного отмирания корневой

массы

Химический состав рас-

тительных остатков

Много целлюлозы, гемицеллюлозы,

лигнина, смол, восков, дубильных

веществ. Очень мало белков, ами-

нокислот и зольных элементов

Повышенное количество белков,

аминокислот, зольных элементов

Конечные продукты

гумификации и минера-

лизации

При преимущественно грибном

разложении образуются ненасы-

щенные подвижные фульвокисло-

ты. Растворы имеют кислую

и слабокислую реакцию среды

При преимущественно бактери-

альном разложении образуются

насыщенный фульватно-гуматный

гумус. Растворы имеют нейтральную

и слабощелочную реакцию среды

Конечный почвообразо-

вательный эффект

Формирование горизонта А

, кис-

лая реакция почвенного профиля,

фрагментарность или крайне малая

мощность гумусового профиля,

провоцирование процессов преоб-

разования и распада алюмосили-

катной почвенной массы, сильное

элювиирование

Формирование мощного гумусового

горизонта А+АВ, оструктуривание

почвенной массы мезоагрегат-

ного типа, нейтральная реакция

среды почвенного профиля.

Подавленность процессов преобра-

зования алюмосиликатной массы,

ослабленное элювиирование

Леса как элювиально устойчивый тип биогеоценозов. Лесные

биогеоценозы в процессе эволюции в условиях влажного клима-

та сформировались как тип растительности, устойчивый к ин-

тенсивному выщелачиванию из почвенных масс растворимых ве-

ществ и адаптированный к обильному увлажнению при хорошей

аэрации почвенной среды. Болотные леса, как мангры и дру-

гие, крайне специфичны и локально интразональны. В решение

вопроса «почва – плодородие – естественные биоценозы» зна-

чительный вклад вносит концепция В. В. Пономаревой (1964).

Автор подчеркивает огромное значение в экологии растений

условий водно-минерального питания. Связь лесов с влажным

климатом имеет сложный характер и может быть выражена схе-

мой: влажный климат

→

сильное вымывание (элювиирование)

→

лес как элювиально-устойчивый тип растительности. Лесные

биоценозы хорошо переносят обильное увлажнение и выщелачи-

вание веществ атмосферными водами. Сущность приспособления

лесной растительности к интенсивному элювиированию и выще-

лачиванию состоит в накоплении и удержании биомассой леса, в

основном древесными растениями, всех необходимых элементов

биофилов не в почве, из которой все, что растворимо, вымывает-

ся в грунтовые воды, а более надежном хранилище – биомассе,

в основном в древесине. Биологический круговорот элементов

в лесах приближается к непосредственному обмену между ор-

ганизмами и их отмирающими остатками после их минерали-

зации. Поступление веществ минерального питания растений в

почвенные растворы в лесах всегда совпадает с высокой биологи-

ческой поглотительной способностью корневых масс древесных

растений. Поэтому настоящие леса, таежные и тропические, не

образуют высокоплодородных в сельскохозяйственном смысле

почв. Более того, лес способен максимально использовать самые

бедные местообитания (кварцевые пески и др.), проявляя вы-

сокую продуктивность. В лесах продуктивность биоценозов не

совпадает с плодородием почвы в форме ее богатства элементами

питания.

Накопительная функция древесины весьма объемна, а по

длительности сохранения вещественных и энергетических со-

ставляющих плодородие биогеоценоза не уступает гумусовому

веществу верхнего горизонта черноземов, считающихся этало-

ном плодородия. Возраст гумуса, или цикл его оборота в этом

горизонте, около 100–150 лет, это в ряде случаев даже меньше,

чем возраст древесины многих лесов. В то же время регулярное

поступление в биологический круговорот растительного опада

с последующей его минерализацией – залог стабильности эф-

фективного плодородия почвы и функционирования самого био-

геоценоза. В этих явлениях определяющую роль играет лесная

подстилка.

Лесная подстилка, генетический почвенный горизонт А

(эко-

лого-генетическая классификация) или горизонт О (профильно-

генетическая классификация). Типичный верхний горизонт всех

лесных почв. Мощность менее 10 см. Содержание органических

веществ более 35 %. Органические и животные остатки сохраняют

частично свое строение. Объем подстилки в лесах составляет: суб-

тропические леса – менее одного годичного опада, суббореальные

с бурыми лесными почвами – 1–2,5, бореальные таежные леса или

горные хвойные – более 3 (3–5). В северной тайге около 20.

Лесная подстилка – максимальное сосредоточение биологи-

чески разнообразных процессов, важнейшее звено круговорота

веществ древесных биоценозов. Здесь концентрируется минера-

лизация и гумификация растительных остатков и гумусово-ми-

неральных превращений массы почвенных горизонтов. Как пра-

вило, среда кислая и слабокислая, а характер микробиологиче-

ских превращений – грибной. Гумификация происходит по типу

образования фульватного гумуса (хвойные биоценозы) и гумат-

но-фульватного гумуса (биоценозы широколиственного леса).

В состав лесной подстилки, кроме растительного опада,

входят животные, перерабатывающие эту подстилку, а также

микроорганизмы и продукты их жизнедеятельности. Широкая

многокомпонентность органических веществ по праву предопре-

деляет все метаболические функции лесного биогеоценоза, его

плодородие и плодородие почвы. По праву можно утверждать,

вещественно-энергетическая компонента плодородия почвы со-

средоточена в горизонте А

Большую важность лесной подстилки в функционировании

биоценозов подчеркивает Л. О. Карпачевский (2005), отмечая,

что ее можно считать «самостоятельным природным телом, био-

геоценотическим горизонтом, который обладает рядом специфи-

ческих свойств и экологических функций», правда, любой объ-

ект из комплекса соподчиненных природных систем всегда рас-

сматривается и как самостоятельное явление, и как часть более

сложных и высших по рангу систем.

В роскошном тропическом лесу почвенная основа биогеоцено-

за представляет парадоксально бесплодную массу. Однако в сис-

темном взаимодействии всех компонентов природной среды, в их

гармоничном сочетании обеспечивается уникально высокая био-

логическая продуктивность. Здесь велика экологическая функ-

ция лесной подстилки. Этот горизонт эфимерен, он в постоянном

обновлении. При громадном ежегодном биологическом опаде в

условиях постоянно высоких температур и влажности способ-

ность органических веществ к минерализации и гумификации

столь огромна, что никакого накопления неразложившихся ос-

татков происходить не может. Более того, биоклиматическая си-

туация позволяет перерабатывать мертвое органическое вещество

в количестве в 20 раз большем, чем его ежегодное поступление.

Все продукты биологического происхождения превращаются

в простые химические соединения и фульватный гумус, кото-

рый в свою очередь также способен к быстрой минерализации.

Таким образом, наземный опад, имитирующий горизонт лесной

подстилки, поставляет в почву с нисходящими токами воды оби-

лие растворимых элементов-биофилов, элементов минерального

питания.

Анализируя функции горизонта лесной подстилки, примеча-

тельно отметить столь значительные различия между лесными

биогеоценозами: северные таежные леса могут аккумулировать в

горизонте А

до 20 годовых растительных опадов разной степени

разложения, а тропический лес может переработать в 20 больше,

чем ежегодно поступает с опадом на поверхность почвы. Такой

вот парадокс – лесная подстилка есть и в то же время ее нет!

Плодородие почв лесных биогеоценозов имеет свои особые

черты.

Почвенный профиль лесных почв как экологическая среда.

Каковы главные общие черты экологических условий почвенной

массы в лесах различных природных зон, если рассматривать

плодородие почвы как способность обеспечивать обитающие рас-

тения элементами питания, водой, воздухом и другими фактора-

ми жизни? Прежде всего, крайний вариант ситуации: красные и

желтые аллитные почвы тропических гилей, мощность которых

превышает 1,5–2,0 м, а ферраллитная кора выветривания или

почвообразующая порода простирается на многие десятки мет-

ров при возрасте почвообразования далеко превышающем всю

человеческую историю.

Здесь нет условий для сохранения биофильных элементов.

Поглотительная способность незначительна: емкость катионного

обмена всего 5–10 м.-экв/100 г почвы. Почвы практически безгу-

мусны, так как образующиеся в лесной подстилке фульвокисло-

ты водорастворимы, а гумификация по гуматному типу не про-

является или значительно ограничена. Аллитная минеральная

масса индифферентна к катионной поглотительной способности

и представлена конечными продуктами выветривания и почво-

образования, возможными в земных условиях. Это минералы

окислов железа и алюминия и абсолютно индифферентный к

выветриванию глинистый алюмосиликат – каолинит и, конеч-

но, кварц, как первичный неразрушаемый минерал. К этому ко-

нечному результату сводится все минерализационное богатство

Земли в условиях коры выветривания тропического леса! Часто

и по-нострадамовски пессимистично аллитная почвенная масса

приводится как пример конечной деградации почвы.

Функция перехвата, поглощения и удержания элементов

питания полностью переходит к самим растениям. Корневые

системы фитоценозов в силу круглогодовой биологической ак-

тивности поглощают, вертикально вверх транспортируют и со-

храняют в своей фитомассе все жизненно необходимое. Иначе

и быть не может: при интенсивном промывном режиме все, что

не перехвачено корневыми системами растений, вынеслось бы

за пределы почвы и коры выветривания. Но круговорот веществ

(биомасса – опад – минерализация – биомасса) замкнут и совер-

шенен. Фильтрационные воды мягкие, безминеральные. Такое

климаксное состояние гилей может сохраняться тысячелетия-

ми. Круговорот элементов пополняется за счет ферраллитизации

горных пород и атмосферной пыли.

Следующее положение: почва как участник процесса плодо-

родия должна обладать условиями для свободного развития кор-

невых систем. Красные ферраллитные почвы характеризуются

высокой водопроницаемостью, рыхлым сложением и полностью

пропускают обилие атмосферных осадков. В силу этого они не

могут накапливать какие-либо абиотические компоненты обме-

на веществ, не способны к заболачиванию. Аэрация постоянна.

Можно говорить о водно-воздушной гармонии почвенной среды,

которая обеспечивается легким гранулометрическим составом

ферраллитно-кварцевого субстрата с каолиновым глинистым со-

держанием. Сильно набухающие минералы отсутствуют, агре-

гированность почвенной массы за счет железисто-алюминиевого

коагулирования не имеет себе равных в природе. Следовательно,

почва имеет экологическую среду для свободного и оптимально-

го развития корневых систем всех растений тропического леса,