По мере приближения от экватора к тропикам с увеличением сухости климата земледелие сменяется пастбищным хозяйством. Пастбища расположены на равнинах в пределах континентального сектора в зоне саванн и редколесий субэкваториального пояса. Это обширные территории Аравийского полуострова, юга Иранского нагорья, северо-запада Индии, Сахель, окраины Калахари и Намиб. Часто пастбища мозаично переплетаются с земледелием.

Биопродуктивность пастбищ континентальных районов тропического пояса достаточно низкая, а нагрузки значительны, что и является одной из основных причин усиливающегося опустынивания. Растительный покров разрежен и флористически беден; в растительных сообществах мало эфемеров, особенно ценных в скотоводстве. Время выпаса ограничено и обычно не превышает 5–6 месяцев.

В аридных районах тропиков орошаемые земли, используемые в земледелии, всегда будут составлять лишь небольшую часть общей площади, пригодной далеко не полностью для пастбищного животноводства. Аридные почвы по большей части в той или иной степени засолены. Эти районы характеризуются небольшим числом видов животных организмов, слабой защитной способностью растительности, нерегулярным характером колебаний климатических условий, низкой биологической продуктивностью, бедными органическим веществом почвами, подверженными всем видам деградации. Наиболее экологически адаптировано к подобным условиям кочевое скотоводство.

Отличительная особенность экологической среды тропиков состоит в том, что отрицательное влияние хозяйственной деятельности распространяется на большие территории, вызывая такие явления, как обезлесение, осаваннивание и опустынивание на обширных территориях. Вредные последствия подсечной системы земледелия ощущаются далеко за пределами районов, где она практикуется, и выражаются в истощении водных ресурсов, загрязнении речных вод, усилении наводнений, заилении и эвтрофикации водоемов.

Как было показано ранее (см. табл. 1.2), земельные ресурсы распределены на Земле неравномерно не только по зонам, но и по частям света.

На долю обрабатываемых земель в Европе приходится 27 % земельных ресурсов. В сельскохозяйственное пользование в большей степени вовлекались широко- и жестколиственные леса субтропиков, серые лесные почвы и степные черноземы.

В Азии выделяются два основных массива распаханных земель – Северный Казахстан и Южная Сибирь; равнины, низменности и плато муссонной Азии от Индии до Китая.

В сухих районах Азии, на Ближнем и Среднем Востоке земледелие издревле основано на ирригации, а обрабатываемые земли встречаются пятнами.

Большая часть этих районов представляет собой пастбища, протянувшиеся непрерывным поясом от Малой Азии до Монголии. Для Азии характерно наличие значительных территорий, отнесенных к категории прочих земель (пустыни, высокогорья и др.).

В Африке основным видом использования земельных ресурсов также являются пастбища, занимающие порядка 27 % территории. Во многих частях Африки плужное земледелие до настоящего времени отсутствует в силу исторических причин. Во влажно-лесном поясе господствует подсечно-огневая система земледелия с мотыжной обработкой небольших делянок. Полевые агроландшафты распространены на северной и южной окраинах Африки и в Эфиопии. Из-за присутствия мухи цеце в экваториальной Африке в первую очередь осваивались водоразделы, а долины как основные места обитания опасного для человека и скота насекомого почти безлюдны и заняты галерейными лесами.

Огромные территории в Африке относятся к категории прочих земель (44 %), которые представлены пустынями (Сахара, Калахари и Намиб). Вместе с тем более половины земель используется в сельском хозяйстве Восточной (50,3 %, в том числе пашни – 8,6 %) и Южной Африки (54,6 % и 5,8 % соответственно), тогда как в Северной и Центральной Африке – менее 20 %.

При сравнительно небольшой общей освоенности территорий США (20 %) и Канады (около 7 %) равнины востока США и юга Канады характеризуются высокой степенью освоенности: зона прерий используется на 80 %, а зона широколиственных лесов – на 60 %. Здесь отмечаются преимущественно монокультурные полевые ландшафты, образующие почти сплошные ареалы (кукуруза, пшеница и др.). Однако в последнее время отмечается все больший рост территорий со смешанными посевами, расширяются рекреационные и городские ландшафты. Большая часть пастбищных угодий США (до 70 %) расположена в западной и южной частях страны. Обширные пространства севера Канады отнесены к категории прочих земель.

Более половины площади Латинской Америки приходится на долю лесов, обрабатываемые земли занимают 7 % территории, а пастбища – порядка 26 %. При неуклонном возрастании доли пастбищных и пахотных земель отмечается уменьшение лесных территорий. Значителен ущерб лесному фонду от практики подсечно-огневого земледелия, которую использует половина сельского населения Латинской Америки.

К настоящему времени в Австралии не освоено только 25 % территории (песчаные и каменистые пустыни и переувлажненные леса севера). Полевые и садово-плантационные ландшафты занимают всего около 6 % площади континента, а остальное – это пастбища, лесные и прочие земли.

Наряду с естественными пастбищами полупустынь и редколесий большие площади находятся под искусственными пастбищами сухих степей и саванн, на которых проводятся перепашка, орошение, внесение удобрений, засевание травами и другие мелиоративные и агротехнические мероприятия. Эти пастбища во многом напоминают земледельческие ландшафты.

Среди прочих земель мира велика доля территорий, выпадающих из хозяйственного использования в результате нерационального непродуманного использования, таких как бедленды (вид сухого рельефа с глиняными почвами, состоящего из сети холмов с узкими гребнями, пересеченных оврагами, не пригодного для хозяйственной деятельности), области антропогенного карста, заброшенные нерекультивируемые карьеры, засоленные и заболоченные земли, подвижные пески и районы сброса промышленно-бытовых отходов. По данным Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (ФАО) в категории прочих земель находится около 200 млн га продуктивных, резервных для сельскохозяйственного освоения земель. В Азии таких земель около 60 млн га, в Африке – 70 млн га, на Американском континенте – также около 70 млн га. Освоение этих земель потребует значительных капиталовложений.

В настоящее время четко прослеживается тенденция в изменении земельных ресурсов мира, выражающаяся в наступлении городских и сельских территорий и горно-промышленно-транспортных комплексов на пахотные земли, которые в свою очередь расширяются за счет пастбищ, а площади последних растут за счет лесов и пустынь. Следствием этого является постоянное сокращение площади лесов на Земле и рост пустынь. Для определения вида землепользования наиболее важны оценка состояния почвы и почвенное плодородие.

1.3. Почвы и почвенное плодородие

1.3.1. Почвы и их роль в природе

Почвенный покров представляет собой самостоятельную земную оболочку – педосферу.

Педосфера – это слой литосферы, в котором происходят почвообразовательные процессы. Является частью террабио-сферы, она состоит из почвы и лежащих под ней подпочвы и коры выветривания. В образовании педосферы принимают участие литосфера, атмосфера и живое вещество биосферы.

На рис. 1.3 показано место педосферы в системе земных геосфер.

Рис. 1.3. Место педосферы в системе земных геосфер (Ковда, Розанов, 1988)

По В.И. Вернадскому, почва – это биокосное тело, состоящее одновременно из живых и косных (неорганических) тел – минералов, воды, воздуха, органических остатков.

В современном представлении почва – это обладающая плодородием сложная полифункциональная и поликомпонентная открытая многофазная структурная система в поверхностном слое коры выветривания горных пород, являющаяся комплексной функцией горной породы, организмов, климата, рельефа и времени (Ковда, Розанов, 1988).

Таким образом, почва является многофазной системой, включающей твердую, жидкую, газообразную и живую фазы в отличие от всех других природных тел.

Почва играет огромную роль в функционировании и формировании биосферы, так как обладает рядом глобальных экологических функций.

1. Почва обеспечивает существование жизни на Земле – вся биомасса живого вещества биосферы создается в конечном счете за счет элементов питания и воды, находящихся и поступающих в биосферу из почвы.

2. Почва обеспечивает постоянное взаимодействие малого биологического и большого геологического круговоротов вещества и энергии на земной поверхности.

Первичные горные породы подвергаются выветриванию, в верхней части коры выветривания формируется собственно почва, аккумулирующая элементы минерального питания и воду, необходимые для развития живых организмов. Эти элементы используются живой компонентой почвы и через ряд промежуточных трофических циклов (растения – животные – микроорганизмы) снова возвращаются в почву. Этот процесс формирует малый биологический круговорот.

Именно из почвы минеральные элементы частично выносятся атмосферными осадками в гидрографическую сеть, в зоны аккумуляции и в конечном счете в Мировой океан, где дают начало образованию осадочных горных пород, как за счет седиментации в донных грунтах, так и за счет аккумуляции в живых организмах. В дальнейшем эти осадочные горные породы могут либо снова выйти на поверхность, либо подвергнуться глубинному метаморфизму. Таков большой геологический круговорот вещества.

Таким образом, почва является связующим звеном и регулятором взаимодействия двух основных жизнеобеспечивающих процессов на планете.

3. Почва регулирует химический состав атмосферы и гидросферы.

Известно, что почвенное «дыхание», фотосинтез и дыхание живых организмов играют основную роль в создании и поддержании необходимого для земной жизни состава приземного слоя атмосферного воздуха и атмосферы в целом.

Почва как природное образование создавалась тысячелетиями. Например, возраст черноземов и темно-каштановых почв составляет 2500–3000 лет; светло-каштановых, серых и бурых лесных – 800–1000 лет; торфяно-глеевых, горно-луговых, лугово-каштановых – 500–800 лет; подзолистых почв – 1500 лет.

В.В. Докучаевым выделены следующие факторы почвообразования: климат, рельеф, время, хозяйственная деятельность человека, материнские породы, растительный и животный мир. Косвенным фактором является рельеф, влияющий на изменение воздействия на почву климатических условий, зависящих в значительной мере от высотных отметок почвенного слоя.

К числу важнейших факторов, оказывающих прямое влияние на почвообразование, относится климат. С ним связаны тепловой и водный режимы почвы, от которых зависят биологические и физико-химические почвенные процессы.

Под тепловым режимом понимают совокупность процессов теплообмена в системе «приземный слой воздуха – почва – почвообразующая порода». Тепловой режим обусловливает процессы переноса и аккумуляции теплоты в почве. Характер теплового режима определяется главным образом соотношением поглощения радиационной (лучистой) энергии Солнца и теплового излучения почвы. Он зависит от окраски почвы, характера поверхности, теплоемкости, влажности и других факторов. Заметное влияние на тепловой режим почвы оказывает растительность.

Водный режим почвы в основном определяется количеством атмосферных осадков и испаряемостью, распределением осадков в течение года, их формой (при ливневых дождях вода не успевает проникнуть в почву, стекает в виде поверхностного стока).

Климатические условия оказывают влияние на такие факторы почвообразования, как почвообразующие породы, растительный и животный мир и др. С климатом связано распространение основных типов почв.

Рельеф – один из факторов перераспределения по земной поверхности теплоты и воды. С изменением высоты местности меняются водный и тепловой режимы почвы. Рельефом обусловлена поясность почвенного покрова в горах. С особенностями рельефа связаны характер влияния на почву грунтовых, талых и дождевых вод, миграция водорастворимых веществ.

К числу факторов почвообразования относится время – необходимое условие для любого процесса в природе. Абсолютный возраст почв Восточно-Европейской равнины, Западной Сибири, Северной Америки и Западной Европы, определенный радиоуглеродным методом, – от нескольких сотен до нескольких тысяч лет.

Существенным фактором почвообразования, особенно в последнее время, является также хозяйственная деятельность человека.

Процесс почвообразования тесно связан с физическим и химическим выветриванием горных пород. При выветривании горных пород создается элювий – кора выветривания различной мощности, состава, условий залегания и степени влажности. В этом длительном процессе кроме физических и химических факторов важную роль играют также биологические факторы.

Кора выветривания является исходным субстратом для почвообразования, которое начинается с момента поселения на этом субстрате микроорганизмов. В результате жизнедеятельности микроорганизмов извлекаются минеральные компоненты из субстрата и выделяются органические кислоты, что создает условия для поселения пионеров растительности – лишайников. Не требовательные к условиям жизни лишайники продолжают функционировать и обогащать подстилающие минеральные горизонты органическими соединениями. На обогащенной питательными веществами почве заселяются высшие растения и животные. В результате их жизнедеятельности в почве постепенно накапливаются специфические органические вещества, обеспечивающие ее плодородие, в частности гумус.

Важнейшим свойством почвы является плодородие, т. е. способность обеспечивать условия для продуцирования растениями органического вещества. Плодородие почв обусловлено их физическими, химическими и биологическими свойствами.

К физическим свойствам почвы относятся гранулометрический состав, относительная рыхлость структуры, водопроницаемость, аэрируемость, отсутствие света, малая амплитуда колебания температуры, незначительный объем почвенного воздуха.

Химические свойства почвы обусловлены наличием минеральных веществ, реакцией среды, засоленностью.

Биологические свойства почвы определяются наличием различных живых организмов в пахотном слое почвы.

Почва состоит из хорошо выраженных слоев, обычно различающихся по цвету, которые называются почвенными горизонтами. Они образуются и развиваются в результате сложнейшего взаимодействия растений, животных, микроорганизмов и элювинированных (выветренных) горных пород.

По специфическим свойствам и химическому составу выделяют следующие основные почвенные горизонты:

♦ перегнойно-аккумулятивный горизонт – самый верхний, темноокрашенный, богатый гумусом, содержащий основную массу корней растений, почвенных животных и микроорганизмов;

♦ горизонт вымывания (элювиальный) – в нем накапливаются, аккумулируются и преобразуются вещества, поступающие из верхнего горизонта;

♦ иллювиальный горизонт, в пределах которого поступающие из верхних горизонтов органические кислоты вступают в химические реакции с минералами;

♦ материнская порода (почвообразующий горизонт) – материал ее постепенно преобразуется в почву.

Горизонты почв, отличающиеся по свойствам, формируют вертикальный почвенный профиль.

Мощность почвы характеризует степень близости подстилающей материнской породы – подпочвы, влияющей на распространение корней.

Почва относится к основным биологическим экологическим факторам существования и формирования биосферы – эдафическим, которые характеризуются и определяются ее механическим и химическим составом, рыхлостью, структурой, водопроницаемостью, влажностью, аэрируемостью.

Состав почвы. Почва состоит из трех фаз: твердой, жидкой, газообразной.

Твердая фаза занимает около 50 % объема почвы. Остальную часть занимают поры, заполненные водой или воздухом. Твердую фазу почвы формируют частицы различных размеров: от обломков пород, достигающих десятков сантиметров, до коллоидных частиц в сотые доли микрона. Благодаря малым размерам коллоиды почвы имеют огромную суммарную поверхность (6000 м2 в 1 см3 почвы). Этим свойством объясняется высокая адсорбционная способность коллоидов – способность удерживать подвижные соединения химических элементов.

Важнейшей частью почвы является гумус, состоящий из гуминовых кислот, фульвокислот и гуминов. Наличием гумуса определяются структура и водоудерживающая способность почвы, ее кислотность, питательная ценность. Деление почв на подзолистые, сероземы, черноземы основано прежде всего на содержании гумуса, которое в различных почвах колеблется от 1 % (подзолы и сероземы), 7–8 % (обыкновенные черноземы) и до 12 % (тучные черноземы).

По гранулометрическому составу в зависимости от соотношения крупных и мелких частиц почвы делят на четыре группы:

♦ песчаные (маловлагоемкие, хорошо влагопроницаемые, но бедные гумусом);

♦ супесчаные (бесструктурные, бедные гумусом, хорошо водо- и воздухопроницаемые);

♦ суглинистые (наиболее благоприятные по своим свойствам для земледелия, со средней влагоемкостью и водопроницаемостью, хорошо обеспечены гумусом);

♦ глинистые (с высокой влагоемкостью и большим содержанием элементов питания, самые мелкодисперсные).

По степени пористости различают почвы тонкодисперсные (диаметр пор < 1 мм), пористые (1–3 мм), губчатые (3–5 мм), ноздреватые (5–10 мм), ячеистые (> 10 мм) и трубчатые (поры образуют каналы).

Твердая фаза почвы содержит основные запасы питательных элементов. Она состоит из минеральной (90–99 % массы) и органической (1–10 % массы) частей. Минеральная часть почвы на 90 % состоит из четырех элементов – кислорода, кремния, водорода, алюминия. Такие химические элементы, как углерод, водород, кислород, фосфор, сера, содержатся в минеральной и органической частях почвы.

Органические вещества твердой части почвы подразделяются на негумифицированные и гумифицированные вещества.

Негумифицированные (подвижные) органические вещества – это отмершие остатки растений и микроорганизмов, которые легко разлагаются в почве. Содержащиеся в них элементы питания переходят в доступную для растений минеральную форму. Органические вещества минерализуются не полностью. Одновременно в почве идет синтез новых сложных органических соединений, которые служат источником для образования гумусовых, или перегнойных, веществ.

Гумифицированные (перегнойные) органические вещества – это высокомолекулярные азотсодержащие соединения. Они составляют основную часть (90 %) органического вещества почвы. На полях под зерновыми культурами за вегетационный период разлагается 0,7–0,8 т/га гумуса, а под пропашными культурами – 1–1,2 т/га гумуса с образованием доступных для растений минерального азота (N), фосфора (Р), серы (S).

Влажность и аэрация. Почвенная вода подразделяется на гравитационную, гигроскопическую и капиллярную.

Гравитационная вода – подвижная вода, является основной разновидностью свободной воды, которая заполняет широкие промежутки между частицами почвы и просачивается вниз сквозь почву под действием силы тяжести, пока не достигнет грунтовых вод. Растения легко усваивают гравитационную воду, когда она находится в зоне корневой системы. С этой точки зрения для растений весьма важен полив почвы, смачивание ее водой.

Гигроскопическая вода – вода, удерживаемая в почве вокруг отдельных коллоидных частиц в виде тонкой прочной связанной пленки. Она адсорбируется за счет водородных связей на поверхности глины и кварца или на катионах, связанных с глинистыми минералами и гумусом. Гигроскопическая вода высвобождается только при температуре 105–110 °С и физиологически практически недоступна растениям. Количество гигроскопической воды зависит от содержания в почве коллоидных частиц. В глинистых почвах ее содержится около 15 % массы почвы, в песчаных – около 5 %. Она образует так называемый мертвый запас воды в почве.

Капиллярная вода – вода, удерживаемая вокруг почвенных частиц силами поверхностного натяжения. Образуется при накоплении слоев гигроскопической воды вокруг почвенных частиц. Сначала заполняются узкие поры между этими частицами, а затем происходит распространение ее во все более широкие поры. Гигроскопическая вода постепенно переходит в капиллярную. Капиллярная вода может подниматься по узким порам и канальцам от уровня грунтовых вод благодаря высокому поверхностному натяжению воды. Растения легко поглощают капиллярную воду, играющую наибольшую роль в регулярном снабжении их водой. Капиллярная вода в отличие от гигроскопической легко испаряется. Тонкоструктурные почвы (например, глины) удерживают больше капиллярной воды, чем грубоструктурные, такие как пески.

Свойство почвы вызывать капиллярный подъем влаги называется ее водоподъемной способностью.

В капиллярной воде хорошо растворяются органические и минеральные соединения. Испарение капиллярной воды имеет большое значение при образовании засоленных почв.

Помимо перечисленных форм воды в почве содержится парообразная влага, которая занимает все свободные от воды поры.

Почвенная вода находится в постоянном движении: нисходящий ток гравитационной воды в сухие периоды сменяется восходящим током капиллярной воды. Обеспеченность почв водой зависит от температуры, рельефа местности, физико-химических свойств почвы, растительного покрова, перемещения воздуха и других факторов. Вода передвигается в почве к поверхности корней и поступает затем через растение в атмосферу в направлении градиента водного потенциала.

Такие абиотические экологические факторы, как низкая температура почвы, недостаток кислорода в почвенной воде и почвенном воздухе, повышенная кислотность почвы, высокая концентрация растворенных в почвенной воде минеральных солей, затрудняют усвоение доступной почвенной воды для растений. Растения сухих почв обычно имеют более мощную и разветвленную корневую систему, чем влажных почв. Количество физиологически доступной воды влияет на рост, размножение, габитус, продуктивность, биомассу растений.

Почвенный раствор, или жидкая часть почвы, – это наиболее подвижная, изменчивая и активная часть почвы, из которой растения поглощают питательные вещества в форме ионов. В почвенном растворе содержатся минеральные и органические вещества, совершаются важные биохимические процессы. В почве присутствуют анионы (НСО3–, NO3–, PO43 –, Cl–, SO42 – и др.), катионы (К+, Na+, Ca2+, Mg2+, NH4+, Zn2+ и др.), соли железа, алюминия и других элементов, а также водорастворимые органические вещества.

Наиболее благоприятная для растений концентрация солей в почвенном растворе – 1 г/л (0,1 %). Избыток солей в почве (больше 2 %) вреден для растений. Осмотическое давление почвенного раствора значительно ниже, чем в клеточном соке растений.

Состав почвенного раствора, особенно содержание в нем кислот и оснований, создает реакцию почвенного раствора, которая оказывает значительное влияние на жизнедеятельность растений. Реакция почвенного раствора определяется содержанием и соотношением ионов Н+ и ОН–, а также Al3+.

Кислотность почвы определяется наличием в почве ионов водорода и гидролитически кислых солей. Ионы водорода обусловливают активную кислотность почвенного раствора, а поглощенные ионы – потенциальную кислотность. Кислотность почвы принято выражать водородным показателем (рН), который представляет собой отрицательный логарифм концентрации водородных ионов в почвенном растворе.

По величине показателя рН почвенного раствора почвы делят на сильнокислые (рН = 3–4), кислые (рН = 4–5), слабокислые (рН = 5–6), нейтральные (рН = 6–7), щелочные (рН = 7–8), сильнощелочные (рН = 8–9). Нейтральную реакцию имеют черноземы, кислую – дерново-подзолистые, болотные и серые лесные почвы, щелочную – каштановые почвы и сероземы пустынь, сильнощелочную – солонцы.

Реакция почвенного раствора влияет на структуру, гумификацию почвы, содержание питательных веществ и ионный обмен. В очень кислых почвах высвобождается много ионов Al3+, а содержание доступных растениям ионов Ca2+, Mg2+, K+, PO43 –, Mo2– понижено. В более щелочных почвах, напротив, ионы Fe, Mn, PO43 – связаны в труднорастворимых соединениях, так что растения хуже обеспечены этими веществами.

<1 2 3 4 >

На страницу:

Перейти

3 из 4