Роль микроорганизмов в почвообразовании

Свойства почвы как  экологического фактора (эдафические факторы).

Почва как среда обитания обладает специфическими физическими  свойствами. Для нее характерна более или менее рыхлая структура, определенная водопроницаемость и аэрируемость. Благодаря высокой дисперсности частиц почвы атмосферные осадки, как отмечалось, в виде дождя проникают в более глубокие слои ее и удерживаются там в капиллярных системах. А сами частицы несут на своей поверхности различные  ионы,  газы,  пары  воды.

Рисунок 1. Размещение в почве  корней разнотравно-ковыльной ассоциации (по М.С. Шалыту, 1989)

В верхних горизонтах   почвы   концентрируются    вещества,   необходимые    для   питания растений — фосфор, азот,   кальций,   калий и многие другие. В почвенной влаге содержатся   газы,  растворимые соли,   питательные   вещества, а иногда и токсичные для ряда организмов соединения. Такие почвенные растворы   могут быть кислыми, нейтральными  или щелочными. Почвенный воздух обладает повышенным    содержанием углекислого газа, углеводорода    и    водяного пара. Все эти элементы определяют химические свойства почвы.

Почва обладает также своеобразными биологическими особенностями, поскольку тесно связана     с     жизнедеятельностью организмов. Верхние слои ее содержат массу корней растений. В процессе роста, отмирания и разложения они разрыхляют почву и создают определенную структуру ее, а вместе с тем и условия для жизни других организмов (рис. 1). Роющие животные перемешивают почвенную массу, а после смерти становятся источником органического вещества для микроорганизмов.

Все свойства почвы во многом зависят не только от климатических  факторов, но и от жизнедеятельности  почвенных организмов, которые механически  перемешивают ее и перерабатывают химически, создавая в конечном итоге необходимые для себя условия. При участии организмов в почве происходит постоянный круговорот веществ и миграция энергии. Климатические факторы, а также жизнедеятельность растений, животных и микроорганизмов обусловливают ежегодные циклические изменения почвы, специфичные для разных широт.

Большую роль в формировании почвы играет рельеф. На одинаковых и одновозрастных формах рельефа  образуются близкие или даже однотипные почвы. На местности с расчлененным рельефом, неодинаковым уровнем грунтовых вод наблюдаются различия в климате, режиме тепла и скорости испарения поверхностной влаги, а также в распределении атмосферных осадков. Все это существенно влияет на химические и физические свойства почв и вместе с тем на характер растительного покрова и животного населения.

Свойства почвы в своей  совокупности создают определенный экологический режим ее, основными показателями которого служат гидротермические факторы и аэрация.

Хорошо увлажненная почва  легко прогревается и медленно остывает. На поверхности ее происходят более резкие колебания температуры, чем в глубине. При этом суточные колебания ее затрагивают слои до глубины в 1 м. И если учесть, что зимой температура почвы с глубиной повышается, а летом, наоборот, падает, то легко можно представить сезонные вертикальные миграции почвенных обитателей, вызванные изменением условий среды. Естественно, зимой почвенные животные находятся глубже, чем летом.

Аэрацию почвы обусловливает  ее пористость, которая обеспечивает циркуляцию не только воды, но и воздуха. На аэрацию почвы влияют различные  факторы. Так, повышение влажности препятствует проникновению в почву кислорода. С глубиной количество углекислого газа в почве увеличивается, а кислорода уменьшается. При повышении температуры воздух расширяется и выходит

из почвы, а при понижении  он более интенсивно проникает в промежутки между почвенными частицами. Следовательно, соотношения воды и воздуха в почве весьма изменчивы. Это также является причиной вертикальных миграций почвенных организмов. При избытке влаги и ухудшении аэрации они поднимаются к поверхности, при недостатке влаги и улучшении аэрации — опускаются в более глубинные слои.

Гидротермический режим  и аэрация почв зависят и от их характера. Например, поскольку скважность глинистых почв выражена слабее, чем песчаных, первые удерживают влагу сильнее и влажность их бывает выше. В то же время воздушный режим глинистых почв менее благоприятен для многих растений и животных. В результате глинистые почвы, как более влажные и менее воздухопроницаемые, прогреваются хуже, чем песчаные. Вот почему во влажном и прохладном климате песчаные почвы теплее глинистых. В сухом же и жарком поясе песчаные почвы более влажные. Поэтому в песчаных пустынях жизнь богаче, чем в глинистых,— растения достигают здесь более крупных размеров, а почвенные животные отличаются видовым разнообразием и многочисленностью.

Итак, влажность, температура  и аэрация почвы — факторы  тесно взаимосвязанные и взаимозависимые. Сложный комплекс их обусловливает  гидротермический режим почвы и  в результате оказывает решающее влияние на существование почвенных обитателей.

Роль почвы в жизнедеятельности  живых организмов. Благодаря специфическим  свойствам почва выполняет одну из важных функций в жизни различных  почвенных организмов и прежде всего  растений — обеспечивает им водоснабжение  и минеральное питание.

Оптимальные запасы доступной  для растения почвенной воды — чрезвычайно существенный фактор. В почве различают биологически полезную и биологически бесполезную воду. Биологически полезной является вода, свободно передвигающаяся но капиллярам почвы и бесперебойно снабжающая растения влагой. Значение почвы в водоснабжении растений тем выше, чем она легче отдает им воду. Это зависит от структуры почвы и степени набухаемостн ее частиц.

Различают физическую   и   физиологическую  сухость почвы.

При физической сухости почва  испытывает недостаток влаги. Происходит это при атмосферной засухе, когда поступление воды резко сокращается, что обычно наблюдается в сухом климате и в местах, где почва увлажняется только за счет атмосферных осадков.

Физиологическая сухость  почвы — явление более сложное. Оно возникает в результате физиологической недоступности физически доступной воды. Растения при физиологической сухости страдают даже на влажных почвах, когда низкая температура почвенного покрова или другие неблагоприятные условия препятствуют нормальному функционированию корневой системы. Так, на сфагновых болотах, несмотря на большое количество влаги, вода оказывается недоступной для многих растений из-за высокой кислотности почвы, плохой аэрации ее и наличия токсических веществ, нарушающих нормальную физиологическую функцию корневой системы. В тундре из-за того что интенсивность поступления воды из глубоких и очень охлажденных слоев не соответствует интенсивности испарения, также отмечается физиологическая сухость почвы. Физиологически сухими являются и сильно засоленные почвы. Из-за высокого осмотического давления почвенного раствора вода засоленных почв для многих растений оказывается недоступной.

Почва играет важную роль и  в минеральном питании растений. Вместе с водой в растения через  корневую систему поступает ряд  минеральных веществ, находящихся  в почве в растворенном состоянии. Однако корневое питание растений —  не простое всасывание веществ, а сложный биохимический процесс, в котором особую роль играют почвенные микроорганизмы. Известно, что в прикорневой зоне, в ризосфере, количество микроорганизмов всегда больше, чем на некотором расстоянии от нее. Это связано с тем, что корневые выделения растений оказывают положительное влияние на жизнедеятельность микроорганизмов, а выделения последних усваиваются корневой системой. Вот почему большинство высших растений имеют микоризу, значительно увеличивающую активную поверхность корней.

Органическое вещество почвы  играет важную роль в росте и развитии растений. Оно состоит из продуктов  гумификации (аэробное разложение) и  неполного разложения растительных остатков и трупов почвенных животных. Перегной, или гумус, для всех почвенных обитателей является основным источником необходимых для жизни минеральных соединений и энергии. Он обусловливает плодородие почв и их структуру. Процессы минерализации свежих органических веществ и перегноя обеспечивают постоянное поступление в почвенный раствор таких важнейших элементов питания растений, как азот, фосфор, сера, кальций, калий, микроэлементы. Жизнедеятельность растений, образование гумуса и его минерализация превращают элементы минерального питания из почвообразующих пород в доступные для растений соединения и концентрируют их в верхних горизонтах почвы. Гумус служит источником физиологически активных соединений (витамины, органические кислоты, полифенолы и др.), которые стимулируют рост растений. Перегнойные вещества обеспечивают также водоустойчивую структуру почв, что создает благоприятный для растений водно-воздушный режим.

Главным энергетическим материалом в почве является органическое вещество корней. От его количества зависит численность и видовое разнообразие почвенных обитателей. Высокое содержание растительных остатков в почве способствует значительному развитию сапрофагов. Это и животные, и микроорганизмы, и бесхлорофилльные растения.

Животные-сапрофаги выполняют  существенную роль в круговороте  веществ в почве. Питаясь мертвыми органическими соединениями и обеспечивая пищей хищных почвенных животных, они служат важным звеном процесса превращения органического вещества в минеральное. Завершает процесс разложения растительного и животного органического вещества вплоть до полной минерализации микробное население почвы.

Распределение органического  вещества в почве и плодородие последней находится в тесной зависимости от климатических условий, гидротермического режима почвы, ее аэрации и других факторов. При наиболее благоприятном сочетании этих факторов происходит гумификация органических остатков и тем самым создаются высокоплодородные почвы — черноземы, черные почвы тропиков, бурые лесные. В таких почвах развиваются богатые фауна и флора и интенсивно накапливается и разлагается органическое вещество.

Роль микроорганизмов, высших растений и животных в почвообразовательных процессах.

Микроорганизмы, растения и  животные, обитающие в почве, находятся  в постоянном взаимодействии друг с  другом, а также и со средой обитания. Эти взаимоотношения очень сложны и многообразны. Животные и бактерии потребляют растительные углеводы, жиры и белки. Грибы разрушают целлюлозу, в частности древесину. Хищники питаются живыми тканями своих жертв. Благодаря этим взаимоотношениям и в результате коренных изменений физических, химических и биохимических свойств горной породы в природе постоянно происходят почвообразовательные процессы.

Наиболее древними почвообразователями являются микроорганизмы. Они функционировали задолго до появления на Земле высших растений и животных. Микроорганизмы осуществляют в почвах и в целом в биосфере процессы, играющие важную роль в биологическом круговороте веществ и потоке энергии. Эти процессы недоступны высшим организмам. Синтез физиологически активных соединений, гумусообразование и полная минерализация органических остатков — вот главная функция микроорганизмов в почвообразовательных процессах.

В числе почвенных микроорганизмов  имеются представители и растительного и животного мира. Прежде всего это одноклеточные и многоклеточные водоросли. Многие из них обладают пигментами типа хлорофилла и отличаются от других микроорганизмов тем, что способствуют обогащению почвы органическим веществом и кислородом. Однако наиболее многочисленны в почвенной микрофлоре грибы, актиномицеты и бактерии. В почвенной микрофауне особое значение имеют амебы, жгутиковые и ресничные, а также специфичные микронематоды. Есть сведения о присутствии в почве также неклеточных форм микроорганизмов — бактериофагов     и   вирусов.   Они,    являясь   паразитами   и хищниками   бактерий,   влияют   на   жизнедеятельность последних.

Основной функцией высших растений в почвообразовательном процессе служат синтез органического вещества и аккумуляция в нем солнечной энергии. Органическое вещество в процессе фотосинтеза накапливается в надземных и подземных частях растений, а после их отмирания переходит в почву и подвергается минерализации. Скорость процессов минерализации органического вещества и состав образующихся при этом соединений во многом зависят от типа растительности. Продукты разложения хвои, листьев, древесины, травянистого покрова различны как по химизму, так и по влиянию на процесс почвообразования. В сочетании с другими факторами это приводит к формированию различных типов почв.

Главная функция животных в почвообразовательном процессе —  это потребление и разрушение органического вещества, а также перераспределение запасов энергии.

В целом процесс гумусообразования начинается разрушением и измельчением растительной массы и мертвого животного вещества. Этот процесс осуществляется позвоночными животными при обязательном участии грибов и бактерий (рис. 2). К таким животным относятся фитофаги, питающиеся тканями живых растений; сапрофаги, потребляющие мертвое вещество растений; некрофаги, питающиеся трупами животных; хищники', поедающие живых животных; копрофаги, уничтожающие экскременты животных.

Большую роль в процессах  почвообразования играют подвижные почвенные животные. Они разрыхляют почву, создают условия для се аэрации, механически перемещают в почве органические и минеральные вещества. Например, дождевые черви на луговых почвах за год выбрасывают на поверхность до 80—90 т/га копрогенного материала, а степные грызуны перемещают вверх и вниз сотни кубических метров грунта и органического вещества.

Итак, круговорот веществ  в почве можно представить  следующим образом. Растения синтезируют  органическое вещество. Животные   производят механическое   и биохимическое разрушение его и как бы подготавливают для гумусообразования. Микроорганизмы синтезируют почвенный гумус и затем разлагают его.

Рисунок 2. Разрушение биомассы ( по В.А. Ковде, 1993);

1-фитомасса;  2, 3- циклы  превращения зоомассы; 4-почвенные низшие

животные и микроорганизмы; почвенный гумус.

Экологические группы почвенных организмов. Количество организмов в почве огромно. Однако, как указывает М. С. Гиляров, в связи со сглаженностью экологических условий все они отличаются «выравненностью группового состава». Кроме того, для них характерна повторяемость в различных климатических зонах.