Экологи́ческие фу́нкции почв, роль и значение почвы и почвенных процессов в функционировании наземных экосистем и биосферы в целом. Роль почвы и её экологических функций в биосфере – новый раздел почвоведения, основные положения которого были сформулированы Г. В. Добровольским и Е. Д. Никитиным в 1980-х гг.

Почва является областью активного взаимодействия оболочек Земли, где сфокусированы общие закономерности функционирования природных систем. Почва объединяет различные компоненты биосферы (литосферу, атмосферу, гидросферу, растительный и животный мир), обеспечивает устойчивость планеты и её взаимодействие с космосом (обмен энергией, газами и т. д.). Следствием системной организации почвы и её биокосной природы является многообразие экологических функций почв, что даёт возможность называть почву полифункциональной природной системой.

Функции почв подразделяются на 2 основные группы: экосистемные (биогеоценотические) и глобальные.

Педосфера в системе земных геосфер.Педосфера в системе земных геосфер.

Экосистемные функции почв

Экосистемные функции реализуются на уровне элементарных единиц биосферы – биогеоценозов и определяются тремя группами её свойств: физическими, химическими и биологическими.

Значимость функций оценивают по их проявлению, созданию условий для поселения организмов, снабжения их влагой и питательными веществами, сохранения семян, биогеохимических циклов и т. д. Именно многообразие экологических функций почв отражает её биологическое разнообразие.

Функции, связанные с физическими свойствами почв

1. Почва – пространство, пригодное для существования различных групп организмов. Значительная часть биомассы растений (корневая система) размещена в почве (20–90 %). Почва активно используется микроорганизмами – их содержание в 1 г почвы может достигать 25 млрд. Животные используют почву как среду обитания: из беспозвоночных – простейшие, различные черви, моллюски, членистоногие; из позвоночных – представители пресмыкающихся, млекопитающих. Почва защищает животных от переохлаждения и перегрева, поскольку колебания температуры и влажности воздуха в почве менее выраженные. Многие животные (полёвка, суслик, сурок и др.) сооружают в почве норы и ходы на 15–20 м в длину и до 8 м в глубину; термиты делают сложные постройки до 12 м глубиной.

2. Почва – механическая опора, позволяющая растениям сохранить вертикальное положение, быть устойчивым к ветровалам и противодействовать силе тяжести. Например, ель по сравнению с сосной обладает поверхностной корневой системой, и её закрепление может быть затруднено на рыхлых песчаных почвах, особенно в случае с сильными ветрами. В районах распространения вечной мерзлоты нередко растёт «пьяный лес», где многие деревья сильно наклонены, изогнуты или повалены из-за слабой связности почвенного мелкозёма.

3. Почва – резерв семян и других зачатков. Многие вырубки быстро зарастают, причём появляются растения, нехарактерные для данного участка. Обусловлено это наличием в почве запаса семян различных растений, которые могут сохранять всхожесть десятилетиями и в случае подходящих условий начинают активно прорастать.

Функции, связанные с химическими и физико-химическими свойствами почв

1. Почва – источник элементов питания. Химические элементы, содержащиеся в почве, идут на построение тканей растений и многих организмов и принимают участие в целом ряде сложнейших биохимических процессов. Живые организмы используют элементы, находящиеся в растворённом или обменном состоянии. Важное значение также имеет соотношение доступных элементов в почве, поскольку поступление одного часто зависит от концентрации другого.

2. Почва – депо элементов питания, энергии и влаги. В депо входят как легкодоступные для организмов соединения, так и труднодоступные (законсервированные в аморфных и кристаллических минералах, гумусовых кислотах), а также соединения и влага глубоких горизонтов. Благодаря почвенному депо живые организмы успешно существуют даже тогда, когда наблюдается перерыв в поступлении в почву влаги, тепла, удобрений, опада.

3. Почва – стимулятор и ингибитор биохимических и других процессов. Данная функция связана с выделениями живыми организмами продуктов метаболизма (белки, аминокислоты, антибиотики, витамины и др.), которые активизируют или угнетают их жизнедеятельность. Например, возможно почвоутомление за счёт ингибирующих выделений другими организмами.

4. Функция сорбции веществ и микроорганизмов. Связана с физико-химической поглотительной способностью почв, обусловленной наличием почвенного поглощающего комплекса. Почва представляет собой тонкодисперсную систему, обладающую поверхностно-активными силами, возникающими на границе раздела почвенных коллоидов и окружающей их дисперсионной среды. Благодаря этому она способна задерживать в ионной форме многие элементы соединений, поступающие в неё с атмосферными осадками, пылью, с боковыми и грунтовыми водными потоками и опадом. Данная способность почвы зависит от количества и состава ила, содержания гумуса. Сорбционная функция имеет значение и в жизни культурных растений – положительным эффектом служит защита элементов питания от быстрого вымывания из почвы, а негативным – снижение эффективности удобрений, связанное с переходом части элементов в труднодоступные формы.

Учёт способности почв к сорбции микроорганизмов помогает понять многие стороны биологических процессов почвообразования и распределения микроорганизмов по почвенному профилю. Бактериальные клетки некоторых микроорганизмов сорбируются почвой более чем на 90 % и долго сохраняют свою жизнедеятельность.

Информационные функции почв

Почва также рассматривается как информационная система, способная «передавать» её биоценозам информацию о состоянии среды обитания.

1. Функция сигнала для сезонных и других биологических процессов (контролируется параметрами водного, теплового и других режимов). Роль почвенной влаги как регулятора сезонного развития растений ярко проявляется в районах недостаточного увлажнения (например, сокращение активного вегетационного периода у эфемеров и эфемероидов вследствие недостатка почвенной влаги). В условиях северной тайги ведущим фактором пробуждения роста корней в ельнике является температура почвы (на отдельных холодных участках рост ели задерживается на 10–20 дней, хотя температура воздуха благоприятствует вегетации).

2. Функция пускового механизма некоторых сукцессий растительного покрова (например, восстановление естественной растительности почв после выведения их из сельскохозяйственного использования).

3. Почвенная память. Из всех компонентов биосферы почва обладает наибольшей способностью к накоплению информации о природной среде и её изменениях. Эта функция позволяет почве сохранять в своём составе, строении и свойствах свидетельство о прошлых временах и эпохах почвообразования. Данная функция используется в палеопочвоведении и археологии.

Целостные функции почв

Целостные функции почвы включают в себя систему взаимосвязанных частных свойств и процессов, а почва выступает как единое целое.

1. Функция аккумуляции и трансформации вещества и энергии состоит в преобразовании соединений, поступающих в почву с опадом, из атмосферы, с грунтовыми водами и в ходе выветривания материнских пород. Благодаря этой функции осуществляется преобразование первоначально почти бесплодных горных пород поверхностного слоя литосферы в пригодный для жизни организмов субстрат.

2. Санитарная функция почвы обеспечивает её освобождение от отходов жизнедеятельности организмов, подавляет развитие в ней болезнетворных микроорганизмов, вызывает разрушение токсичных продуктов обмена в прикорневой зоне растений. Противоэпидемиологические свойства почвы служат барьером против распространения инфекций и бактериального загрязнения грунтовых вод и грунтов.

3. Функция защитного и буферного экрана. Почва предохраняет биогеоценозы от разрушающего действия эрозии, ухода биологически ценных газообразных соединений из почвы в атмосферу, потери элементов питания с нисходящим током влаги, резких колебаний гидротермического и пищевого режимов и др.

4. Функция эволюции организмов суши Земли является ещё недостаточно изученной. Её реальность подтверждается фундаментальными исследованиями М. С. Гилярова и его школы, раскрывающими роль почв в эволюции насекомых и других животных.

Интегральной функцией, которая определяется взаимодействием всех свойств и функций, является биопродуктивность почв и почвенное плодородие.

Глобальные функции почв

Глобальные функции почвенного покрова проявляются в его воздействии на атмосферу, гидросферу, литосферу и в целом на биосферу Земли.

Литосферные функции почв

1. Биохимическое преобразование верхних слоёв литосферы. Верхняя часть литосферы (кора выветривания) теснейшим образом связана с жизнью почвы. Почва обеспечивает поступление в кору выветривания атмосферной влаги, создавая при этом предпосылки для образования подвижного фонда химических элементов, участвующих в различных биогеохимических процессах. Выветривание приводит к резкому возрастанию доли тонкодисперсного вещества, обладающего огромной активной поверхностью, на которой разворачиваются разнообразные физико-химические процессы.

2. Источник вещества для образования минералов, пород и полезных ископаемых. Примером может служить тот факт, что мобилизованный при почвообразовании из кристаллических решёток первичных минералов кремнезём может в дальнейшем выпадать из раствора, образуя гель, постепенно переходящий в опал → халцедон → вторичный кварц. Известны образования оксидов и гидроксидов железа, марганца, гипса, легкорастворимых солей. Прямо или косвенно почва влияет на формирование полезных ископаемых: болотной или озёрной руды, угля (из торфа в случае погребения его на значительную глубину).

3. Передача аккумулированной солнечной энергии в глубокие части литосферы. Почвообразование оказывает определённое воздействие на более глубокие части литосферы благодаря энергетическому обмену между её различными слоями.

Гидросферные функции почв

1. Трансформация атмосферных осадков в почвенно-грунтовые воды. Выпадающие на поверхность почв атмосферные осадки просачиваются вглубь толщи почвы, вступают в химические реакции с минеральными и органическими компонентами почвы, поглощаются почвенной биотой и корневыми системами растений. В результате этих реакций часть поступившей атмосферной влаги преобразуется в почвенные растворы, обогащаясь минеральными и органическими веществами почвы. При фильтрации через торфянистые почвы тундры и подзолистые тайги вода обогащается органическим веществом, а в чернозёмах и каштановых почвах вода пополняется солями. Изменяется и газовый состав атмосферных осадков – в них резко снижается количество кислорода и возрастает содержание углекислоты. Необходимо учитывать влияние хозяйственной деятельности человека (осушение, орошение, внесение удобрений), т. к. это может сказаться на уровне и химическом составе грунтовых вод.

2. Формирование речного стока и водного баланса. От почвы зависит соотношение поверхностного и грунтового стока в реки. Если водопроницаемость недостаточна, создаются предпосылки для усиления поверхностного стока, что может вызвать ряд неблагоприятных последствий – активизацию эрозии, длительные паводки весной и сильное обмеление рек в засушливый период. Соотношение поверхностного и грунтового стоков во многом зависит от промерзаемости почв, характера растительности, рельефа и др. Характерной особенностью годового водного баланса Земли является быстрое обновление и восстановление запасов воды в почве.

3. Фактор биопродуктивности водоёмов. Эта функция реализуется за счёт поступления вынесенных из почвы соединений в моря и океаны, где они потребляются животными и растениями. Наивысшая биологическая продуктивность в океане приурочена к зоне контакта морских и речных вод, обогащённых вымытыми из почв соединениями. Морские организмы активно извлекают кальций, магний, калий, кремний, фосфор и др.

Атмосферные функции почв

1. Поглощение и отражение солнечной радиации почвой определяет энергетический баланс нижних слоёв атмосферы. Почвы обладают неодинаковой отражательной способностью: пахотные чернозёмы отражают 5–7 % солнечной радиации, пахотные подзолы – до 30 %. Распашка и освоение почв приводит к пестроте поверхности почвенного покрова, усиливая изменчивость теплообеспеченности приповерхностных слоёв воздушной оболочки.

2. Регулирование влагооборота, газового режима и состава атмосферы. Почва влияет на состав атмосферы. В почвенном воздухе по сравнению с атмосферным значительно больше углекислого газа и меньше кислорода, присутствуют микрогазы (метан, сероводород и т. д.), что связано с процессами жизнедеятельности организмов и окисления органического вещества почв. Между почвой и атмосферой постоянно происходит обмен газами, круговорот различных газообразных соединений (сток и эмиссия), определяемый множеством факторов (атмосферными условиями, физическими свойствами почвы и газов, физико-химическими реакциями). Устранение избытка углекислого газа в атмосфере – важный фактор улучшения её состава. Участвуя в изъятии части CO₂ из атмосферы, почва служит его стоком в результате образования и захоронения в осадочных органогенных породах. При этом важнейшим источником содержания CO₂ в атмосфере является т. н. дыхание почвы, т. е. взаимообмен почвенным воздухом с приземными слоями атмосферы. Известно, что CO₂ атмосферы на 90 % имеет почвенное происхождение. Эмиссия CO₂ из почвенного покрова России составляет 2,74 млрд т в год, что почти в 5 раз больше индустриальных выбросов CO₂ на её территории. Не менее значима в экологическом плане эмиссия почвой закиси азота, метана из заболоченных почв, а также из оттаивающих толщ вечных мёрзлых грунтов. Благодаря сбалансированности двух противоположных процессов – консервации углерода атмосферы и систематического возврата его в воздушный океан – выполняется одно из условий нормального функционирования основных оболочек Земли. Почва фигурирует также в формировании и регулировании круговорота воды. Но антропогенная деятельность (сведение лесов, распашка земель), вызвавшая усиление поверхностного стока, заметно ослабила водорегулирующую способность почв.

3. Источник поступления твёрдого вещества и микроорганизмов в атмосферу. Основной механизм попадания пылеватого материала в воздушную оболочку – дефляция. Дальность переноса частиц зависит от их размеров и мощности воздушного потока – наиболее мелкие частицы могут облетать земной шар. Пылеватые частицы атмосферы оказывают разнообразное воздействие на процессы, происходящие в ней. Мелкие частицы служат центрами конденсации паров влаги и способствуют выпадению дождей. В жарких районах запылённость атмосферы снижает поступление солнечного тепла к поверхности Земли, уменьшая её перегрев. В связи с активным вмешательством человека в природные процессы нередко наблюдается чрезмерное поступление твёрдого вещества в атмосферу, что чревато потерей почвенного плодородия в результате эрозии поверхностного горизонта. В районах невысокой теплообеспеченности запылённость воздуха, снижающая поступление солнечной радиации на поверхность Земли, усугубляет недостаток обеспечения ландшафтов теплом. Источником большей части бактерий в атмосфере служит почва, мелкие частицы которой ветром поднимаются в воздух. В приземных слоях атмосферы обнаружено около 1,2 тыс. видов бактерий и актиномицетов; в воздушные массы попадают споры грибов, мхов, папоротников и пыльца 100 тыс. видов цветковых растений. При распылении почвы в воздух попадают и простейшие животные, их цисты, яйца некоторых беспозвоночных.

Общебиосферные функции почв

Поскольку биосфера включает в себя биогеоценозы, некоторые их экологические функции пересекаются, но рассматриваются на уровнях разного масштаба.

1. Среда обитания, аккумулятор и источник вещества и энергии для организмов суши. Известно, что 92 % видов животных и растений обитают в почве или на почве. Об уникальности почвы как среды обитания жизни свидетельствует огромный суммарный объём сухой массы растительности земной суши (2420 млрд т) по сравнению с биомассой океана (3,2 млрд т). Ежегодная биологическая продуктивность фитомассы суши оценивается в 171,54 млрд т и также во много раз превышает биологическую продуктивность океана. Биологическая продуктивность почв, используемых в земледелии, обеспечивает около 77 % всей массы продовольствия, получаемой человечеством, а с учётом продукции пастбищного животноводства – ещё 16 %, т. е. всего 93 %.

2. Связующее звено биологического и геологического круговоротов. Аккумулируя в своём составе биофильные химические элементы (азот, фосфор, калий, микроэлементы), почвенный покров суши совместно с её растительным покровом использует эти элементы в биологическом круговороте в системе «почва – растение» и удерживает их тем самым от выноса с поверхностным и речным стоком с территории суши в океан. Суммарный мировой геохимический сток с суши в океан составляет 2,7 млрд т, а объём удерживаемых в биологическом круговороте веществ – 10–11 млрд т, т. е. в 4 раза больше.

3. Защитный барьер и условие нормального функционирования биосферы. В условиях нарастающего антропогенного загрязнения почв и ландшафтов очень важное значение приобретает функция почв по устойчивости их к загрязнению и способности к самоочищению. Почвовед М. А. Глазовская разработала схематическую карту районирования территории СССР по вероятной интенсивности самоочищения и устойчивости против техногенного загрязнения.

Е. Д. Никитин (2010) полагает, что к категории глобальных функций относятся также взаимодействия «общество – природа», или этносферные функции почвенного покрова, привлекающие всё большее внимание в связи с установлением Л. Н. Гумилёвым особой роли биосферы и её компонентов в земном этногенезе.

Даже краткое рассмотрение разнообразия экологических функций почв и в целом почвенного покрова Земли позволяет утверждать, что сохранение и разумное использование тончайшей оболочки земной суши (педосферы) являются необходимым условием сложившегося функционирования биосферы и дальнейшего развития человеческой цивилизации.