Вопрос 12. Роль микроорганизмов в почвообразовании. Взаимосвязь факторов почвообразования

В почве и на ее поверхности находится огромное количество микроорганизмов: бактерий, грибов, актиномицетов, водорослей и лишайников. Оптимальная температура для микроорганизмов составляет 20-25⁰ С. 

Бактерии лучше всего развиваются в нейтральной или слабощелочной среде, грибы – в кислой. Следует учесть, что среди них есть и болезнетворные организмы, вызывающие заболевания сельскохозяйственных животных и человека. Клетки бактерий имеют размеры от 0,2 до 10 мкм. Для бактерий характерен высокий темп размножения: деление происходит каждые 20-30 минут. Огромное количество бактерий содержится в любом гниющем субстрате. В навозе бактерий по массе могут составлять треть сухого вещества. Сапрофитные бактерии играют в природе не только положительную роль, обеспечивая минерализацию органических соединений в общем круговороте веществ в природе, но и отрицательную – вызывая гниение продуктов. Гниение – это разложение азотсодержащих веществ с выделением аммиака. В результате земля очищается от трупов животных, обеспечивая плодородие почв.

Бактерии – наиболее распространенные в почве микроорганизмы размером в несколько микрометров (микрометр – мкм – одна тысячная миллиметра). По форме различают шаровидные (кокки), цилиндрические и извитые, а также переходные между ними. Цилиндрические бактерии, образующие внутри клетки споры, называются бациллами; не образующие спор – собственно бактериями. Среди извитых бактерий различают вибрионы, спириллы и спирохеты. Есть более сложные формы бактерий – нитчатые, миксобактерии. О скорости размножения говорят следующие цифры: в течение 12 часов из 1 бактерии появится уже 17 млн. бактерий.

Среди химических элементов, из которых синтезируется вещество клетки, прежде всего необходимы углерод и азот, содержание которых в белках составляет соответственно около 50 и 20%. Автотрофные бактерии по способу добывания энергии делятся на фотосинтезирующие и хемосинтезирующие. К фотосинтезирующим относятся цветные, зеленые, пурпурные бактерии. Для превращения углерода в органические соединения своего тела они используют фотосинтез.

К хемосинтезирующим относятся нитрифицирующие бактерии, серобактерии и железобактерии. Нитрифицирующие бактерии окисляют аммиачные соли до нитратов. Определенные группы бактерий обладают способностью поглощать молекулярный азот воздуха. Этот процесс называется фиксацией азота. Азот составляет большую часть атмосферы. Над каждым квадратным километром почвы в воздухе находится около 80 тыс. т. азота, которого часто не хватает в почве. Нехватка азота в почве сдерживает развитие растительности, ограничивает возможности использования почвы. Значение азотфиксирующих бактерий велико, т. к. благодаря их деятельности для всей остальной массы живых организмов становится доступным атмосферный азот. 

Серобактерии окисляют сероводород и серу до серной кислоты, соединяющейся с основаниями с образованием сульфатов, которые затем потребляют растения. Железобактерии превращают закисные соединения железа в оксиды. Этот процесс протекает на заболоченных почвах. 

Гетеротрофные бактерии поглощают необходимый углерод из органических соединений, разлагая сложные соединения на простые. Благодаря их деятельности осуществляется процесс разложения большого количества мертвого органического вещества, ежегодно поступающего в почву и образования гумуса. Только после длительных биохимических превращений азот приобретает форму, доступную для растений.

Грибы – это гетеротрофные, не содержащие хлорофилла, микроорганизмы, питающиеся остатками растений и животных, имеющие черт сходства как с растениями, так и с животными. К грибам относится более 100 000 видов разнообразного строения и образа жизни организмов. Содержание грибов в зональных типах почв возрастает с юга на север. Грибы можно считать всеядными. Большая часть грибов состоит из ветвящихся нитей или гифов, образующих тело гриба, т. е. мицелий. Наиболее распространены плесневые грибы. Грибы разрушают клетчатку и лигнин, участвуют в разложении белков. При этом образуются органические кислоты, увеличивающие почвенную кислотность и влияющие на преобразование минералов. Мицелий грибов часто развивается на корнях и даже в клетках высших зеленых растений. Такой симбиоз высших растений с грибами называется микоризой, и она выполняет функцию всасывающего аппарата. Уничтожая и минерализуя остатки отмерших растений и животных, грибы, наряду с бактериями, выполняют большую санитарную работу по очищению среды.

Азот они усваивают из минеральных и органических соединений. Углерод грибы потребляют из крахмала, клетчатки, лигнина. Им необходимы также минеральные вещества (фосфор, калий, магний, сера, железо, марганец и т, д.). У некоторых древесных пород – дуб, береза, осина, сосна, окончания корней окутаны грибной микоризой. 

Актиномицеты или лучистые грибы, близкая к бактериям группа организмов, широко распространены в почве, воде. В 1 грамме почвы их число может достигать 35 млн. Они разлагают клетчатку, лигнин и активно участвуют в образовании гумуса, синтезируют антибиотики. Содержание актиномицетов в почве увеличивается с севера на юг.

Почвенные водоросли включает две экологические группировки: наземные и собственно почвенные водоросли, микроскопические формы, обитающие на поверхности и в почвенной толще. Водоросли – это низшие автотрофные фотосинтезирующие растения и живущие преимущественно в воде. Насчитывается около 40 000 видов этих растений. В их клетках содержится хлорофилл, с помощью которого происходит фотосинтез. Различают зеленые водоросли, живущие в холодном климате, и сине-зеленые, живущие в теплом климате. Одно из основных условий существования водорослей – наличие света. Водоросли участвуют в процессе выветривании и в первичном почвообразовательном процессе.    Максимальное их количество отмечается во влажные сезоны. На рисовых полях они насыщают воду кислородом, без которого растения риса не развиваются. Количество водорослей в разных типах почв значительно изменяется.

Лишайники не относятся к почвенным микроорганизмам. Они представляют собой сложное симбиотическое образование гриба и водоросли, по некоторым данным тройной симбиоз: гриба, водоросли и азотфиксирующих бактерий. Гриб обеспечивает водоросль водой и минеральными элементами питания, а водоросли синтезируют углеводы, которые потребляет гриб. Лишайники поселяются как на органическом веществе, так и на горных породах. К настоящему времени описано 26 тыс. видов лишайников, сгруппированных в 400 родов, предполагается, что их в два раза больше. Названия лишайникам даются по их грибному компоненту. Лишайники образуют сложные органические кислоты, воздействующие на почвенный субстрат. Наиболее важна пионерная роль лишайников в заселении голых субстратов. Разрушая их, они участвуют в первичном почвообразовании, прокладывая путь высшим растениям. 

Наиболее важной стороной геохимической деятельности живых организмов является перераспределение газов. Основная масса диоксида углерода на суше образуется в результате микробиологических процессов в почве. Разрушая органические остатки, гетеротрофные микроорганизмы выделяют СО_2. Различные почвенные грибы в зависимости от скорости роста продуцируют от 200 до 2000 см³ в сутки СО₂ на 1 г их сухой массы. У бактерий весьма энергично дыхание, которые в пересчете на живую массу, дышат в 200 раз интенсивнее человека. Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что наибольшее количество диоксида углерода выделяется почвами лесостепных ландшафтов. Интенсивность дыхания почвы уменьшается как по направлению к югу (в связи с усилением засушливости), так и к северу, из-за недостатка теплоты, переувлажнения и меньшего количества микроорганизмов.

Взаимосвязь факторов почвообразования. Факторы почвообразования оказывают специфическое воздействие на образование почв и не могут быть заменены друг другом. В этом смысле они равно значимы. Каждый из них играет свою роль в процессах обмена материей и энергией между почвой и окружающей ее природной средой. Вместе с тем всю сложную совокупность процессов, характеризующих почвообразовательный процесс как следствие взаимодействия факторов почвообразования, можно объединить в 3 группы: протекающие в результате деятельности живых организмов; развивающиеся за счет продукции жизнедеятельности живых организмов и явления абиотического характера, не связанные непосредственно с первыми двумя. При этом первые две группы охватывают самые существенные стороны процесса почвообразования и именно их следствием являются возникновение и развитие специфического свойства почвы - плодородия. Поэтому в природном почвообразовании биологический фактор следует считать ведущим.

Факторы почвообразования в природе в то же время тесно связаны, и приведенное выше их разделение в известной степени абстрагировано для понимания элементарных явлений почвообразования. На самом деле они сочетаются в природе в экологические комплексы, обусловленные сопряженным развитием их компонентов. Почва образуется в результате взаимодействия факторов почвообразования. При взаимодействии факторов они влияют друг на друга и, как результат этого влияния и взаимодействия, развиваются микро-, мезо- и макропроцессы почвообразования. Под их воздействием формируется почва с набором генетических горизонтов и конкретными свойствами. Выделяют два главных цикла в развитии природных экосистем, ландшафтов, почв - биоклиматический, биогеоморфологический.

Биоклиматический цикл развития обусловлен космическими и общепланетарными явлениями, распределением на поверхности солнечной радиации и динамикой атмосферы; растительность и почвы в этом цикле эволюционируют вместе с климатом.

Биогеоморфологический цикл развития обусловлен геологическими, геоморфологическими и геохимическими процессами; в нем развитие растительности и почвенного покрова связано с формированием рельефа и поверхностных отложений. В последнее время в жизни все большее значение приобретает третий цикл - производственная деятельность человека, который, с одной стороны, приспосабливается к главным циклам, а с другой - очень сильно изменяет их через замену естественной растительности культурной и через преобразование почвенного покрова методами агротехники, мелиорации, рекультивации, а также через создание культурных ландшафтов.