Основы экологии

Тип почв тропических пустынь формируется на разнообразном субстрате под сильно разреженной растительностью тропических пустынь в условиях резко недостаточного увлажнения. Почвы маломощны, бедны гумусом, зачаточные, скелетные, мозаичные, часто засолены.

5.2.2 Земельный фонд и земельные ресурсы мира и России

Земельный фонд -- совокупность всех земель (рис.16). В России -- единый государственный земельный фонд, все земли в пределах страны, подразделяющиеся по хозяйственному и правовому режиму на категории: сельскохозяйственные, населённых пунктов, несельскохозяйственного назначения (промышленности, транспорта, курортов, горных разработок, заповедников и т.д.), единый государственный лесной фонд, водный фонд и земли государственного запаса.

Рис.16 Земельный фонд мира

Земельные ресурсы -- земли, систематически используемые или пригодные к использованию для конкретных сельскохозяйственных целей и отличающиеся по природно-историческим признакам. К ним относятся, во-первых, ресурсы пахотных земель, во-вторых, ресурсы всех сельскохозяйственных угодий (пашен, пастбищ, сенокосов и т.п.). В более широком смысле под земельными ресурсами понимаются территориальные ресурсы вообще.

Площадь земельных ресурсов мира по основным типам угодий иллюстрирует таблица 8.

Таблица 8 Земельные ресурсы мира

Обеспеченность населения пахотными землями в целом по планете 20 лет тому назад составляла 0,45-0,50 га/душу населения, а в настоящее время она составляет 0,35-0,37 га/душу населения.

По разным странам обеспеченность пахотными угодьями на душу населения сильно отличается. В Канаде она составляет 1,4 га, США -- 0,63 га, ФРГ -- 0,15 га, Японии -- 0,04 га; в России -- 1,75 га, в некоторых странах ближнего зарубежья: в Казахстане -- 17,0 га, Молдавии -- 0,75 га, Армении -- 0,55 га.

Земли под водными объектами присутствуют во всех категориях угодий. Наиболее значительные площади земель, занятых реками, озерами, водохранилищами, относятся к категории земель водного фонда -- 27,2 млн. га, в лесном фонде их площадь достигает 18,1 млн. га, в категории земель сельскохозяйственного назначения -- 13,2 млн. га, в землях запаса -- 10 млн. га. Больше всего болот в категории земель лесного фонда (110,6 млн. га), много заболоченных территорий входят в категорию земель сельскохозяйственного назначения (25,8 млн. га) и запаса (13,9 млн. га).

Общая площадь земель застройки составляла по России 5,5 млн. га. В эти угодья включены территории под зданиями и сооружениями, а также земельные участки, необходимые для их эксплуатации и обслуживания. Более 59,7% (3,3 млн. га) этих земель расположено в пределах городских и сельских поселений и сосредоточено в основном в жилой, общественно-деловой и производственной зонах. На категорию земель промышленности, транспорта, связи и иного назначения приходится 0,9 млн. га застроенных земель, на земли сельскохозяйственного назначения -- 1,1 млн. га.

Площадь земель под дорогами составила 7,9 млн. га. В эти угодья включены земли, расположенные в полосах отвода автомобильных и железных дорог, а также скотопрогоны, улицы, проезды, проспекты, площади, иные пути сообщения. Большая часть земель под дорогами присутствует в категории земель сельскохозяйственного назначения -- 2,3 млн. га, из которых 65% составляют дороги с грунтовым покрытием. В категории земель промышленности, транспорта, связи и иного назначения их площадь составила 1,8 млн. га, в лесном фонде -- 1,7 млн. га.

Земли под лесами и древесно-кустарниковой растительностью, не входящей в лесной фонд, занимают 897,2 млн. га. При этом на земли под лесами приходится 870,4 млн. га, на земли под древесно-кустарниковой растительностью -- 26,8 млн. га.

Общая площадь нарушенных земель, нуждающихся в рекультивации достигает 1,136 млн. га. В этой категории земли, нарушенные при разработке месторождений полезных ископаемых, переработке и проведении геологоразведочных работ, составляют 620,6 тыс. га (54,6% общей площади нарушенных земель), при торфоразработке -- 246,5 тыс. га (21,7%), при строительстве -- 136,9 тыс. га (12,0%).

Прочими землями в целом по стране было занято 350,8 млн. га, или 20,5% территории страны. В эту категорию земель включены полигоны отходов, свалки, пески, овраги и другие земли, а также участки тундры, пригодные для оленьих пастбищ.

5.2.3 Антропогенное воздействие на почвы

Механическое воздействие на почву -- пахота, перемещение почвы, уплотнение, уничтожение.

Степень распаханности почв на разных материках колеблется в больших пределах: в Западной Европе -- 30,8% от всей площади, в Азии -- 20,2%, в Африке, Северной и Южной Америке -- 14,4%, в Австралии и Океании -- 4,1%. При этом способы распашки не всегда избираются оптимальные. Например, при освоении целинных земель в СССР широко производилась отвальная распашка полупустынных светло-каштановых почв, что привело к разрушению структуры и ветровой эрозии почв.

Перемещение почвы осуществляется при всех видах строительства, хотя не всегда почва предварительно снимается, чтобы освободить место для возведения объекта строительства. Перемещались и складировались тысячи и сотни тысяч тонн почвы при закладке карьеров для разработки полезных ископаемых открытым способом.

Уплотнение почвы деятельностью человека наиболее широко распространено от прокладки множества троп и грунтовых дорог человеком и транспортными средствами. Процесс этот связан не только со строительством населённых пунктов, промышленных объектов и сельскохозяйственным использованием территории, -- он связан также с ростом туризма и рекреации. Установлено, что сильное уплотнение почв пашни происходит при использовании тяжёлых тракторов (например, К-500), которые, как каток, оставляют после себя уплотнённую землю, лишённую возможности газового обмена, нормального впитывания влаги, и, следовательно, плодородие таких повреждённых почв сильно снижается.

Уничтожение почв зачастую наблюдается при открытой разработке полезных ископаемых -- как на месте создающегося карьера, так и на участках, отводимых под отвал, -- если почва не была предварительно снята и складирована. Уничтожаются почвы при создании водохранилищ, когда оказываются затопленными обширные пойменные и пахотные земли. Так, при создании 14 крупных водохранилищ на Волге потери земель составили 3,5-4,8 млн. га, а площадь потерянных земель из-за постоянного подтопления вблизи водохранилищ составляет 6-8 млн. га. Уничтожается почва и при прокладке автодорог, трубопроводов и т.д. Так, в США дорожным бетоном покрыта площадь более 110 тыс. км2 -- больше суммы площадей Швейцарии, Бельгии и Дании; в Канаде площадь магистральных дорог составляет более 120 тыс. км2, то есть около 1,3% площади страны. Сильно страдает почвенный покров от военных действий при современной технике.

Агромелиоративное воздействие на почву бывает прямым и косвенным.

Орошение почвы -- искусственное увлажнение почвы путём подачи влаги из водного источника с целью повышения влагообеспеченности растений. За последние 200 лет орошаемая площадь Земли возросла в 25 раз, хотя орошаемое земледелие имеет историю продолжительностью значительно более 7 тысяч лет. Орошение применяется в 60 странах мира. Общая площадь орошаемых земель на планете превышает 270 млн. га, из них более половины приходится на долю трёх стран: Китая (45% обрабатываемой площади орошают), Индии (21,1%) и США (16,5%). Основными и наиболее распространёнными способами орошения являются:

а) бороздковый способ (вода подаётся по тупым сквозным бороздам шириной 1-1,3 м, дёшев, но увлажняет неравномерно и возможно засоление в гребнях борозд);

б) затопление (затопляемые участки /чеки/ имеют площадь 0,2-1 га, бывает переувлажнение и повышение уровня нижележащих грунтовых вод, применяется при выращивании риса);

в) лиманное орошение (при небольших понижениях рельефа создаются дамбы высотой 0,5-2 м, перехватывающие естественный поверхностный сток);

г) «дикий напуск» (орошение из каналов при неровном рельефе и щебнистых почвах, требуется сильный водяной поток, увлажнение неравномерное);

д) дождевание (механизированные установки экономят воду, обеспечивают равномерную подачу воды и равномерное увлажнение, способ прогрессивный, но высокая стоимость);

е) подпочвенное орошение (вода подаётся снизу капиллярным способом из заложенных в почве труб, вода используется экономно, не образуется на почве корки, увлажнение равномерное).

Осушение земель имеет целью отвести избыточную влагу из пределов корнеобитаемого слоя для достижения благоприятных водно-тепловых условий произрастания растений и улучшения аэрации почв, чтобы добиться повышения плодородия почв. Осушению подвергаются переувлажнённые земли, леса и болота с целью вовлечения их в сельскохозяйственное производство. Основной приём осушения -- понижение уровня грунтовых вод с помощью открытого или закрытого дренажа. Болота бывают верховые (лежат на водоразделах и играют важную роль как естественный регулятор стока рек, поэтому должны быть охраняемы и не подвергаться осушению), низинные и переходного типа. Крупнейшее болото -- Западно-Сибирская низменность: при площади её 1,3 млн. км2 заболоченно около 50%. Наука ещё не сказала своего окончательного слова о значении торфа на многих болотах в круговороте веществ естественной окружающей среды, поэтому пока следует воздержаться от осушения торфяных болот.

Косвенное снижение уровня грунтовых вод возникает как побочное явление при создании карьеров. Оно может захватить обширные территории, особенно на равнинах, но обычно размер таких площадей зависит от литологического состава горных пород, характера их залегания, наклона и дислоцированности слоёв и т.д.

Косвенное поднятие уровня грунтовых вод порождается сооружением водохранилищ или оросительных каналов без соответствующих дренажных мероприятий.

Засоление и вторичное засоление почв. Почва содержит обычно соли угольной кислоты: Na2CO3, MgCO3, CaCO3 и др. Натриевые и некоторые другие соли значительно ухудшают плодородие. В естественных условиях почвы засоляются через грунтовые воды, насыщенные солями. Грунтовые воды, расположенные на небольшой глубине, в жарких и засушливых районах поднимаются по почвенным капиллярам и испаряются. Тогда на поверхности почвы остаются все растворённые до этого в воде соли. Засоление почв при орошаемом земледелии наблюдается во всех странах Ближнего и Среднего Востока -- от Афганистана до Марокко и Сенегала, а также в орошаемых районах Австралии, США и Мексики. Процессам деградации и снижения плодородия почв подверглись орошаемые земли и в аридных зонах России. Так, Поволжье засолено 350 тыс. га орошаемых земель, имеется 390 тыс. га земель с солонцовыми комплексами.

Вторичное засоление орошаемых почв особенно опасно для земледелия. Современные оросительные системы обычно строятся и функционируют без гидроизоляции. В результате, грунтовые воды, поднимаясь вверх (иногда со скоростью 0,5-2 м/год и более), подтопляют поверхность почвы и, при отсутствии хорошего естественного дренажа (свободного оттока грунтовых вод), вызывают заболачивание и засоление земель. Вторичное засоление почв распространено в Индии и других странах Азии. По данным ФАО, не менее 50% площади орошаемых земель мира значительно засолено, в том числе в России и странах СНГ.

Химическое воздействие на почву. На суше ежегодно разлагается 10-55 млрд. т органического вещества, продукты распада переходят в почву, грунтовую воду и атмосферу. Процесс разложения, как известно, сопровождается выделением энергии. В каждом природном биоценозе поступление в почву основных химических элементов и микроэлементов происходит в виде свойственного данному биоценозу сочетания веществ и соединений в определённых количественных соотношениях. Хозяйственная деятельность человека в значительной степени изменяет естественные круговороты вещества, в результате через почву проходит иной набор химических веществ и соединений, чем свойственно данному биоценозу. В каких-то пределах растительность и животный мир могут адаптироваться к антропогенным изменениям в почве, если же этот предел превышен, биоценоз начинает изменяться, а затем может разрушиться. На ранних стадиях этот процесс поправим -- правильными мерами иногда можно восстановить нарушенное равновесие в экологической нише, но нередко возникает и необратимый ход процесса.

Изменение химического состава почв отражается на химическом составе произрастающих на них растений, на составе поверхностных и грунтовых вод. В результате животные и человек, обитающие в данном районе, с пищей и водой получают избыток или недостаток тех или иных элементов. Возникают «эндемичные заболевания»: недостаток йода порождает эндемический зоб и кретинизм; недостаток вместе йода, кобальта и меди вызывает зобную болезнь; при высоком содержании молибдена и недостатке меди -- эндемическая подагра и др. Потери сырья добывающей промышленности и побочные отходы обрабатывающей промышленности могут достигать 2-33%. Такими путями, а также через стадию промышленной продукции (с металлоломом, коррозией, распылением, истиранием, со сточными водами и т.д.) в почву попадают дополнительные количества железа, калия, магния, меди, цинка, олова, никеля, ртути, резко изменяя природное содержание этих элементов и соотношение различных компонентов. Изменение содержания этих элементов в почве оказывает влияние на обмен веществ как в почве, так и у растений и животных. Например, промышленные воды с высоким содержанием магния вызывают закупорку пор, по которым воздух поступает к корням растений, последние гибнут и т.д.

Количество поступающих в почву чужеродных веществ очень велико, особенно близ крупных городов и промышленных центров. Так, в отдельных странах Центральной Европы за 30 лет металлические отходы в населённых пунктах возросли в 10 раз. К середине следующего века ожидается рост концентрации окиси железа в почве более чем в 2 раза, свинца -- в 10 раз. За это же время неполное использование сырья, потери и отходы производства могут увеличить концентрацию в почве ртути в 100 раз, урана -- в 200 раз, мышьяка -- в 250 раз.

Попадающие в почву твёрдые отходы ухудшают аэрацию почв и тем самым способствуют образованию ядовитых веществ, уничтожающих почвенную флору и фауну, вызывая деградацию почвы. В Норвегии, в районе разработок руд кобальта, производившихся 75 лет назад, установлено повышенное содержание кобальта и мышьяка в почве и в выращиваемых на ней растениях -- моркови, томатах, свёкле.

В Польше в районе хвостохранилищ медного рудника тяжёлые металлы в почве оказывают токсическое воздействие на ряд микроорганизмов, в результате в подземной части растений (редис, лук), выращиваемых на этой почве, повышенное содержание свинца и меди может представлять угрозу для человека.

В одной из горных долин Швейцарии установлено, что вблизи автодороги в почве в 50-80 раз повышается содержание полициклических ароматических углеводородов, входящих в состав выхлопных газов автомашин и являющихся канцерогенами.

В районах суперфосфатного и ртутного комбинатов в почве обнаружено содержание ртути в 3-13 раз больше по сравнению с фоновым содержанием.

Итак, с химическими отходами производств и от автотранспорта в почву могут попадать канцерогенные вещества (бластомагенные) -- таковы сажа, продукты осмоления, нефтепродукты и др.

Изменение почвы через изменение растительного покрова. Особенно сильно изменяются состав и строение почвы после вырубки лесов, когда в условиях новых теплового, светового и водного режимов резко возрастает вымывание из почвы многих питательных веществ и гумуса, в котором питательные вещества содержатся в недоступной для растений форме, однако в нормальном ходе почвообразования эти вещества быстро переводятся микробиологическими процессами, при участии аэробных и анаэробных бактерий, в доступную для растений форму. Намного усиливается также смыв почвы. Поскольку леса обладают высокой водорегулирующей способностью, сведение их приводит к резкому нарушению водного баланса и росту поверхностной составляющей стока. При этом нарушается естественный круговорот веществ в биоценозе, почва довольно быстро изменяется, в значительной степени утрачивая своё плодородие, и теряет способность быть основой для самовосстановления прежнего растительного покрова.

Изменение почвы через изменение животного мира. Уничтожение или хотя бы частичное сокращение, в результате хозяйственной деятельности человека, численности популяций землеройных животных, червей и полезных микроорганизмов отрицательно сказывается на плодородии почв.

Сокращение в степях и саваннах поголовья копытных травоядных животных, поедающих определённые группы растений, изменяет соотношение компонентов в фитомассе биоценоза, что отражается на составе поступающих в почву органических остатков и продуктов их минерализации. В результате происходит качественное изменение почвы.

Вообще влияние на почвы антропогенного изменения животного мира менее наглядно проявляется, чем влияние изменения растительного покрова. Оно может выразиться, например, в антропогенном нарушении способности почвы к естественному процессу самоочищения. Под воздействием огромного количества микроорганизмов, простейших многоклеточных и других организмов в почве происходит распад органического вещества на безвредные для человека и полезные для растений минеральные соли, углекислоту, воду. Процесс самоочищения почвы сопровождается образованием гумуса.

При антропогенном нарушении процесса самоочищения почвы могут возникнуть очаги патогенных микроорганизмов в почве -- возбудителей инфекционных болезней. Таковы возбудители кишечных инфекций (брюшного тифа, паратифов, дизентерии, холеры), бруцеллёза, туляремии, чумы, коклюша и др. Возбудитель сибирской язвы -- сибиреязвенная палочка, -- попадая с мочой и испражнениями больных животных в почву, образует спору (плотную оболочку, обеспечивающую ему высокую устойчивость к неблагоприятным факторам среды) и в таком состоянии может сохраняться годами, особенно в каштановых и чернозёмных почвах, а затем животные, поедая корм, загрязнённый этой палочкой, заражаются сибирской язвой. Человек заражается этой болезнью через контакты с больными или павшими животными, через продукты или сырьё, полученные от больных животных, и при непосредственном соприкосновении с почвой. Опасность для человека представляет собой столбнячная палочка, заражение которой происходит через повреждённую кожу или слизистую. В почве может присутствовать спороносная палочка -- возбудитель ботулизма -- тяжёлого пищевого отравления; она может попасть на овощи, ягоды, фрукты, грибы и при анаэробных условиях из споры переходит в вегетативную форму, продуцирующую сильный яд, превосходящий многие другие. Ботулизм распространён в США, Канаде, Франции, Японии, Казахстане, Армении, России -- в частности на Северном Кавказе. Заражение ботулизмом часто связано с продуктами домашнего приготовления: грибами, консервированными в герметически закрытых банках, консервами овощными и фруктовыми, рыбой солёной и вяленой. Газовая гангрена возникает при проникновении спор гангренозной палочки в повреждённые ткани вместе с загрязнённой почвой и обрывками одежды, характеризуется быстро распространяющимся отёком тканей и их омертвением.

Почвы могут быть заражены гельминтозами. Гельминты бывают двух видов:

а) геогельминты (аскариды, власоглавы и др.), они одну стадию развития проходят в почве, где яйца дозревают до инвазийной стадии;

б) биогельминты (свиной и бычий цепни, или солитёры, и др.), дозревание яиц которых происходит в кишечнике домашних животных, личинки затем разносятся с кровью по телу и поселяются в мускулах, а человек, употребляя в пищу недостаточно термически обработанное мясо таких животных, может заразиться этими гельминтами.

Изменение почвы при её сельскохозяйственном использовании. После снятия урожая с поля человеком отторгается громадное количество фитомассы, чем существенно нарушается природный круговорот веществ, а почва обедняется рядом важных компонентов -- соединениями азота, фосфора, калия, кальция. Отсюда следует, что при существующем землепользовании теоретически через 100-150 лет почвы, характеризующиеся средним плодородием, могут быть полностью истощены. Возникает острая необходимость в восполнении отчуждаемых человеком веществ посредством регулярного привноса удобрений.

Общее количество вносимых в почвы удобрений по земному шару составляет около 60 млн.т, то есть в среднем приходится почти 5 т/км2 распаханных земель.

Из вносимых в почвы азотных удобрений около 40% смывается и сносится в реки, и у человека, использующего такую воду для питья, из-за накопления в организме нитратов нарушается дыхательная функция крови. Применение азотных удобрений может сопровождаться накоплением нитратов в кормовых культурах, тогда они по пищевой цепи могут передаваться в организм человека. При определённых погодных условиях (продолжительной засухе, прохладной погоде), а также воздействии ряда других факторов (применении гербицидов и др.) содержание нитратов в растениях может возрасти в несколько раз. Высоконитратная пастбищная трава способствует накоплению в молоке и тканях животных нитратов и нитритов. С повышением доз азотных удобрений возрастает концентрация нитратов в растениях (особенно в сахарной и кормовой свёкле -- до 1,8%). Наибольшее количество азота из почвы поглощают технические культуры -- сахарная свёкла, масличные, конопля, лён (уносящие 100-200 кг азота с га), хлопчатник (45 кг/га); за ними идут зерновые -- пшеница, кукуруза, овёс (30-35 кг/га).

В России наибольший вынос фосфора с урожаем из почв полей наблюдается в южных районах (более 21 кг/га) за счёт преобладания в посевах кукурузы и подсолнечника, далее к северу вынос фосфора постепенно сокращается и в северных областях снижается до 8 кг/га.

Водная и ветровая эрозия почв. Помимо громадных территорий, где человеком изменены состав, структура, химизм почв, растут площади земель, где почвы нарушены эрозией водной и ветровой (или дефляцией). За последнее столетие водной эрозии и дефляции подверглись на земном шаре почвы на площади 2 млрд. га или 27% сельскохозяйственных земель мира.

Природные факторы развития водной эрозии почв: крутизна склонов, коэффициент горизонтальной расчленённости территории, глубина местных базисов эрозии, интенсивность осадков и др. Эрозия почв может резко возрасти под действием антропогенных факторов: при сведении или нарушении естественного растительного покрова, распашке вдоль склонов, чрезмерном выпасе скота и др. Интенсивность эрозии сельскохозяйственных земель зависит от применяемой агротехники. Наиболее легко развивается эрозия почв под паром (смыв до 100%) и пропашными культурами (75-99%), меньше -- под овсом, пшеницей и рожью (20-25%). Различают плоскостную эрозию, возникающую при плоскостном нерусловом смыве почвы осадками, и овражную эрозию, когда дождевые струи, сливаясь в потоки, размывают почву и подстилающие породы с образованием промоин и оврагов. Развитие оврагов приносит сельскому хозяйству не только прямой вред, разрушая и снося плодородную почву, но и косвенный -- снижая уровень грунтовых вод, истощая их, иссушая земли и порождая «эрозионную засуху». В степной зоне из-за эрозии земледелие теряет 30-35 млрд. м3 воды. Об ущербе можно судить, если учесть, что в районах с неустойчивым увлажнением каждые 100 м3 воды на 1 га дают прибавку урожая в размере 1 ц зерна. На эродированных почвах урожай сокращается в 15-12 раз, из-за смыва азота, фосфора и калия; ухудшается качество зерна -- изменяется его биохимический состав, уменьшается абсолютный вес; в 2-4 раза возрастает засорённость сорняками.

Дефляция значительно изменяет химизм почв: происходит потеря органических веществ, азота, фосфора и пр. При выдувании пылеватых частиц происходит опесчанивание и огрубление почв, ухудшается полезная микрофауна почв.

Примеры разномасштабных проявлений эрозии и дефляции многочисленны. На Великих равнинах США раньше жили индейцы и в степях пасли громадные стада бизонов. Первое массовое вторжение земледельцев на эти тучные земли произошло в 1885 году, но в тех местах сухая весна приводила к тому, что после весенней пахоты земли иссушались и почва выдувалась, бывали и засухи. После сильной засухи 1894 г. 90% хозяйств на Великих равнинах было заброшено. Вторая волна земледельцев пришла туда в конце первой мировой войны в связи с ростом цен на хлеб. Тракторами были распаханы ещё большие территории. Сильные засухи в 1932-1934 гг. и пыльные бури весной 1934 г. унесли и развеяли 300 млн.т гумуса, за два года было уничтожено более 2 млн. га плодородных земель, не считая садов, которые были засыпаны, либо из-под корней был выдут весь грунт. В последующие годы губительные последствия пыльных бурь были несколько ослаблены пропашкой поперёк склонов, правильным орошением, созданием на полях широких полос с плотной дерниной трав, оставлением соломы на стерне, покрытием дёрном в садах приствольных кругов и т.д. Бывают пыльные бури и в Европе, и в России. Так, в 1960 и 1969 гг. были пыльные бури в Ставропольском крае, Кабардино-Балкарии и Северной Осетии, принесшие немалый урон.

Бурный смыв почвы происходит в районах интенсивного землепользования при развитии эрозии. Ежегодный снос достигает в бассейне р.Хуанхэ 7900 т/км2, в бассейне р.Верхней Вольты -- 17000 т/км2, на склонах в Азербайджане -- 15000-30000 т/км2, на чайных плантациях Грузии -- 20000-50000 т/км2.

Нерегламентированный выпас скота на горных склонах вызывает интенсивные эрозионные процессы. В ряде стран, особенно в субтропических и тропических широтах, разрушению почвенного покрова в значительной степени способствовал выпас коз. Так, на о-в Св.Елены, ранее сплошь покрытый лесом преимущественно из эбенового дерева, в 1514 г. были высажены с корабля козы, а в 1835 г., когда туда привезли сосланного Наполеона, леса оказались полностью уничтоженными и эбеновое дерево исчезло совершенно. Подобно этому, человек, разводя или выпуская коз, вызывал с их помощью сведение растительного покрова, а затем и эрозию почв в Новой Зеландии, Новой Каледонии, на о-вах Галапагос, Хуан-Фернандес и др. В иных случаях человек сначала вырубал лес, а затем разводимые им козы препятствовали восстановлению растительности, так как молодые побеги и травы выдёргивались ими с корнем, а обнажённая почва выбивалась острыми копытами животных и затем смывалась дождём и сдувалась ветром. Так протекал процесс разрушения почв в Греции, Турции, Сирии, Ливане и других странах. К разрушению почв в горных областях приводит и массовый выпас овец, что порождает скотосбой и последующее разрушение почв. Это имеет место в Татрах, на Карпатах, Стара Планина, на Кавказе, в Крыму, в ряде горных районов Средней Азии и т.д.

Значительные трудности в землепользовании возникают в районах Крайнего Севера и пустынях в связи с ранимостью почв. В тундре почвенный покров быстро разрушается под воздействием современной техники (тракторов, вездеходов, тягачей и т.д.), причём восстановление его происходит очень медленно. Так, В тундровой зоне России за последние 25 лет в 2 раза сократились площади лишайниковых тундр, а процессы деградации оленьих пастбищ наблюдаются почти на 25% их площади. Если раньше основной причины этого явления был перевыпас оленей, то сейчас -- с нерегламентированное движение транспорта и пожары. Таким образом, необходимо особенно бережно относиться к почве в зонах экстремальных условий её формирования.

5.3 Растительность

5.3.1 Запасы и продукция фитомассы

В запасах биомассы суши преобладает фитомасса, а в запасах биомассы океана -- зоомасса.

Запасы фитомассы суши оцениваются различными авторами в пределах 1,06-10 трлн.т.

В.И.Вернадский [1940] в планетарных запасах фитомассы главную роль отводил океану. Более поздними исследованиями это не подтвердилось. Запасы фитомассы океанов оцениваются в пределах 0,17-3,3 млрд. т. Из приведённых данных видно, что ныне существует представление, что доля океанов в общих запасах фитомассы Земли очень невелика: на порядок меньше, чем запасы фитомассы суши.

Запасы фитомассы суши представлены преимущественно лесами, на которые приходится 82% общих запасов, хотя занимают они лишь около четверти площади суши. По удельным запасам фитомассы на единицу площади первое место занимают тропические леса и особенно постоянно влажные (оцениваются в 440-500 т/га, а в Амазонии -- до 1700 т/га). По удельным запасам фитомассы за тропическими влажными лесами идут субтропические лиственные леса (410 т/га), широколиственные леса умеренного пояса (370-400 т/га) и средняя и южная тайга (260-330 т/га) (рис.17).

Годичный прирост фитомассы по планете составляет около 232 млрд. т. Годичная продукция фитомассы суши оценивается в 100-172 млрд. т, а годичная продукция фитомассы океанов -- в 50-60 млрд. т.

Рис. 17 Распределение фитомассы на суше

Наиболее высокий годичный прирост фитомассы дают в основном те же типы растительности, которые обладают наибольшими запасами фитомассы. Так, годовой прирост фитомассы влажных тропических лесов -- 32,5 т/га, субтропических лиственных лесов -- 24,5 т/га, широколиственных лесов умеренного пояса -- 9-13 т/га. А прирост фитомассы средней и южной тайги (7-8,5 т/га) уступает приросту фитомассы умеренно засушливых степей (11,2 т/га).

Лесистость -- степень облесённости территории, определяемая отношением лесопокрытой площади к общей площади какого-либо региона. Наряду с запасами фитомассы, лесистость также является показателем, отражающим в известной степени распределение основных ресурсов фитомассы.

Леса покрывают на планете площадь 4090 млн. га, то есть лесистость Земли составляет 27% всей суши. В Российской Федерации общая площадь земель занятых лесами, составляет 1178,6 млн. га, или 69% ее территории. Леса России составляют 22% лесов мира.

Значение лесов

Леса представляют собой лёгкие планеты, поскольку лесные формации являются самой мощной фабрикой фотосинтеза: 1 га леса может поглотить за год углекислого газа 5-10 т и выделить кислорода 10-20 т. Если раньше, в 30-50-х годах, на долю лесов в пополнении кислородного баланса планеты отводилось только 30%, то теперь, как считает академик А.П.Виноградов, -- леса дают более 60% биологически активного кислорода, остальные примерно 40% дают растения морей и океанов и культурная растительность полей и садов. Лес очищает воздух от пыли, осаждая её на поверхности листьев и переводя с потоками дождевой воды в почву. 1 га леса за год может осадить из воздуха 50-70 т пыли. В этом плане буковые леса проделывают большую работу. Если сосновые или еловые насаждения в год перехватывают 32-36 т пыли, дубовые -- до 50-55 т, то буковые -- до 70 т.

Велико значение лесов в поддержании гидрологического режима рек, в смягчении климата (снижаются морозы, умеряются жара и ветры), в предупреждении водной и ветровой эрозии. В.В.Докучаев считает, что лес -- надёжный собиратель и рачительный распределитель влаги. Учёными установлено, что на безлесной площади поверхностный сток составляет 65% годовой суммы осадков (осадки стекают по уклонам рельефа и часто вызывают эрозию почв), при лесистости 10% поверхностный сток составляет 25% годовой суммы осадков, при лесистости 20% уменьшается до 14%, при лесистости 40% снижается до 8-9%, а при 100% (когда площадь сплошь занята лесом) составляет только 5%.

Лес позволяет управлять природным круговоротом веществ и энергии. Для леса характерны особые закономерности плодородия и водного режима почв, в нём создаются свой микроклимат, свой круговорот органических и минеральных веществ, особые условия жизни животных и микроорганизмов. Если различны условия среды (почвенные, гидрологические, климатические), то различны и лесные фитоценозы. Леса тропиков вовлекают в круговорот в 3-4 раза больше химических элементов, чем леса умеренных широт; они поглощают из атмосферы около четверти поглощаемого всей наземной растительностью углекислого газа и насыщают воздух таким количеством влаги, что их гибель равнялась бы потере одного океана пресной воды. 1 га тропического леса производит кислорода вдвое больше, чем леса других широт (рис.18).

Рис. 18 Круговорот вещества и энергии в лесной экосистеме

Лесной фитоценоз состоит из нескольких ярусов растительности, которые образуют древостой, подлесок, подрост и живой напочвенный покров. Количество ярусов в лесу может быть различным. В тропическом влажном лесу бывает до 12 ярусов. В лесах тропиков сосредоточена половина всех видов земной флоры и фауны. Уничтожение тропических лесов приводит к распространению многих болезной, ибо они вырабатывают «витамины атмосферы» -- фитонциды, несколько десятков килограмм которых хватает на уничтожение всех микробов города средних размеров.

Лес имеет разнообразное сырьевое значение. Кроме основного вида сырья -- древесины, лес поставляет продукты технического, лекарственного и пищевого значения. Только из древесины получают свыше 20 тысяч видов материалов, веществ и соединений. Лес нужен в строительстве и мебельной промышленности, из древесины производят бумагу, музыкальные инструменты и т.д. Трудно перечислить все продукты, которые даёт химическая переработка древесного сырья: искусственный шёлк, спирт, синтетический каучук, скипидар, уксусная кислота, ацетон, формалин, пищевые и кормовые дрожжи, корд для автопокрышек, целлофан и многое другое.

Лес обеспечивает плодородие почвы, способствует переводу осадков в почву и грунтовые воды, регулирует гидрологический режим водосборных бассейнов рек. Лес способствует улучшению климата прилегающих полей, уменьшает на них испарение влаги и способствует повышению урожаев сельскохозяйственных культур. Он создаёт нормальные гигиенические условия для жизни человека, обеспечивает пищей животных, создаёт им благоприятные условия обитания.

Лес сформировал озоновый экран, предохраняющий человека и животных от ультрафиолетовых лучей. Из всех элементов живой природы лес -- наиболее мощный фактор усиления биологической продуктивности ландшафта благодаря улучшению структуры почвы, её водного режима и микроклимата. Тропические леса играют также важную роль на биологическом уровне организованности биосферы, они обеспечивают биогеохимический процесс планетного значения.

В России существует следующее экономическое подразделение лесов на группы.

Леса первой группы -- особо важные, защитные, заповедные леса, курортные, пыле- и почвозащитные, зелёные зоны вокруг городов, защитные полосы вдоль железных и шоссейных дорог. Их площадь на 01.01.2003 г. составляет 254,2 млн. га, или 22,4% общей площади. В этих лесах запрещена рубка главного пользования и разрешены только лесовосстановительные рубки для удаления перестойных и усохших деревьев.

Леса второй группы -- водоохранные леса. В России они занимают площадь 65,1 млн. га, или 5,8%. Рубки главного пользования разрешены в объёме, не превышающем объём годового прироста. Система рубок направлена на формирование на их месте высокопродуктивных древостоев.

Леса третьей группы -- леса промышленного использования Севера, Урала, Сибири, Дальнего Востока. Они занимают площадь 812,9 млн. га (71,8% площади лесов РФ). Являются основным объектом лесозаготовок и поставляют необходимое количество древесины народному хозяйству. Допускаются все виды рубок, но преобладают сплошные концентрированные лесосеки.

5.3.2 Естественные процессы в растительных сообществах

Естественные процессы, протекающие в растительных сообществах, рассмотрим на примере леса.

Солнечную энергию -- основной источник энергии в растительных сообществах -- в лесу поглощают в основном кроны деревьев в процессе фотосинтеза и тем самым накапливают органическое вещество. Некоторое количество энергии отражается от поверхности крон, почвы на прогалинах и уходит в атмосферу, незначительная часть расходуется на транспирацию.

Часть солнечных лучей проникает через просветы в кронах деревьев внутрь леса. Здесь под пологом в связи с незначительным количеством света и изменением его спектра развиваются, как правило, более теневыносливые кустарники и травянистые растения. Под пологом сомкнутых буковых или грабовых древостоев можно наблюдать интересные смены травянистого покрова в связи с изменением световой обстановки. Ранней весной, до развития листьев древесного яруса, интенсивно развиваются травянистые растения-эфемеры: подснежники, хохлатки, первоцвет весенний, ветренница дубравная, чистец весенний и др. В течение 2-3 недель они успевают развиться, сформировать плоды и ко времени появления листьев древесного полога закончить вегетацию. В виде семян, луковиц, корневищ они сохраняются до следующей весны. В летний период под древесным пологом могут расти такие особо теневыносливые растения, как копытень, плющ, некоторые папоротники и др.

Иная картина наблюдается в светлых лесах -- сосновых, берёзовых, в дубовых редколесьях, в которых больше света проникает в глубь леса. В таких лесах хорошо развит подлесок, кустарничковый и травянистый ярусы (черника, брусника, земляника, вереск и др.).

Лес определяет распределение влаги от выпадающих атмосферных осадков. Так, часть дождевых осадков испаряется с поверхности крон, не достигая почвы. В почву влага попадает, стекая с листьев, хвои, по поверхности стволов и непосредственно через просветы в пологе леса. Если почва в лесу уплотнённая, часть воды испаряется, стекает в понижения рельефа, нередко вызывая эрозию. При наличии рыхлой подстилки влага легко проникает в почву, где её перехватывают корни деревьев. Количество поглощаемой корнями деревьев воды очень значительно. Часть просочившейся влаги идёт на пополнение грунтовых вод.

Вся поглощаемая корнями деревьев вода по сосудам поступает в крону, там её основная масса расходуется на транспирацию (физиологический процесс испарения воды листьями), и только 0,1-0,2% поглощённой корнями воды использует дерево на свой рост. По подсчётам специалистов, 1 га дубового леса в возрасте 100 лет испаряет за весенне-летний период не менее 1200 т, а букового -- 2070 т воды.

5.3.3 Обмен веществом и энергией в растительных сообществах

Естественный растительный покров находится во взаимодействии с окружающей средой. Рассмотрим происходящий обмен веществом и энергией на примере западноевропейского смешанного леса, в расчёте на 1 га.

Количество поступающей солнечной энергии составляет 9 млрд. ккал/год. Большая часть её превращается в тепло и уходит на нагрев воздуха. Приблизительно 1/3 расходуется растениями на транспирацию, то есть на переход воды из жидкого состояния в газообразное. На фотосинтез приходится только 1% поступившей солнечной энергии.

Половина накопленной в результате ассимиляции органической массы тотчас расходуется на дыхание растений. Остаток (нетто-продуктивность) накопленного сухого вещества составляет приблизительно 12 т/га. Из этого количества около 4 т/га приходится на листья деревьев, 5 -- на древесину и примерно 2 т/га -- на корни. Остальное, 1 т/га, продуцирует подрост.

Площадь листьев составляет приблизительно 4,5 га/га. Таким образом, коэффициент облиствленности равен 4,5. Листья и напочвенный покров ежегодно отмирают и накапливаются в виде опада. Микроорганизмы в течение нескольких лет разлагают, или гумифицируют, его.

В естественных условиях в лесах, где запас древесины и количество гумуса в почве сохраняются на определённом уровне, ежегодно должно накапливаться столько же вещества, сколько его в течение года разлагается, -- 12 т/га. Большая часть накопленного вещества разлагается непосредственно микроорганизмами (грибы, бактерии) при участии также почвенной фауны. Лишь незначительная часть накопленного вещества потребляется растительноядными животными, многие из которых в свою очередь поедаются хищниками. Трупы хищников в конце концов также попадают в почву и там разлагаются. Однако роль высших животных в обмене веществом в этих лесах незначительна.

Для каждого растения в растительном сообществе совокупность всех остальных индивидуумов играет не меньшую роль, чем совокупность экологических факторов неорганического происхождения. Корневые системы разных или одинаковых растений конкурируют в извлечении из почвы влаги и питательных веществ; надземные органы ведут борьбу за свет; в густом фитоценозе возникают иные условия температуры, влажности, движения воздуха, нежели в фитоценозе разреженном. Поэтому между растениями происходит как конкурентная борьба, так и тенденция к взаимному приспосабливанию.

Сапрофитами называют растения, которые добывают себе средства к жизни из мёртвого органического вещества, так как, лишённые хлорофилла, они сами не в состоянии ассимилировать СО2. К сапрофитам относятся слизевики, обитающие на гниющем дереве, коре, экскрементах животных; многие бактерии, вызывающие минерализацию органических веществ; огромное большинство шляпочных грибов и др.

В мире микроскопических организмов большую роль играет явление антагонизма, выражающееся в том, что многие актиномицеты (лучистые грибки), плесени и бактерии вырабатывают химические вещества (антибиотики), способные подавлять жизнедеятельность других микробов либо убивать их. На этом основывается лечебное применение антибиотиков.

Паразитизм -- такая физиологическая связь при сожительстве растений, когда одно растение, называемое паразитом, пользуется готовыми питательными веществами другого организма, называемого хозяином, нанося последнему ущерб и нередко доводя хозяина до гибели. Из грибов к паразитам относятся некоторые сумчатые грибы, вызывающие на листьях многих растений болезнь «мучную росу»; головнёвые грибы, паразитирующие на деревьях трутовики; гриб спорынья, поражающий завязи ржи. Из более высоко организованных растений к паразитам относятся омела; петров крест, паразитирующий на корнях ясеня, вяза, тополя, и др.

Симбиоз -- это такое сожительство двух организмов, при котором один из них или оба вместе извлекают из этого пользу, а ущерба не испытывают оба. Например, на корнях многих растений из семейства бобовых встречаются клубеньки, образованные главным образом бактериями из одного рода. Эти клубеньковые бактерии фиксируют атмосферный азот и переводят его в форму, доступную для усвоения высшими растениями. Поэтому растения, заражённые клубеньковыми бактериями, хорошо растут на почвах, бедных азотом. Бактерии в свою очередь получают от высших растений углеводы. Эту способность бобовых растений используют в сельском хозяйстве для повышения содержания азота в почве.

Эпифиты -- растения, которые совсем потеряли связь с почвой и живут на других растениях, но физиологически с ними не связаны. Прикрепляются они обычно с помощью присосок-ризоидов, которые проникают немного вглубь мёртвой коры хозяина, либо с помощью присосков-корней, плотно прижимающихся к субстрату. Зольные вещества эпифит добывает из частиц перегноя и пыли, осевших на хозяине, а воду впитывает всей поверхностью своего тела либо с помощью особых воздушных корней. В наших широтах к эпифитам относятся некоторые лишайники, живущие на коре деревьев, бородатый лишай, обитающий на ветвях. Много эпифитов во влажных тропических лесах, где кроме низших растений эпифиты представлены некоторыми папоротниками и цветковыми растениями.

Лианы -- лазающие и вьющиеся растения, которые нуждаются в других растениях только как опоре. Таковы лазающие розы, виноград, плющ, хмель, ваниль, многие виды бобовых, тыквенных и др.

5.3.4 Значение животных в жизни растений

Велико значение животных в жизни растений. В процессе эволюции растения приспособились к созданию излишков первичного органического вещества для прокорма животных-фитофагов (растительноядных животных). Животные же, являясь необходимым звеном в цепи питания, перерабатывают органические соединения, созданные растениями, и через ряд других звеньев в пищевой цепи переводят их в исходные неорганические вещества, за счёт которых зелёные растения могут вновь создавать органическое вещество. Таким образом, животные обеспечивают круговорот веществ и энергии, необходимый для осуществления жизненных процессов в биосфере.

Животные, питаясь растениями, повреждают их: обгрызают и обламывают листья, побеги, ветви. У ряда растений выработалась своеобразная защита от этих повреждений в виде восстановления утраченных частей. Вероятно, вегетативное размножение многих растений является результатом защитной реакции.

Защитные приспособления предохраняют растения от полного уничтожения животными. Специфическое защитное свойство растения, выработавшееся в борьбе против определённых видов микроорганизмов, растений-паразитов и животных, -- наличие фитонцидов или биологических антисептиков.

Растительные яды (эфирные масла, глюкозиды, алкалоиды) имеют аналогичное биологическое значение -- защиту от поедания выделяющих их растений животными. Узкая специализация по химическому составу растительного корма привела к сокращению числа врагов у каждого вида растений и ограничению круга кормовых растений у каждого вида животных.

Другая форма защиты растений от поедания животными -- анатомо-морфологические особенности строения. Механической защитой от животных растениям служат кожистые листья, волоски, щетинки, твёрдая кора, шипы, колючки, клейкие выделения и т.д. Правда, это форма защиты является относительной, так как некоторые животные приспособились к ней. Например, верблюд легко поедает ряд колючих растений.

Животные принимают заметное участие в процессе размножения растений, являясь опылителями растений или распространителями семян от места к месту. Клевер в Европе опыляется шмелями, яблоня -- пчёлами. Сойки и дятлы переносят семена хвойных, а также дуба, каштана, бука, ореха. Перенос совершается и намеренно, и невольно. В последнем случае плоды поедаются, проходят через пищеварительный тракт животного, и семена извергаются наружу вместе с помётом в значительном удалении от места обитания родительского экземпляра растения. Семена, защищённые стойкой оболочкой, не страдают от органических соков во время прохождения через пищеварительный тракт животного.

Таким образом, животные оказывают существенное влияние на формирование почвенно-растительных сообществ и ландшафтов в целом.

5.3.5 Природные системы растительности

Зоны растительности группируются по тепловым поясам. Далее мы рассмотрим основные зоны растительности по каждому тепловому поясу, их особенности.

Холодные пояса включают в себя арктический, субарктический, субантарктический и антарктический географические пояса.

Зона тундры представляет собой безлесные пространства с господством мхов, лишайников, карликовых кустарничков и полукустарничков. Растения живут в холодной почве, в близком соседстве с неглубоко залегающей многолетней мерзлотой и часто в условиях заболоченных грунтов. Флора тундры бедна -- здесь всего около 500 видов высших растений. Растения преимущественно многолетние, так как для однолетних вегетационный период крайне короток и неблагоприятен. Все растения малорослы или стелющиеся и имеют неглубокую стелющуюся корневую систему -- этим они приспосабливаются к максимальному использованию тепла наиболее прогретого верхнего слоя почвы. Многим растениям свойственен ксероморфный облик: мелкие листья в виде игл или чешуй, нередко завёрнутые, сильное опушение.

Зона лесотундры и редколесий представлена в северном полушарии. Обрамляет тундры с юга. Наблюдается чередование островов леса и участков тундры. Деревья невысокие и тонкоствольные, часто характеризуются искривлёнными стволами, обычно стоят далеко друг от друга, между деревьями на сухих местах почвы растут лишайники, на более влажных -- зелёные мхи, а на особенно богатых почвах -- травянистый покров.

Умеренные пояса включают в себя зоны умеренных и субтропических географических поясов.

Зона тайги (хвойных лесов) получила распространения в районах многолетней мерзлоты, где у деревьев стелющиеся над мерзлотой корни.

Различают две главные группы хвойных лесов: тёмнохвойные (еловые и пихтовые) и светлохвойные (главным образом сосновые и лиственничные).

Еловая тайга мрачная, однообразная, с серыми стволами, тонущими в полумраке, и густым моховым покровом на почве. Имеются 2-3 яруса растения. Для еловой тайги характерны растения, длительно вегетирующие в течение всего тёплого времени, не теряющие листвы даже зимой, и вечнозелёные (брусника и др.). В Западной Сибири такой лес называется урман. Он состоит из смеси ели, пихты и кедра (кедровой сосны) с участием берёзы и осины. Близкая по составу тайга имеется на Алтае и в Саянах. В Тянь-Шане растут своеобразные леса из тянь-шаньской ели.

Пихтовый лес -- тихий, мрачный, почти без подлеска, что обусловлено малым количеством света. Почва сухая, сплошь устланная покровом из игл хвои. Отдельные деревья достигают в высоту до 50 м и 1-1,5 м в поперечнике.

Сосновые светлые леса состоят обычно из сосны обыкновенной и кедровой. Однако в Сибири из светлохвойных лесов особенно широко распространены лиственничные леса, состоящие преимущественно из лиственницы сибирской (в Западной Сибири) и даурской (в Восточной Сибири).

Тихоокеанская тайга в Северной Америке величественна, в ней больше видов, чем в Евразии. В этой тайге произрастают: секвойя (возраст деревьев 500-800, иногда до 1300 лет, деревья высотой до 100 м при диаметре 2-6 м, а у секвойи гигантской, или мамонтова дерева, -- до 15 м), сосна сахарная (с шишками до 0,5 м длины) и жёлтая (до 30-85 м высотой), пихты белая и дугласова, ель ситхинская.

Зона смешанных и широколиственных лесов содержит помимо хвойных компонентов разнообразные деревья с крупными листьями: дуб, клён, ясень, бук, ильм, вяз; а также мелколиственные: берёза, осина. В широколиственных лесах наблюдаются два древесных яруса, два кустарниковых и 3-4 яруса в травостое. В травяной покров входят злаки с широкими листовыми пластинками, также осоки, различные двудольные; при отмирании эти растения образуют густой мёртвый слой.

Зона средиземноморской растительности формируется в условиях субтропического средиземноморского климата. Растительный покров образуется, в зависимости от характера увлажнения и особенностей рельефа, с разным сочетанием древостоя, кустарниковых и травянистых форм. В результате формируется серия разнообразных фитоценозов:

а) заросли вечнозелёных кустарников, многие из которых эфиромасличные растения: