Почвенные организмы: участие в переработке органического вещества

Перекапывая землю, мы постоянно сталкиваемся с обитателями почв, однако то, что мы видим – это только незначительная часть, что там имеется. Чаще всего мы имеем дело с дождевыми червями, крупными нематодами, личинками насекомых. На поверхности почвы бегают жуки, пауки, многоножки, ползают моллюски и др. На самом деле мир почв значительно богаче и разнообразнее. В нашем повествовании мы постараемся рассказать о невидимых обитателях почв, от которых зависит рост и существование растений и, в конечном счете, наш урожай.

Мы вносим в почву перегной, навоз, торф и прочие органические удобрения, предполагая, что этим подкармливаем свои растения. Однако все значительно сложнее. Мы в первую очередь кормим мельчайших обитателей почв, которые высвобождают находящиеся там питательные вещества и «отдают» их растениям. В этом процессе принимает участие огромное количество почвенных организмов.

На поверхность почвы опадают отмершие части растений, а в почве остаются погибшие корни. А их очень много. Конечно, у дерева невозможно подсчитать количество корней, тогда как у небольшого растения это сделать можно. Так, общая длина корней ржи вместе с корневыми волосками, выращенной в горшке, составляет 11 тысяч километров, а их поверхность 630 квадратных метров. Это расстояние от Мурманска до Владивостока и площадь – восемь обычных трехкомнатных квартир. Сколько же тогда корней у больших деревьев?!

Считается, масса корней травянистых растений равна зеленой массе. Ежегодно часть корней отмирает и служит пищей для многих почвенных организмов.

В лиственном лесу ежегодный опад составляет от 3 до 9 тонн на гектар. Его количество зависит от возраста леса, видового состава деревьев, кустов и трав. Все это покрывает почву и постепенно перерабатывается ее обитателями. Ученые подсчитали, если бы вся отмершая растительность не перерабатывалась обитателями почв, то через какие-то сто лет поверхность земли полностью покрылась продуктами опада, а сама жизнь рано или поздно прекратилась из-за истощения минеральных ресурсов.

В отмерших растениях содержатся питательные вещества, усвоенные ими при жизни. Этими веществами могут воспользоваться другие растения только в том случае, если остатки сгниют, после чего микроорганизмы сделают их снова доступными для нового поколения растений. Благодаря такому циклическому круговороту веществ с участием всех организмов запасенные в растениях минеральные вещества поступают в среду и включаются в биотический круговорот. Ученые считают, единственный способ придать ограниченному количеству свойство бесконечности – это заставить его вращаться по замкнутой кривой. В этом цикле огромная роль принадлежит бактериям, грибам, актиномицетам, насекомым, червям и другим почвенным организмам.

Начнем с того, что подстилка из сухих листьев и стеблей (в садах и огородах – это чаще всего мульча) – хорошее удобрение, которое обеспечивает растений питательными веществами. Отмершая растительность с помощью червей и насекомых постепенно оказываются в почве. За счет этого создается плодородный слой столь необходимый растениям. Гумус – питательный компонент почв – это и есть перегнившая растительность. В его формировании принимали участие все почвенные организмы.

Сухая трава, листья деревьев, как губка, впитывают влагу и затем постепенно отдают ее корням растений. Таким способом опад регулирует водный режим верхнего слоя почвы, где сконцентрирована значительная часть корневой системы растений. Сухая ветошь пронизана воздушными полостями, за счет чего является хорошим термоизолятором. Она, как одеяло, защищает корни растений от вымерзания, особенно ранней весной при резких дневных и ночных перепадах температур. Кроме того, подстилка, как пружина, предохраняет растения от вытаптывания, а почву от уплотнения. А, как известно, это отрицательно сказывается на корневой системе.

Самый верхний слой подстилки состоит из свежего опада. Средний слой – из полуразложившихся листьев. Он пронизан гифами грибов, которые разлагают отмершую растительность, переводят питательные вещества в форму, доступную растениям. В этом слое наблюдается максимальное скопление различных организмов – насекомых, червей, моллюсков, простейших и др. Самый нижний слой состоит из сильно разложившейся растительной массы, где опять же обитает колоссальное количество различных организмов. Этот слой пронизан корнями растений, которые «черпают» оттуда питательные вещества.

А теперь давайте рассмотрим основных обитателей почв, которые принимают участие в разрушении растительных и животных остатков и снабжают растений питательными веществами.

Почва – это густонаселенный мир, где живут самые разнообразные организмы – бактерии, грибы, актиномицеты, водоросли, простейшие, черви, насекомые. Количество многих из них достигает колоссальных величин. В благоприятных для жизни условиях на одном квадратном метре верхнего слоя почвы и лежащей на ней подстилке обитает до полутора биллионов простейших, до 20 млн. нематод. Сотнями тысяч исчисляются коловратки, энхитреиды, клещи, ногохвостки, тысячами – насекомые и многоножки, сотнями – дождевые черви. Читателю не надо пугаться присутствия в почве нематод и клещей. Большинство из них являются сапрофагами – питаются мертвыми растениями.

Влияние червей (да и других организмов) на почву огромно. Так, под одним квадратным метром почвы общая длина ходов червей превышает 1 км, а иногда эти величины могут достигать нескольких километров. Черви буквально «перепахивают» почву, обеспечивая ее воздушными полостями. Подсчитано, за 10 лет весь гумусовый слой луга, по крайней мере, один раз проходит через кишечник червей. Знаменитый Чарльз Дарвин за счет такой бурной деятельности червей даже сравнивал их с плугом.

Количество бактерий может достигать несколько десятков миллиардов в одном грамме почвы. Однако главным является не численность, а скорость, с которой они размножаются и разрушают отмершие растения. Численность бактерий в почве при благоприятных условиях может удваиваться каждые 1-2 часа.

Мы уже говорили о грибах. Почвы буквально пронизаны их гифами; общая их длина может достигать 1-2 километров в 1 г почвы (а это не больше наперстка). Особенно много грибов в растительной подстилке. Эти организмы питаются отмершей растительностью. Они ее перерабатывают и превращают питательные вещества в форму, доступную для дальнейшего использования растениями. Таким образом, круг замыкается. Конечно, в разных почвах число этих организмов различно. Так, в лесных почвах преобладают грибы и актиномицеты, в луговых и степных (в том числе, в садовых и огородных) – бактерии. Само собой разумеющееся, в пустынях и менее плодородных почвах численность бактерий и грибов намного ниже.

Некоторые грибы переплетают своими гифами корни растений и образуют своеобразный чехол – микоризу. Такие взаимоотношения приносят участникам сообщества взаимную пользу. Грибы снабжают корни растений водой, витаминами, минеральными солями, ростовыми и гормональными веществами, которые сами растения не производят. Все это усиливает рост растений. Кроме того, некоторые грибы выделяют антибиотики и защищают растения от поражения корневыми болезнями. У корней, живущих в «дружбе» с грибами, поверхность поглощения питательных веществ увеличивается в сотни и тысячи раз. Растения в свою очередь выделяют в среду синтезированные ими органические вещества, которые потребляются грибницей. Некоторые растения настолько привыкли к присутствию грибов, что не могут жить без них. К таким относятся в первую очередь дуб и сосна. Без грибов растения отстают в росте или подвержены заболеваниям. К примеру, сосны на горнорудных отвалах растут только в том случае, если при посадке в корневую систему вносят мицелий грибов. В настоящее время известно, около 90% деревьев (в том числе плодовые), кустарников и трав имеют грибов-симбионтов. Теперь понятно, что гибель грибницы сразу же сказывается на продуктивности растительного сообщества.

Больше всего грибов в листопадных и хвойных лесах, где они перерабатывают хвою и листья деревьев. Благодаря наличию специальных ферментов, они эффективно разлагают целлюлозу и лигнин (древесину), с которыми бактерии (основные разрушители органического вещества), справляются с большим трудом. Грибы и актиномицеты обитают не только в лесу, но и в саду, огороде, особенно если их удобряют навозом или перегноем.

В разрушении древесины грибам помогают актиномицеты. Их численность достигает несколько миллиардов клеток в 1 грамме почвы. Их размер находится в пределах нескольких микрометров, поэтому их (так же как и бактерий) не видно невооруженным глазом. В лесной почве актиномицетов огромное множество. «Грибной» запах почвы (особенно весной) придают именно актиномицеты, а не грибы.

На долю бактерий, грибов и актиномицетов приходится до 90% разрушительных и минерализующих процессов, происходящих в почве. Им в этом помогают почвенные животные, в том числе и простейшие.

Прежде необходимо отметить, почва пронизана полостями, заполненными воздухом и водой. Они напоминают густой лабиринт пещер, которые, переплетаясь в сложном узоре, расходятся во все стороны. Количество и размер этих подземных пещер зависит от состава грунта. Оказывается в почве только 50% ее объема заполнено твердым материалом, остальное – воздухом и водой. В наименее плотных почвах эти пустоты занимают до 75% общего объема. Неудивительно, что такие почвы (особенно лесные) так приятно пружинят под ногами. Человек и животные ходят по земле, утаптывают ее и делают более плотной. Поэтому почва под тропинками сильно отличается от их обочин.

Важным условием распространения организмов в почве является наличие органического вещества – пищи для ее обитателей. В богатых органическим веществом почве развивается богатейшая фауна, которая делает ее более структурированной. А это позволяет почве удерживать влагу и минеральные вещества.

Другим важным условием плодородия является влажность почв, которая большую часть года держится в пределах 90-100%. Это имеет большое значение для дыхания мелких животных, у которых покровы очень тонкие и водопроницаемые.

Благодаря дождевой воде почва дышит. Почва, словно губка, впитывает воду, особенно если идет мелкий моросящий дождь. Вода, просачиваясь в почву, заполняет пустоты и вытесняет из них старый застоявшийся воздух, богатый углекислым газом, метаном и другими газами. Это выдох. Когда почва высыхает или почвенная влага стекает вниз, в пустоты устремляется свежий богатый кислородом воздух. Это вдох. Так что дожди обеспечивают обновление почвенного воздуха. Это очень важно для растений и почвенных животных.

Почвенному дыханию так же способствуют перепады атмосферного давления и температуры воздуха. При пониженном атмосферном давлении, как правило, из почвы выходят наружу скопившиеся там газы – продукты гниения листвы и корней. То же самое происходит в дневное время при прогревании почвы и воздуха.

Существенный вклад в переработку растительных остатков вносят почвенные животные, в основном за счет их механического дробления. Это связано с тем, что большинство почвенных животных усваивают не более 10% потребленной пищи; все остальное выходит наружу и подвергается дальнейшей утилизации микроорганизмами. При этом потребленная пища сильно измельчается, а поверхность частиц колоссально возрастает. Благодаря этому ускоряются биохимические процессы.

Из общей химии известно, скорость химических реакций при дроблении вещества резко возрастает, тем больше, чем мельче частицы. А как почвенные животные измельчают растительные остатки показывают следующие цифры. Кусочки растений, проходя через кишечник червя, уменьшаются до 2 мм, проходя через кишечник ногохвосток – до 30-50 мкм, а на выходе из кишечника панцирных клещей – не превышают 10 мкм. Таким образом, дождевые черви увеличивают поверхность потребленных частиц на 75%, а панцирные клещи – на 500 тысяч процентов. Естественно, такие частицы бактерии разрушают значительно быстрее, чем целые листья. Причем экскременты животных разлагаются микроорганизмами быстрее, чем просто механически измельченные листья, которые не имели удовольствия побывать в кишечнике животных и подвергнуться кишечным ферментам. Хвоя, к примеру, имеет настолько прочную оболочку, что бактерии могут переработать ее только после предварительного разрушения животными. С целыми хвоинками они справляются с большим трудом.

В пустотах, заполненных воздухом, обнаружено огромное количество разных животных. Размеры большинства из них не превышают 1 мм, так как более крупные вряд ли могут уместиться в узких лабиринтах. Здесь живут простейшие, коловратки, нематоды, энхитреиды, многоножки, клещи, ногохвостки, мелкие личинки насекомых и много-много других животных. Все они предпочитают структурированную и богатую органическим веществом почву. Такая почва имеет необходимые для жизни пустоты, влажность и достаточное количество пищи для ее обитателей.

Наиболее благоприятные условия для почвенных животных – это верхний 3-сантиметровый слой, где размер пустот изменяется в пределах 1-3 мм; глубже поры становятся значительно меньше.

Среди червей в почве изобилуют нематоды. Они относятся к круглым червям. Число видов во всем мире достигает 25 тысяч. У большинства из них размер не превышает одного миллиметра, однако имеются и более крупные представители. Большинство нематод обитает в верхнем 5-сантиметровом слое; особенно их много в навозе, компосте, лесной подстилке; численность достигает 20 млн. на одном квадратном метре. Для них характерна высокая плодовитость и быстрая смена поколений; весь цикл развития (от яйца до взрослого организма) проходит всего за 3-5 дней. Нематоды, как и большинство почвенных животных, питаются растительными остатками, поедают других обитателей почв. Однако среди них имеются и паразиты, которые повреждают живые растения. Особенно сильно они вредят растениям в парниках.

Энхитреиды (кольчатые черви) в основном сосредоточены в верхнем корнеобитаемом слое, так как основная их пища – это отмирающие корни. Много их и в лесной подстилке. Плотность этих червей достигает 100-150 тысяч экземпляров на одном квадратном метре. Размер большинства из них находится в пределах 2-3 мм, однако среди них имеются и более крупные виды. Энхитреиды наиболее активны во влажной среде, но при этом избегают переувлажненных почв, где мало кислорода. Они очень чувствительны к засухе и высокой температуре. Перед началом засушливого сезона они откладывают яйца и этим пережидают неблагоприятный период.

В поверхностном слое почвы обитают клещи, которые относятся к типу членистоногих. Их не надо опасаться. Это на поверхности почвы клещи кровососы, а в почве большинство из них поедают растительные остатки. Особенно много клещей в лесных почвах – несколько сотен тысяч на 1 квадратном метре. Не меньше клещей и на лугах. Наиболее многочисленна группа панцирных клещей, на долю которых приходится от 40 до 70% общей массы почвенных клещей. Они весьма активно участвует в разрушении растительного материала.

В почве обитает удивительная группа насекомых коллемболы (или же ногохвостки), которые умеют прыгать. Ногохвостки относятся к примитивным бескрылым насекомым. У них, в отличие от других насекомых, никогда не было ни крыльев, ни их зачатков. Ногохвостки – одни из наиболее древних насекомых. Они зародились около 400 миллионов лет назад и были одними из первых обитателей суши. Они живут в лесной подстилке, заглатывая и частично переваривая кусочки листьев, превращая их в форму, которая легко поддается разложению грибами и бактериями. Их численность достигает несколько десятков и сотен тысяч на одном квадратном метре почвы. Ногохвостки влаголюбивы, они лучше всего чувствуют себя в местах, где воздух до предела насыщен влагой. Это связано с тем, что у ногохосток нет специальных органов дыхания; они в отличие от других насекомых дышат всей поверхностью тела.

Неблагоприятные условия они переживают на стадии яйца. Самки, как и все насекомые, откладывают в почву яйца. При засухе развитие яиц задерживается, а когда появляется влага, из них выходят личинки. У ногохвосток, в отличие от других насекомых, нет стадии куколки. Они как бы застыли на личиночной стадии, однако это не мешает им в течение жизни линять до 50 раз.

В пустотах, заполненных влагой, обитают покрытые ресничками инфузории. Реснички помогают им не только двигаться, но и питаться. Они загоняют еду (бактерий и другие мельчайшие частицы) в рот. Их ближайшие родственники живут в водоемах на поверхности земли, а почвенные – приспособились для жизни в пустотах почвы, заполненных влагой. Все одноклеточные существа размножаются делением. Периодически в центре тела образуется перетяжка, и инфузория делится надвое. Далее половинки растут, достигают прежнего размера и опять делятся. Так что в пустотах почв плавают в основном сестры-близняшки.

Среди «плавающих» организмов почвенных пустот наряду с инфузориями встречаются жгутиковые, корненожки, амебы, мелкие черви – коловратки и нематоды. Большинство из них имеют один или несколько жгутиков, другие – реснички, биение которых позволяет двигаться в воде. Движение жгутиков создает водоворот в области рта, куда, как в воронку, засасываются пищевые частицы. Одни только нематоды, как всякие круглые черви, двигаются в воде, извиваясь всем телом. Когда почва высыхает, одни водные организмы образуют специальные капсулы с плотной оболочкой, другие покрываются толстым слоем слизи и «высыхают», третьи при засухе впадают в оцепенение. Таким способом они переживают неблагоприятные условия. В таком состоянии они могут находиться очень долго, несколько лет. Однако с появлением влаги оживают, начинают плавать и радоваться жизни.

Мы рассказали только о небольшой группе организмов почв. На самом деле их огромное множество, и все они в меру своих сил принимают участие в повышении плодородия почв.

А.П. Садчиков,
профессор МГУ имени М.В.Ломоносова, вице-президент Московского общества испытателей природы (http://www.moip.msu.ru)