Дождевые черви как инженеры экосистемы: Формирование структуры и функций почвы

Структура почвы является физической основой здоровой экосистемы и определяется расположением частиц и пор. Рис. 2.11 предоставляет наглядный пример плохой структуры, демонстрируя вертикально-ориентированный шлиф с массивной структурой. Это состояние характеризуется выраженным недостатком порового пространства и связности пор, где минимальные белые области представляют собой немногочисленные изолированные поры. Такая уплотненная почва серьезно ограничивает рост корней, перемещение воды и среду обитания для почвенных организмов, создавая неблагоприятную среду для биологической активности.

В прямом противопоставлении, дождевые черви известны как могущественные инженеры экосистемы, которые активно борются с деградацией почвы, повышая ее пористость. Они достигают этого за счет двух основных механизмов: прокладывания ходов и проглатывания почвы с образованием копролитов. Из-за низкой эффективности усвоения питательных веществ дождевые черви вынуждены перерабатывать большие объемы почвы, что приводит к формированию значительных макропор и стабильных агрегатов (Рис. 2.12). Их роющая деятельность непосредственно создает крупные трубчатые поры, известные как ходы, которые критически важны для аэрации почвы и инфильтрации воды.

Рис. 2.12: Структура почвы и пористость, созданные почвенной фауной

Влияние дождевых червей на гидрологию почвы глубоко и варьируется в зависимости от их экологической группы. Анецинные виды, такие как обыкновенный дождевой червь, создают постоянные вертикальные ходы, которые могут простираться на глубину более двух метров. Эти ходы служат основными каналами для быстрого дренажа воды во время сильных дождей, минимизируя поверхностный сток и эрозию. Давно после гибели червя эти структуры сохраняются, обеспечивая предпочтительные пути для воды, газов и даже корней растений, которые находят богатые питательными веществами стенки ходов (Рис. 2.14).

Рис. 2.14: Корни растений, растущие предпочтительно через старый ход дождевого червя

Напротив, эндогенные виды обитают во временных, горизонтально-ориентированных системах ходов within верхнего слоя почвы. В отличие от анецинных червей, они засыпают свои туннели копролитами, постоянно перерабатывая почвенную матрицу. Это горизонтальное прорывание значительно увеличивает общую пористость и улучшает дренаж в корневой зоне. Интересно, что исследования не показывают прямой связи между плотностью популяции червей и количеством ходов; несколько активных особей на возделываемом поле могут создать сеть ходов, столь же обширную, как и на лугу с гораздо более высокой численностью.

Производство копролитов дождевыми червями является еще одним ключевым механизмом структурообразования почвы. При отложении within почвенного профиля копролиты создают стабильную зернистую структуру, которая улучшает водоудерживающую способность (Рис. 2.13). Копролиты, отложенные на поверхности, образуют структуры, известные как копролитные холмики, которые смешаны с органическими остатками (Рис. 2.15). Эти холмики увеличивают шероховатость поверхности, повышая устойчивость к выветриванию и снижая эрозию почвы. Продукция копролитов огромна, с годовыми оценками в умеренных лугах, достигающими 240 тонн на гектар с учетом подповерхностных отложений.

Рис. 2.13: Зернистая структура, образованная копролитами дождевых червей на поверхности песчаной почвы

Рис. 2.15: Копролитные холмики дождевых червей: крупный план одного холмика (вверху) и множество холмиков, распределенных по поверхности почвы (внизу)

Долгосрочным кумулятивным эффектом этой биотурбации является постепенное образование нового пахотного горизонта. В условиях умеренного климата активность дождевых червей в течение пяти лет может привести к формированию слоя почвы толщиной от 5 до 25 см. Однако эффекты зависят от контекста; в некоторых тропических условиях определенные виды червей, такие как Millsonia anomala, могут оказывать уплотняющее воздействие на структуру почвы, что демонстрирует: их инженерное влияние не является универсально положительным и зависит от вида и окружающей среды.

Помимо дождевых червей, другая фауна, такая как муравьи и термиты, также классифицируется как инженеры экосистемы. Они сооружают обширные сети ходов и гнезд, которые аналогичным образом повышают пористость и гетерогенность почвы. Другие организмы, включая личинок насекомых, равноногих ракообразных (мокриц) и брюхоногих моллюсков, также вносят вклад в структурирование почвы, хотя и в меньшей степени. Совокупное биологическое воздействие корней и фауны наиболее выражено в верхних 30 см почвы, обычно формируя округлые агрегаты, тогда как физические силы, такие как обработка почвы, создают более угловатые структуры.

Практики сельскохозяйственного управления оказывают доминирующее влияние на структуру почвы. Длительная традиционная обработка почвы часто ассоциируется с ее деградацией, включая снижение содержания органического вещества и стабильности агрегатов. Это приводит к образованию поверхностных корок, увеличению стока и повышению рисков эрозии. Напротив, альтернативные системы, такие как минимальная обработка почвы и глубокое рыхление, как было показано, улучшают качество структуры почвы за счет снижения нарушений и сохранения органического вещества.

Главным последствием сельскохозяйственной интенсификации является уплотнение почвы — значительная форма экологической деградации. Уплотнение вызывается природными силами и, что более критично, антропогенными воздействиями от тяжелой техники и почвообрабатывающих орудий. Поскольку размеры и вес сельскохозяйственной техники увеличились, уплотнение подпахотного слоя стало повсеместной проблемой. Это уплотнение снижает пористость, ограничивает рост корней и затрудняет движение воды, представляя собой серьезную проблему для устойчивости агрокультуры, которую невозможно решить только за счет совершенствования шинных технологий.

Преимущества инвестирования в улучшение структуры почвы существенны, особенно в сельскохозяйственных условиях. Эти преимущества создают положительную обратную связь для здоровья экосистемы и продуктивности культур. Ключевые выгоды включают значительное снижение риска эрозии благодаря большей прочности почвенных агрегатов и уменьшенному поверхностному стоку. Кроме того, улучшенная структура почвы способствует усиленному проникновению корней, позволяя растениям лучше получать доступ к почвенной влаге и питательным веществам. Она также способствует улучшенному появлению всходов за счет снижения поверхностного коркообразования. Наконец, оптимизация порового пространства приводит к большей инфильтрации воды, улучшенному влагоудержанию и повышению доступности воды для растений в течение всего вегетационного периода.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Rebekka Artz, The Macaulay Land Use Research Institute, UK Dimos Anastasiou, Bio4met, Greece Dominique Arrouays, L’Institut National de la Recherche Agronomique, France Ana Catarina Bastos, Cranfield University, UK Anna Bendetti, Istituto Sperimentale per la Nutrizione delle Piante

Источник: European Atlas of Soil Biodiversity

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам биологических и экологических специальностей, почвоведам, экологам-практикам, а также всем, кто интересуется основами почвенного биоразнообразия и функционирования наземных экосистем.