stringtranslate.com

Экология почвы

Экология почвы изучает взаимодействие между почвенными организмами , а также между биотическими и абиотическими аспектами почвенной среды . [1] Она особенно интересуется круговоротом питательных веществ , формированием и стабилизацией структуры пор , распространением и жизнеспособностью патогенов , а также биоразнообразием этого богатого биологического сообщества .

Обзор

Почва состоит из множества физических , химических и биологических сущностей, между которыми происходит множество взаимодействий. Почва представляет собой изменчивую смесь сломанных и выветренных минералов и разлагающейся органики. Вместе с надлежащим количеством воздуха и воды она частично обеспечивает питание растений, а также механическую поддержку.

Разнообразие и обилие почвенной жизни превосходит таковое в любой другой экосистеме . Укоренение, конкурентоспособность и рост растений в значительной степени регулируются экологией под землей, поэтому понимание этой системы является важнейшим компонентом наук о растениях и экологии суши.

Особенности экосистемы

Почвенная фауна

Почвенная фауна имеет решающее значение для формирования почвы , разложения подстилки, круговорота питательных веществ , биотической регуляции и для стимулирования роста растений . Тем не менее, почвенные организмы остаются недостаточно представленными в исследованиях почвенных процессов и в существующих упражнениях по моделированию. Это является следствием предположения, что большая часть подземного разнообразия является экологически избыточной и что почвенные пищевые цепи демонстрируют более высокую степень всеядности . Однако накапливаются доказательства сильного влияния абиотических фильтров , таких как температура, влажность и pH почвы , а также характеристик почвенной среды обитания на контроль их пространственных и временных моделей. [2]

Почвы представляют собой сложные системы, и их сложность заключается в их гетерогенной природе: смесь воздуха, воды, минералов, органических соединений и живых организмов. Пространственная вариация, как горизонтальная, так и вертикальная, всех этих компонентов связана с почвообразующими агентами, варьирующимися от микро- до макромасштабов. [3] Следовательно, горизонтальное пятнистое распределение свойств почвы (температура почвы, влажность, pH, подстилка/доступность питательных веществ и т. д.) также приводит к пятнистости почвенных организмов по всему ландшафту, [4] и было одним из главных аргументов для объяснения большого разнообразия, наблюдаемого в почвенных сообществах. [5] Поскольку почвы также показывают вертикальную стратификацию своих элементарных компонентов вдоль почвенного профиля в результате микроклимата , текстуры почвы и количества и качества ресурсов, различающихся между почвенными горизонтами, почвенные сообщества также изменяются по численности и структуре с глубиной почвы. [6] [2]

Большинство этих организмов являются аэробными , поэтому объем пористого пространства , распределение размеров пор, площадь поверхности и уровень кислорода имеют решающее значение для их жизненных циклов и деятельности. Самые маленькие существа (микробы) используют микропоры, заполненные воздухом, для роста, тогда как другим более крупным животным требуются большие пространства, макропоры или водная пленка, окружающая частицы почвы, для перемещения в поисках пищи. Поэтому текстурные свойства почвы вместе с глубиной уровня грунтовых вод также являются важными факторами, регулирующими их разнообразие, численность популяции и их вертикальную стратификацию. В конечном счете, структура почвенных сообществ сильно зависит не только от естественных факторов формирования почвы, но и от деятельности человека (сельское хозяйство, лесное хозяйство, урбанизация) и определяет форму ландшафтов с точки зрения здоровых или загрязненных, нетронутых или деградированных почв. [2]

Макрофауна

Почвенная макрофауна, климатические градиенты и неоднородность почвы  [2]
Исторические факторы, такие как климат и исходные материалы почвы , формируют ландшафты над и под землей, но региональные/локальные абиотические условия ограничивают биологическую активность. Они действуют в разных пространственных и временных масштабах и могут включать и выключать различные организмы на разных микросайтах, что приводит к горячему моменту в определенной горячей точке. В результате трофические каскады могут происходить вверх и вниз по пищевой цепи .
Показаны почвенные беспозвоночные. Эллипсы обозначают горячие (красные) или холодные точки (синие), изогнутые стрелки дают некоторые примеры факторов, которые могут включать/выключать горячий момент, а прямые черные стрелки (сплошная черная линия = включено, пунктирная = выключено) показывают последствия для почвенных процессов вдоль почвенного профиля. В полях перечислены основные характеристики экосистемы.

Поскольку все эти факторы изменения биоразнообразия действуют и над землей, ожидается, что должно быть некоторое соответствие механизмов, регулирующих пространственные модели и структуру как надземных, так и подземных сообществ. В поддержку этого, небольшое полевое исследование показало, что взаимосвязи между экологической гетерогенностью и видовым богатством могут быть общим свойством экологических сообществ. [5] Напротив, молекулярное исследование 17 516 последовательностей генов 18S рРНК окружающей среды, представляющих 20 типов почвенных животных, охватывающих ряд биомов и широт по всему миру, показало обратное, и главный вывод из этого исследования состоял в том, что разнообразие подземных животных может быть обратно пропорционально надземному биоразнообразию. [7] [2]

Отсутствие четких широтных градиентов в биоразнообразии почвы контрастирует с четкими глобальными закономерностями, наблюдаемыми для растений над землей, и привело к предположению, что они действительно контролируются разными факторами. [8] Например, в 2007 году Лозупоне и Найт обнаружили, что соленость была основным экологическим фактором, определяющим состав бактериального разнообразия по всему миру, а не экстремальные значения температуры, pH или другие физические и химические факторы. [9] В другом исследовании глобального масштаба в 2014 году Тедерсоо и др . пришли к выводу, что богатство грибов причинно не связано с разнообразием растений и лучше объясняется климатическими факторами, за которыми следуют эдафические и пространственные закономерности. [10] Глобальные закономерности распределения макроскопических организмов документированы гораздо хуже. Однако немногочисленные имеющиеся доказательства, по-видимому, указывают на то, что в больших масштабах почвенные метазоа реагируют на высотные, широтные или площадные градиенты так же, как и те, которые описаны для надземных организмов. [11] Напротив, в локальных масштабах высокое разнообразие микросред обитания, обычно встречающихся в почвах, обеспечивает необходимое распределение ниш для создания «горячих точек» разнообразия всего в грамме почвы. [8] [2]

Не только пространственные закономерности биоразнообразия почвы трудно объяснить, но и его потенциальные связи со многими почвенными процессами и общим функционированием экосистемы остаются предметом дискуссий. Например, хотя некоторые исследования показали, что сокращение численности и присутствия почвенных организмов приводит к снижению множественных функций экосистемы, [12] другие пришли к выводу, что разнообразие надземных растений само по себе является лучшим предиктором многофункциональности экосистемы, чем биоразнообразие почвы. [13] Почвенные организмы демонстрируют широкий спектр предпочтений в питании, жизненных циклов и стратегий выживания, и они взаимодействуют в сложных пищевых сетях. [14] Следовательно, видовое богатство само по себе оказывает очень малое влияние на почвенные процессы, а функциональное различие может иметь более сильное воздействие на функционирование экосистемы. [15] Таким образом, помимо трудностей в связывании надземного и подземного разнообразия в разных пространственных масштабах, для лучшего понимания биотических эффектов на процессы экосистемы может потребоваться включение большого количества компонентов вместе с несколькими мультитрофическими уровнями  [16], а также гораздо менее рассматриваемых нетрофических взаимодействий, таких как форезия , пассивное потребление. [17] ) Кроме того, если почвенные системы действительно самоорганизованы, и почвенные организмы концентрируют свою деятельность в пределах выбранного набора дискретных масштабов с некоторой формой общей координации, [18] нет необходимости искать внешние факторы, контролирующие совокупности почвенных компонентов. Вместо этого нам, возможно, просто нужно признать неожиданное и то, что связи между надземным и подземным разнообразием и почвенными процессами трудно предсказать. [2]

Микрофауна

Недавние достижения связаны с изучением реакций на уровне суборганизмов с использованием ДНК окружающей среды  [19] , а различные подходы к омике , такие как метагеномика , метатранскриптомика , протеомика и протеогеномика , быстро развиваются, по крайней мере, для мира микробов. [20] Недавно была предложена метафеномика как лучший способ охватить омику и ограничения окружающей среды. [21] [2]

Пищевая сеть почвы

Невероятное разнообразие организмов составляет почвенную пищевую сеть . Они варьируются по размеру от мельчайших одноклеточных бактерий , водорослей , грибов и простейших до более сложных нематод и микрочленистоногих , до видимых дождевых червей , насекомых , мелких позвоночных и растений . Поскольку эти организмы питаются, растут и перемещаются через почву, они делают возможным наличие чистой воды, чистого воздуха, здоровых растений и умеренного потока воды.

Существует множество способов, которыми почвенная пищевая сеть является неотъемлемой частью ландшафтных процессов. Почвенные организмы разлагают органические соединения, включая навоз , растительные остатки и пестициды , не давая им попасть в воду и стать загрязнителями. Они изолируют азот и другие питательные вещества, которые в противном случае могли бы попасть в грунтовые воды, и фиксируют азот из атмосферы, делая его доступным для растений. Многие организмы усиливают агрегацию и пористость почвы , тем самым увеличивая инфильтрацию и уменьшая поверхностный сток . Почвенные организмы охотятся на вредителей сельскохозяйственных культур и являются пищей для надземных животных.

Исследовать

Научные интересы охватывают многие аспекты экологии почв и микробиологии . По сути, исследователи заинтересованы в понимании взаимодействия между микроорганизмами , фауной и растениями, биогеохимических процессов, которые они осуществляют, и физической среды, в которой происходит их деятельность, а также в применении этих знаний для решения экологических проблем.

Примерами исследовательских проектов являются изучение биогеохимии и микробной экологии почв полей септиков , используемых для очистки бытовых сточных вод , роли аниковых дождевых червей в контроле движения воды и азотного цикла в сельскохозяйственных почвах , а также оценка качества почвы при производстве дерна. [22]

Особый интерес по состоянию на 2006 год представляет понимание роли и функций арбускулярных микоризных грибов в природных экосистемах. Влияние антропогенных почвенных условий на арбускулярные микоризные грибы и выработка гломалина арбускулярными микоризными грибами представляют особый интерес из-за их роли в секвестрации атмосферного углекислого газа .

Ссылки

  1. ^ Access Science: Soil Ecology Архивировано 2007-03-12 в Wayback Machine . URL последний раз был доступен 2006-04-06
  2. ^ abcdefgh Брионес, Мария JI (2018). «Случайная ценность почвенной фауны в функционировании экосистемы: необъяснимое объяснено». Frontiers in Environmental Science . 6. doi : 10.3389/fenvs.2018.00149 . Материал скопирован из этого источника, который доступен по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International.
  3. ^ Лин, Хангшенг; Уилер, Дэн; Белл, Джей; Уайлдинг, Ларри (2005). «Оценка пространственной изменчивости почвы в нескольких масштабах». Экологическое моделирование . 182 (3–4): 271–290. doi :10.1016/j.ecolmodel.2004.04.006.
  4. ^ Уолл, Диана Х. (14 июня 2012 г.). Экология почвы и экосистемные услуги. ISBN 978-0-19-957592-3.
  5. ^ ab Nielsen, Uffe N.; Osler, Graham HR; Campbell, Colin D.; Neilson, Roy; Burslem, David FRP; Van Der Wal, René (2010). «Повторный взгляд на загадку разнообразия видов почвенных животных: роль мелкомасштабной гетерогенности». PLOS ONE . 5 (7): e11567. Bibcode : 2010PLoSO...511567N. doi : 10.1371/journal.pone.0011567 . PMC 2903492. PMID  20644639 . 
  6. ^ Берг, Мэтти П.; Бенгтссон, Янне (2007). «Временная и пространственная изменчивость структуры пищевой сети почвы». Oikos . 116 (11): 1789–1804. doi :10.1111/j.0030-1299.2007.15748.x.
  7. ^ Wu, T.; Ayres, E.; Bardgett, RD; Wall, DH; Garey, JR (2011). «Молекулярное исследование всемирного распространения и разнообразия почвенных животных». Труды Национальной академии наук . 108 (43): 17720–17725. Bibcode : 2011PNAS..10817720W. doi : 10.1073/pnas.1103824108 . PMC 3203765. PMID  22006309 . 
  8. ^ ab Bardgett, Richard D.; Van Der Putten, Wim H. (2014). «Подземное биоразнообразие и функционирование экосистем». Nature . 515 (7528): 505–511. Bibcode :2014Natur.515..505B. doi :10.1038/nature13855. PMID  25428498. S2CID  4456564.
  9. ^ Берг, Мэтти П.; Бенгтссон, Янне (2007). «Временная и пространственная изменчивость структуры пищевой сети почвы». Oikos . 116 (11): 1789–1804. doi :10.1111/j.0030-1299.2007.15748.x.
  10. ^ Тедерсоо, Лехо; и др. (2014). «Глобальное разнообразие и география почвенных грибов» (PDF) . Наука . 346 (6213). дои : 10.1126/science.1256688. PMID  25430773. S2CID  206559506.
  11. ^ Деканс, Тибо (2010). «Макроэкологические закономерности в почвенных сообществах». Глобальная экология и биогеография . 19 (3): 287–302. doi : 10.1111/j.1466-8238.2009.00517.x .
  12. ^ Wagg, C.; Bender, SF; Widmer, F.; Van Der Heijden, MGA (2014). «Биоразнообразие почвы и состав почвенного сообщества определяют многофункциональность экосистемы». Труды Национальной академии наук . 111 (14): 5266–5270. Bibcode : 2014PNAS..111.5266W. doi : 10.1073/pnas.1320054111 . PMC 3986181. PMID  24639507 . 
  13. ^ Jing, Xin; Sanders, Nathan J.; Shi, Yu; Chu, Haiyan; Classen, Aimée T.; Zhao, Ke; Chen, Litong; Shi, Yue; Jiang, Youxu; He, Jin-Sheng (2015). «Связи между многофункциональностью экосистемы и надземным и подземным биоразнообразием опосредованы климатом». Nature Communications . 6 : 8159. Bibcode :2015NatCo...6.8159J. doi :10.1038/ncomms9159. PMC 4569729 . PMID  26328906. S2CID  10933025. 
  14. ^ Брионес, Мараа Жезас И. (2014 ) . "Почвенная фауна и функции почвы: головоломка". Frontiers in Environmental Science . 2. doi : 10.3389/fenvs.2014.00007 .
  15. ^ Хемсберген, ДА; Берг, МП; Лоро, М.; Ван Хал, Дж. Р.; Фабер, Дж. Х.; Верхоф, HA (2004). «Влияние биоразнообразия на почвенные процессы, объясняемое межвидовым функциональным различием». Science . 306 (5698): 1019–1020. Bibcode :2004Sci...306.1019H. doi :10.1126/science.1101865. PMID  15528441. S2CID  39362502.
  16. ^ Шербер, Кристоф и др. (2010). «Влияние разнообразия растений снизу вверх на мультитрофические взаимодействия в эксперименте по биоразнообразию» (PDF) . Nature . 468 (7323): 553–556. Bibcode :2010Natur.468..553S. doi :10.1038/nature09492. PMID  20981010. S2CID  4304004.
  17. ^ Goudard, Alexandra; Loreau, Michel (2008). «Нетрофические взаимодействия, биоразнообразие и функционирование экосистемы: модель сети взаимодействия». The American Naturalist . 171 (1): 91–106. doi :10.1086/523945. PMID  18171154. S2CID  5120077.
  18. ^ Лавель, Патрик; Испания, Алистер; Блуэн, Мануэль; Браун, Джордж; Декаэнс, Тибо; Гримальди, Мишель; Хименес, Хуан Хосе; Макки, Дойл; Матье, Жером; Веласкес, Елена; Зангерле, Анна (2016). «Инженеры экосистем в самоорганизующейся почве». Почвоведение . 181 (3/4): 91–109. Бибкод :2016SoilS.181...91L. doi :10.1097/SS.0000000000000155. S2CID  102056683.
  19. ^ Томсен, Филип Фрэнсис; Виллерслев, Эске (2015). «Экологическая ДНК – новый инструмент в области сохранения для мониторинга прошлого и настоящего биоразнообразия». Биологическая охрана природы . 183 : 4–18. doi : 10.1016/j.biocon.2014.11.019 . S2CID  27384537.
  20. ^ Наннипиери, Паоло (2014). «Почва как биологическая система и подходы Omics». EQA — Международный журнал качества окружающей среды . 13 : 61–66. doi :10.6092/issn.2281-4485/4541.
  21. ^ Янссон, Джанет К.; Хофмоккель, Кирстен С. (2018). «Микробиом почвы — от метагеномики к метафеномике». Current Opinion in Microbiology . 43 : 162–168. doi : 10.1016/j.mib.2018.01.013 . PMID  29454931. S2CID  3377418.
  22. ^ Лаборатория почвенной экологии и микробиологии. URL последний доступ 2006-04-18

Библиография

Внешние ссылки