Почвенная биология — это изучение микробной и фаунистической активности и экологии в почве . Почвенная жизнь , почвенная биота , почвенная фауна или эдафон — это собирательный термин, который охватывает все организмы , которые проводят значительную часть своего жизненного цикла в почвенном профиле или на границе почва- подстилка . К этим организмам относятся дождевые черви , нематоды , простейшие , грибы , бактерии , различные членистоногие , а также некоторые рептилии (например, змеи ) и виды роющих млекопитающих, таких как суслики , кроты и луговые собачки . Почвенная биология играет жизненно важную роль в определении многих характеристик почвы. Разложение органического вещества почвенными организмами оказывает огромное влияние на плодородие почвы , рост растений , структуру почвы и хранение углерода . Как относительно новая наука, многое остается неизвестным о почвенной биологии и ее влиянии на почвенные экосистемы .
Почва является домом для значительной части мирового биоразнообразия . Связи между почвенными организмами и функциями почвы сложны. Взаимосвязанность и сложность этой почвенной «пищевой сети» означает, что любая оценка функции почвы должна обязательно учитывать взаимодействие с живыми сообществами , которые существуют в почве. Мы знаем, что почвенные организмы расщепляют органическое вещество , делая питательные вещества доступными для усвоения растениями и другими организмами. Питательные вещества, хранящиеся в телах почвенных организмов, предотвращают потерю питательных веществ путем выщелачивания . Микробные экссудаты действуют для поддержания структуры почвы , а дождевые черви играют важную роль в биотурбации . Однако мы обнаруживаем, что не понимаем критических аспектов того, как эти популяции функционируют и взаимодействуют. Открытие гломалина в 1995 году указывает на то, что у нас нет знаний, чтобы правильно ответить на некоторые из самых основных вопросов о биогеохимическом цикле в почвах. Впереди еще много работы, чтобы лучше понять экологическую роль биологических компонентов почвы в биосфере .
В сбалансированной почве растения растут в активной и устойчивой среде. Содержание минералов в почве и ее сердечная [ требуется разъяснение ] структура важны для их благополучия, но именно жизнь в земле питает ее циклы и обеспечивает ее плодородие. Без деятельности почвенных организмов органические материалы накапливались бы и засоряли поверхность почвы, и не было бы пищи для растений. Почвенная биота включает:
Из них бактерии и грибы играют ключевую роль в поддержании здоровой почвы. Они действуют как редуценты , которые расщепляют органические материалы для производства детрита и других продуктов распада. Почвенные детритофаги , такие как дождевые черви, поглощают детрит и разлагают его. Сапротрофы , широко представленные грибами и бактериями, извлекают растворимые питательные вещества из делитро. Муравьи (макрофауна) помогают, расщепляя таким же образом, но они также обеспечивают часть движения, поскольку они перемещаются в своих армиях. Также грызуны, пожиратели древесины помогают почве быть более впитывающей.
Почвенная биология предполагает работу в следующих областях:
Обязательно используются дополнительные дисциплинарные подходы, которые включают молекулярную биологию , генетику , экофизиологию , биогеографию , экологию, почвенные процессы, органическое вещество, динамику питательных веществ [1] и ландшафтную экологию .
Бактерии — одноклеточные организмы и самые многочисленные обитатели сельского хозяйства, их популяция составляет от 100 миллионов до 3 миллиардов в грамме. Они способны к очень быстрому размножению путем бинарного деления (разделения на две части) в благоприятных условиях. Одна бактерия способна производить еще 16 миллионов всего за 24 часа. Большинство почвенных бактерий живут близко к корням растений и часто называются ризобактериями. Бактерии живут в почвенной воде, включая пленку влаги, окружающую частицы почвы, а некоторые способны плавать с помощью жгутиков . Большинству полезных почвенных бактерий нужен кислород (и поэтому их называют аэробными бактериями), в то время как те, которым не нужен воздух, называются анаэробными и, как правило, вызывают гниение мертвого органического вещества. Аэробные бактерии наиболее активны во влажной почве (но не насыщенной, так как это лишит аэробные бактерии необходимого им воздуха), с нейтральным pH почвы и там, где есть много пищи ( углеводы и микроэлементы из органических веществ). Враждебные условия не убьют бактерии полностью; скорее, бактерии перестанут расти и перейдут в стадию покоя, а те особи, у которых есть проадаптивные мутации, могут лучше конкурировать в новых условиях. Некоторые грамположительные бактерии производят споры, чтобы дождаться более благоприятных обстоятельств, а грамотрицательные бактерии переходят в стадию «некультивируемой». Бактерии колонизируются стойкими вирусными агентами ( бактериофагами ), которые определяют порядок слов генов в бактериальном хозяине.
С точки зрения органического садовода, бактерии играют следующие важные роли:
Нитрификация является важной частью азотного цикла , в котором определенные бактерии (которые производят собственные углеводы без использования процесса фотосинтеза) способны преобразовывать азот в форме аммония , который образуется при разложении белков , в нитраты , которые доступны растущим растениям и снова преобразуются в белки.
В другой части цикла процесс азотфиксации постоянно вводит дополнительный азот в биологический оборот. Это осуществляется свободноживущими азотфиксирующими бактериями в почве или воде, такими как Azotobacter , или теми, которые живут в тесном симбиозе с бобовыми растениями, такими как ризобии . Эти бактерии образуют колонии в клубеньках, которые они создают на корнях гороха , фасоли и родственных видов. Они способны преобразовывать азот из атмосферы в азотсодержащие органические вещества. [2]
В то время как фиксация азота преобразует азот из атмосферы в органические соединения, ряд процессов, называемых денитрификацией, возвращает приблизительно равное количество азота в атмосферу. Денитрифицирующие бактерии, как правило, являются анаэробами или факультативно анаэробами (могут изменяться между кислородозависимыми и кислородонезависимыми типами метаболизма), включая Achromobacter и Pseudomonas . Процесс очистки, вызванный бескислородными условиями, преобразует нитраты и нитриты в почве в газообразный азот или в газообразные соединения, такие как закись азота или оксид азота . В избытке денитрификация может привести к общим потерям доступного азота почвы и последующей потере плодородия почвы . Однако фиксированный азот может много раз циркулировать между организмами и почвой, прежде чем денитрификация вернет его в атмосферу. На диаграмме выше показан азотный цикл.
Актиномицеты играют решающую роль в разложении органического вещества и образовании гумуса . Они специализируются на расщеплении целлюлозы и лигнина вместе с жестким хитином, обнаруженным на экзоскелетах насекомых. Их присутствие отвечает за сладкий «земляной» аромат, связанный с хорошей здоровой почвой. Им требуется много воздуха и pH от 6,0 до 7,5, но они более терпимы к сухим условиям, чем большинство других бактерий и грибов. [3]
Грамм садовой почвы может содержать около миллиона грибов , таких как дрожжи и плесень . Грибы не имеют хлорофилла и не способны к фотосинтезу . Они не могут использовать углекислый газ в качестве источника углерода, поэтому они хемогетеротрофны , что означает, что, как и животные , им требуется химический источник энергии, а не возможность использовать свет в качестве источника энергии, а также органические субстраты для получения углерода для роста и развития.
Многие грибы паразитируют, часто вызывая болезни у своего живого растения-хозяина, хотя некоторые из них имеют полезные отношения с живыми растениями, как показано ниже. С точки зрения создания почвы и гумуса, наиболее важные грибы, как правило, сапротрофны ; то есть они живут на мертвом или разлагающемся органическом веществе, таким образом, разрушая его и преобразуя в формы, доступные для высших растений. Последовательность видов грибов будет колонизировать мертвое вещество, начиная с тех, которые используют сахара и крахмалы, за которыми следуют те, которые способны расщеплять целлюлозу и лигнины .
Грибы распространяются под землей, посылая длинные тонкие нити, известные как мицелий , по всей почве; эти нити можно наблюдать во многих почвах и компостных кучах. Из мицелия грибы способны выбрасывать свои плодовые тела, видимую часть над почвой (например, шампиньоны , поганки и дождевики ), которые могут содержать миллионы спор . Когда плодовое тело лопается, эти споры рассеиваются по воздуху, чтобы поселиться в свежей среде, и могут находиться в состоянии покоя до нескольких лет, пока не возникнут подходящие условия для их активации или не появится подходящая пища.
Грибы, способные жить в симбиозе с живыми растениями, создавая взаимосвязи, выгодные для обоих, называются микоризами (от myco — грибок и rhiza — корень). Корневые волоски растений проникают в мицелий микоризы, который живет частично в почве, а частично в корне и может либо покрывать всю длину корневого волоска как оболочка, либо концентрироваться вокруг его кончика. Микориза получает необходимые ей углеводы из корня, взамен обеспечивая растение питательными веществами, включая азот и влагу. Позже корни растений также впитывают мицелий в свои собственные ткани.
Полезные микоризные ассоциации можно найти во многих наших съедобных и цветущих культурах. Шевелл Купер предполагает, что они включают в себя по крайней мере 80% семейств Brassica и Solanum (включая томаты и картофель ), а также большинство видов деревьев , особенно в лесах и редколесьях. Здесь микориза создает тонкую подземную сеть, которая простирается далеко за пределы корней дерева, значительно увеличивая их диапазон питания и фактически заставляя соседние деревья становиться физически взаимосвязанными. Преимущества микоризных отношений для их растительных партнеров не ограничиваются питательными веществами, но могут быть необходимы для воспроизводства растений. В ситуациях, когда мало света может достичь лесной подстилки, например, в североамериканских сосновых лесах, молодой саженец не может получить достаточно света для фотосинтеза для себя и не будет нормально расти в стерильной почве. Однако если почва покрыта микоризным слоем, то развивающийся сеянец пустит корни, которые смогут связываться с грибковыми нитями и через них получать необходимые ему питательные вещества, часто косвенно получаемые от его родителей или соседних деревьев.
Дэвид Аттенборо указывает на связь растений, грибов и животных, которая создает «трехстороннее гармоничное трио», которое можно найти в лесных экосистемах , где симбиоз растений и грибов усиливается животными, такими как дикие кабаны, олени, мыши или белки-летяги, которые питаются плодовыми телами грибов, включая трюфели, и вызывают их дальнейшее распространение ( Private Life Of Plants , 1995). Более глубокое понимание сложных взаимоотношений, которые пронизывают естественные системы, является одним из главных оправданий органического садовода , воздерживающегося от использования искусственных химикатов и ущерба, который они могут нанести. [ необходима цитата ]
Недавние исследования показали, что грибы арбускулярной микоризы производят гломалин , белок, который связывает частицы почвы и сохраняет как углерод, так и азот. Эти связанные с гломалином белки почвы являются важной частью органического вещества почвы . [4]
Почвенная фауна динамически влияет на формирование почвы и органическое вещество почвы во многих пространственно-временных масштабах. [5] Земляные черви , муравьи и термиты перемешивают почву, когда роют норы, значительно влияя на формирование почвы. Земляные черви поглощают частицы почвы и органические остатки, повышая доступность питательных веществ для растений в материале, который проходит через их тела и выходит из них. Аэрируя и перемешивая почву, а также повышая устойчивость почвенных агрегатов, эти организмы помогают обеспечить легкое просачивание воды. Эти организмы в почве также помогают улучшить уровень pH.
Муравьев и термитов часто называют «почвенными инженерами», потому что, когда они создают свои гнезда, в почве происходит несколько химических и физических изменений. Среди этих изменений — увеличение содержания самых важных элементов, таких как углерод, азот и фосфор — элементов, необходимых для роста растений. [6] Они также могут собирать частицы почвы с разных глубин почвы и откладывать их в других местах, что приводит к перемешиванию почвы, в результате чего она становится богаче питательными веществами и другими элементами.
DSC2908vv.jpg/1280px-Botta's_pocket_gopher_(Thomomys_bottae)DSC2908vv.jpg)
Почва также важна для многих млекопитающих. Суслики , кроты, луговые собачки и другие роющие животные полагаются на эту почву для защиты и пищи. Животные даже отдают ей должное, поскольку их рытье нор позволяет большему количеству дождя, снега и воды из льда проникать в почву вместо того, чтобы создавать эрозию. [7]
В эту таблицу включены некоторые известные типы почвенной жизни [8] , соответствующие общепринятой таксономии, используемой в связанных статьях Википедии.