Почвенные экосистемные услуги

Обновлено: 26 июля 2026 English Español

Когда мы говорим о почвах, большинство людей прежде всего вспоминает о сельском хозяйстве — о том, что почвы дают нам хлеб, овощи, фрукты. И это действительно так: около 98% продовольствия человечество получает благодаря почвенному плодородию (Вальков и др., 2004). Но сводить значение почв только к производству продуктов питания — значит упускать из виду ту грандиозную роль, которую они играют в поддержании всей жизни на Земле. В этой лекции нам предстоит разобраться, почему почвы так важны для общества в целом, как они связаны с нашим благополучием и почему их защита — это вопрос выживания человечества.

1. Что такое экосистемные услуги

Прежде чем говорить о том, что именно делают для нас почвы, нам нужно ввести ключевое понятие, которое лежит в основе всей нашей лекции — понятие «экосистемные услуги» (ecosystem services).

Вдумайтесь в простой факт: когда вы пьёте чистую воду из-под крана, дышите свежим воздухом или просто наслаждаетесь видом зелёного леса — вы получаете эти блага бесплатно, не задумываясь о том, кто и как их вам предоставил. Экосистемы работают для нас постоянно, без выходных и без оплаты. Именно это и называется экосистемными услугами — теми выгодами, которые люди получают от природы.

В наиболее авторитетном документе по этой теме — «Оценке экосистем на пороге тысячелетия» (Millennium Ecosystem Assessment, 2005) — даётся следующее определение: экосистемные услуги — это те блага, которые люди получают от экосистем. Исследования показывают, что стоимость этих услуг, оказываемых экосистемами Земли, оценивается в десятки триллионов долларов ежегодно — это сопоставимо с совокупным валовым национальным продуктом всех стран мира (Weil and Brady, 2017).

Учёные выделяют четыре основные категории экосистемных услуг (Millennium Ecosystem Assessment, 2005; Weil and Brady, 2017):

1. Обеспечивающие услуги (provisioning) — это то, что мы непосредственно получаем из природы: продукты питания, пресная вода, древесина, лекарственные растения, топливо. Именно эти услуги мы привыкли считать «пользой от природы».

2. Регулирующие услуги (regulating) — это процессы, которые управляют состоянием окружающей среды: очистка воды, регуляция климата, защита от наводнений, разложение отходов, борьба с вредителями. Эти услуги мы часто не замечаем, пока они не нарушаются.

3. Поддерживающие услуги (supporting) — это фундамент для всех остальных услуг: круговорот питательных веществ, почвообразование, фотосинтез, первичная продукция биомассы. Без этих процессов другие услуги просто не могли бы существовать.

4. Культурные услуги (cultural) — это нематериальные блага: духовное обогащение, рекреация, эстетическое наслаждение, образовательная и научная ценность, культурное наследие.

Почвы — один из важнейших компонентов биосферы, который участвует в предоставлении всех четырёх категорий услуг. Многие из этих услуг называют почвенными экосистемными функциями — это конкретные роли, которые почвы выполняют в экосистемах и обществе.

Американский почвовед Рэй Вейл (Ray R. Weil) с соавторами выделяет шесть ключевых экологических ролей, которые выполняют почвы (Weil and Brady, 2017):

1. Среда для роста растений — почвы обеспечивают физическую опору, воду, воздух и питательные элементы для растений.

2. Регуляция водного режима — почвы управляют потоками воды, её очисткой, хранением и распределением.

3. Природная система переработки отходов — почвы разлагают органические остатки, возвращая их элементы в круговорот.

4. Среда обитания для организмов — почвы являются домом для огромного множества живых существ.

5. Регуляция состава атмосферы — почвы обмениваются газами с атмосферой, участвуя в углеродном цикле.

6. Инженерная среда — почвы служат материалом и основанием для строительства.

Обратим внимание: из этих шести ролей только первая напрямую связана с сельским хозяйством. Остальные — это функции, которые почвы выполняют для биосферы в целом. Именно это мы и будем изучать в нашей лекции.

2. Поддерживающие услуги

Поддерживающие услуги — это те экосистемные функции, которые обеспечивают возможность существования всех остальных категорий услуг. В известном смысле их можно назвать «фундаментом» экосистемного благополучия. Для почв такими фундаментальными процессами являются, во‑первых, круговорот элементов (биогеохимические циклы), а во‑вторых — само почвообразование. Без этих процессов на планете не было бы ни плодородных земель, ни чистой воды, ни устойчивого климата.

2.1. Круговорот элементов

Вся жизнь на Земле держится на непрерывном обмене веществами между живыми организмами, атмосферой, водами и литосферой. Почва занимает в этом обмене центральное место: она одновременно является аккумулятором, трансформатором и источником химических элементов для биоты. Эта функция почв была подмечена ещё на заре почвоведения. В. В. Докучаев и его последователи подчёркивали, что почва — это результат взаимодействия живой и неживой природы, и именно в ней смыкаются биологический (малый) и геологический (большой) круговороты (Вальков и др., 2004; Муха и др., 2003).

Геологический и биологический круговороты

В природе принято различать два взаимосвязанных круговорота веществ (Муха и др., 2003).

Геологический (большой) круговорот — это совокупность процессов формирования земной коры, выветривания горных пород, переноса и осаждения минеральных масс. Он действует в масштабах геологического времени (миллионы лет) и приводит к образованию осадочных пород, полезных ископаемых, рельефа.

Биологический (малый) круговорот — это циклическое использование химических элементов живыми организмами. Растения извлекают из почвы и воды минеральные элементы, строят из них свои ткани, а после отмирания возвращают эти элементы в почву, где они вновь становятся доступными для новых поколений растений (Муха и др., 2003). Малый круговорот совершается за годы, десятилетия и столетия.

Почва — это место, где оба круговорота встречаются и взаимодействуют. Именно в почве продукты выветривания горных пород (геологический круговорот) смешиваются с органическим веществом (биологический круговорот), образуя уникальное тело — биокосное по терминологии В. И. Вернадского (Вальков и др., 2004). В почве идёт постоянный обмен элементами между твёрдой, жидкой, газовой и живой фазами.

Особенно ярко это проявляется в углеродном, азотном, фосфорном и серном циклах — тех элементах, которые являются основой жизни.

Углеродный цикл

Углерод — главный элемент органического вещества. Его круговорот в природе в значительной степени определяется деятельностью почв. Растения поглощают углекислый газ из атмосферы, фиксируют углерод в процессе фотосинтеза и строят из него свои ткани. Часть этого углерода возвращается в почву с опадом листьев, отмирающими корнями и корневыми выделениями.

В почве органические остатки подвергаются разложению почвенными микроорганизмами и беспозвоночными. В результате минерализации органического углерода выделяется CO₂ , который поступает обратно в атмосферу (Weil and Brady, 2017; Scheffer et al., 2018). Этот процесс называется «почвенным дыханием» и является важным показателем биологической активности.

Однако не весь углерод, попадающий в почву, быстро минерализуется. Часть его трансформируется в стойкие гумусовые вещества, которые могут сохраняться в почве сотни и тысячи лет. Таким образом, почвы выполняют функцию депо углерода, изымая его из атмосферы на длительное время. Об этом мы ещё подробнее скажем в разделе о регулирующих услугах.

Важно подчеркнуть, что углеродный цикл тесно связан с климатом: рост концентрации CO₂ в атмосфере усиливает парниковый эффект, а способность почв накапливать углерод может служить естественным механизмом его смягчения (Baldock and Broos, 2012).

Азотный цикл

Азот — один из ключевых элементов питания растений. Основная его часть в почвах находится в органической форме — в составе гумуса, белков, аминокислот, нуклеиновых кислот. Лишь малая доля азота присутствует в минеральных формах — нитратах (NO₃^-) и аммонии (NH₄⁺), доступных растениям (Вальков и др., 2004).

Азот поступает в почву несколькими путями:

с атмосферными осадками (связанный азот в виде аммиака и нитратов);
путём биологической фиксации атмосферного азота бактериями-симбионтами (клубеньковые бактерии бобовых) и свободноживущими азотфиксаторами;
с растительными и животными остатками;
с минеральными удобрениями.

Минерализация органического азота происходит в процессе аммонификации (превращение органических соединений в аммиак) и нитрификации (окисление аммония до нитратов). При этом ионы аммония активно поглощаются почвенным поглощающим комплексом, а нитраты легко вымываются из почвы, что делает их доступными для растений, но одновременно создаёт риск загрязнения грунтовых вод (Вальков и др., 2004).

С другой стороны, азот может теряться из почвы в атмосферу в процессе денитрификации — восстановления нитратов до молекулярного азота, что происходит в анаэробных условиях. Почва, таким образом, является не только источником, но и регулятором содержания азота в атмосфере.

Связь между углеродным и азотным циклами проявляется через соотношение C:N в органическом веществе. Чем уже это соотношение (т.е. чем больше азота относительно углерода), тем быстрее идёт минерализация и тем больше азота высвобождается для растений. В среднем для почвенного органического вещества C:N составляет около 10–12:1 (Baldock and Broos, 2012; Weil and Brady, 2017).

Фосфорный цикл

Фосфор — ещё один критический элемент для всех живых организмов, входящий в состав АТФ, нуклеиновых кислот и мембранных фосфолипидов. В отличие от углерода и азота, атмосферная фаза для фосфора отсутствует: его круговорот в основном приурочен к литосфере и биосфере.

Основной источник фосфора в почвах — это минералы апатит и фосфориты, которые содержатся в горных породах. При выветривании они высвобождают фосфор в виде ортофосфатных ионов (H₂PO₄^-, HPO₄^2-). Однако растворимость этих ионов низка, и большая часть фосфора в почве находится в виде труднорастворимых солей — фосфатов кальция в щелочных почвах и фосфатов железа и алюминия в кислых (Вальков и др., 2004).

Фосфор активно поглощается растениями и накапливается в верхних, гумусовых горизонтах почв. В органической форме он представлен фитином, нуклеиновыми кислотами, фосфолипидами. Минерализация органического фосфора идёт с участием ферментов — фосфатаз, выделяемых микроорганизмами и корнями растений (Вальков и др., 2004). Таким образом, круговорот фосфора сильно зависит от биологической активности почв.

Поскольку фосфор практически не переносится с водой в растворимой форме на большие расстояния, его запасы в почве могут быстро истощаться при интенсивном земледелии, если не восполнять их удобрениями. Почвы, таким образом, служат основным резервуаром фосфора для наземных экосистем.

Серный цикл

Сера — ещё один необходимый элемент, входящий в состав аминокислот (цистеин, метионин), витаминов и коферментов. Основные формы серы в почвах — органическая (в составе белков, аминокислот) и минеральная (сульфаты SO₄^2-, сульфиды, элементарная сера). Поступление серы происходит с атмосферными осадками, при выветривании сульфидных минералов, а также при разложении органических остатков (Baldock and Broos, 2012; Weil and Brady, 2017).

Важной особенностью серного цикла является его двойственная природа: в окислительных условиях преобладают сульфаты, легко растворимые и доступные для растений, а в восстановительных (в заболоченных почвах) — сульфиды, которые могут быть токсичными и способствовать образованию сероводорода.

Почвы регулируют не только доступность серы для растений, но и её поступление в атмосферу в виде летучих соединений (сероводород, диметилсульфид), что влияет на кислотность осадков и климатические процессы (Baldock and Broos, 2012).

Интеграция циклов в почвенной системе

Особенность почвы как природного тела состоит в том, что все эти циклы протекают одновременно и взаимосвязанно в одном и том же пространстве — в порах, на поверхности коллоидных частиц, в биоплёнках (Weil and Brady, 2017). Например, разложение органического вещества (углеродный цикл) одновременно высвобождает азот, фосфор и серу в доступные растениям формы. Микроорганизмы, участвующие в минерализации, используют углерод как источник энергии, а для построения своего тела им нужны азот, фосфор и сера. Таким образом, соотношение этих элементов в субстрате определяет интенсивность и направленность процессов.

Именно в почве поддерживается динамическое равновесие между закреплением элементов в органическом веществе и их высвобождением в минеральные формы. Благодаря этому растения получают питание не эпизодически, а непрерывно, в ритме, соответствующем их физиологическим потребностям. Эта способность почв к саморегуляции круговорота элементов является одной из важнейших поддерживающих экосистемных услуг.

2.2. Почвообразование

Второй фундаментальной поддерживающей услугой является непрерывное создание и обновление самой почвы. Почвообразование — это процесс, который идёт постоянно, но настолько медленно, что его результаты замечаешь только на шкале столетий и тысячелетий. Именно эта медлительность делает почву практически невозобновимым ресурсом в масштабах человеческой жизни.

Факторы почвообразования

Основа современного представления о почвообразовании была заложена В. В. Докучаевым и развита Г. Дженни (Jenny, 1941). Согласно их концепции, почва является функцией пяти факторов:

1. Материнская горная порода — тот субстрат, из которого почва формируется. Это может быть рыхлый осадок (аллювий, лёсс, морена) или кора выветривания плотных пород. От состава породы зависят минералогический и гранулометрический состав будущей почвы, её химические свойства.

2. Климат — определяет водный и температурный режимы, которые, в свою очередь, влияют на скорость химических реакций, биологическую активность и направленность почвенных процессов. Так, в гумидных условиях преобладает выщелачивание и оподзоливание, а в аридных — карбонатонакопление и засоление (Scheffer et al., 2018).

3. Организмы (растительность, животные, микроорганизмы) — главный биотический фактор. Растения поставляют органическое вещество, корневые системы разрыхляют и химически преобразуют породу; микроорганизмы и почвенные животные участвуют в переработке органики, создании гумуса и структуры (Weil and Brady, 2017).

4. Рельеф — перераспределяет влагу и тепло в ландшафте. На склонах вода стекает, вызывая эрозию и ослабляя выщелачивание; в понижениях она застаивается, создавая гидроморфные условия (Scheffer et al., 2018).

5. Время — длительность воздействия остальных факторов. Почвообразование — процесс очень медленный; чтобы сформировался дифференцированный профиль, требуются тысячи и десятки тысяч лет.

В современной интерпретации, особенно в связи с концепцией Антропоцена, к этим факторам добавляется человек, который всё более заметно меняет почвы через земледелие, мелиорацию, загрязнение, урбанизацию (Richter and Tugel, 2012). Таким образом, формула почвообразования приобретает вид (Scheffer et al., 2018; Richter and Tugel, 2012):

\text{Почва} = f(\text{порода}, \text{климат}, \text{рельеф}, \text{организмы}, \text{человек}, \text{время})

Элементарные почвенные процессы

Взаимодействие этих факторов запускает целый ряд элементарных почвенных процессов, которые можно сгруппировать в четыре категории (по Simonson, 1959, цит. по Richter and Tugel, 2012):

Добавление — поступление в почву органического материала (опад, корневые выделения), минеральных частиц (пыль, наносы), растворов;
Потери — удаление веществ из почвы с эрозией, выщелачиванием, минерализацией и выделением газов;
Превращение (трансформация) — химические и биологические изменения вещества внутри почвы: разрушение минералов, синтез вторичных минералов, гумификация, окисление-восстановление;
Перемещение (транслокация) — перенос веществ внутри почвенного профиля с водой (вымывание, иллювиирование), биотурбация, криотурбация, перемешивание.

Эти процессы протекают одновременно и с разной интенсивностью в разных горизонтах. Их результатом является формирование почвенного профиля — последовательности генетических горизонтов, отличающихся по цвету, структуре, химическому составу и другим признакам (Вальков и др., 2004; Муха и др., 2003).

Органическое вещество и гумификация

Особое место в почвообразовании занимает превращение растительных и животных остатков в гумус. Гумификация — это сложнейший биохимический процесс, в результате которого образуются специфические органические соединения, присущие только почвам: гуминовые кислоты, фульвокислоты и гумины (Вальков и др., 2004). Гумус придаёт почве характерную тёмную окраску, определяет её поглотительную способность, влагоёмкость и структурное состояние.

Современные теории гумификации (М. М. Кононова, Л. Н. Александрова, Д. С. Орлова) выделяют несколько стадий этого процесса (Вальков и др., 2004):

1. Разложение первичных органических соединений (целлюлозы, лигнина, белков) под действием ферментов микроорганизмов;

2. Окислительное преобразование продуктов разложения с образованием активных ароматических структур;

3. Конденсация этих структур с аминокислотами и другими азотсодержащими компонентами в высокомолекулярные гумусовые кислоты;

4. Постепенная минерализация части гумусовых веществ и одновременное обновление их за счёт новых поступлений.

Гумусовые вещества играют центральную роль во всех других поддерживающих и регулирующих функциях почв: они улучшают структуру, увеличивают водоудерживающую способность, обеспечивают ёмкость катионного обмена, служат источником медленно высвобождающихся питательных веществ и депонируют углерод (Baldock and Broos, 2012; Weil and Brady, 2017).

Почвообразование как экосистемная услуга

С точки зрения экосистемных услуг, почвообразование — это процесс создания и поддержания среды обитания для всех наземных организмов. Без него не было бы плодородных почв, а значит, и устойчивого существования растительности, и всей пищевой цепи, включая человека.

Однако почвообразование крайне медленно. По разным оценкам, для образования 1 см гумусового горизонта в умеренном климате требуется от 100 до 400 лет (Scheffer et al., 2018). Это означает, что потери почв из-за эрозии или нерационального использования не могут быть компенсированы естественным путём в обозримом будущем. Почва, таким образом, относится к невозобновимым ресурсам в масштабах человеческой жизни.

Именно поэтому поддержание естественного течения почвообразовательного процесса — важнейшая задача устойчивого землепользования. В сельском хозяйстве человек может ускорять некоторые стадии почвообразования (например, через внесение органики), но не может заменить весь комплекс процессов, идущих в естественной почве. Понимание этого ограничения лежит в основе современных подходов к здоровью почвы и её охране.

Антропогенное влияние на почвообразование

В последние столетия человек стал мощным фактором почвообразования. Распашка, внесение удобрений и мелиорантов, мелиорация, урбанизация, загрязнение — всё это меняет скорость и направленность почвообразовательных процессов (Richter and Tugel, 2012). В результате образуются антропогенно-преобразованные почвы (агроземы, урбанизированные почвы, рекультивированные почвы), которые имеют свои специфические горизонты и свойства (Муха и др., 2003).

С одной стороны, сельскохозяйственное использование может улучшать некоторые свойства почв (например, повышать содержание гумуса при правильной агротехнике). С другой стороны, оно часто ведёт к деградации: потере органического вещества, уплотнению, засолению, эрозии. В глобальном масштабе антропогенная деградация почв сегодня превосходит естественное почвообразование, что создаёт угрозу для продовольственной безопасности и устойчивости экосистем (Richter and Tugel, 2012; Weil and Brady, 2017).

Таким образом, поддерживающая услуга почвообразования сегодня требует сознательного управления: необходимо не только использовать плодородие, но и поддерживать процессы его восстановления, иначе мы рискуем утратить это бесценное природное достояние навсегда.

В следующем разделе мы перейдём к регулирующим услугам — тому, как почвы управляют потоками воды, углерода, загрязнителей и тем самым поддерживают качество окружающей среды, от которого напрямую зависит здоровье людей и экосистем.

3. Регулирующие услуги

Регулирующие услуги — это те процессы, которые почвы выполняют для управления потоками вещества и энергии в окружающей среде. В отличие от поддерживающих услуг (которые создают фундамент для жизни) или обеспечивающих (которые дают нам конкретные продукты), регулирующие услуги — это естественная работа почв по поддержанию гомеостаза экосистем и качества среды обитания. Мы часто не замечаем их, пока они не нарушаются. Но именно эти функции делают возможным существование человеческих поселений, чистой воды и стабильного климата.

Мы рассмотрим четыре главные регулирующие услуги, которые выполняют почвы: фильтрацию и очистку воды, химическую и биологическую буферность, депонирование углерода и регулирование гидрологического режима.

3.1. Фильтрация и очистка воды

Это, возможно, самая интуитивно понятная регулирующая функция почв. Каждый раз, когда идёт дождь, тает снег или мы поливаем огороды, вода просачивается через почву. И в этом процессе она подвергается глубокой очистке. Почва — это естественный, самообновляющийся фильтр, который работает без нашего участия уже миллионы лет.

Механизмы фильтрации

Очистка воды в почве осуществляется через совокупность физических, химических и биологических механизмов (Вальков и др., 2004; Weil and Brady, 2017):

1. Механическая фильтрация. Почва действует как «сито»: крупные поры задерживают взвешенные частицы, песчинки, органические остатки, а мелкие поры — более тонкие коллоидные частицы. Этот процесс называется механической поглотительной способностью. Особенно ярко он проявляется в поймах рек во время паводков, когда вода, заливая пойму, оставляет на поверхности почвы тонкий слой наилка (Вальков и др., 2004).

2. Физическая адсорбция. Почвенные коллоиды (глинистые минералы и гумус) имеют огромную удельную поверхность. На поверхности этих коллоидов могут задерживаться не только ионы, но и целые молекулы, в том числе органические загрязнители. Поверхностно-активные вещества концентрируются на границе раздела фаз, удаляясь из раствора (Вальков и др., 2004).

3. Химическое осаждение. В почвенном растворе могут происходить химические реакции, приводящие к образованию труднорастворимых соединений, которые выпадают в осадок. Например, фосфаты связываются с ионами кальция, железа или алюминия; тяжелые металлы образуют нерастворимые гидроксиды или карбонаты (Вальков и др., 2004).

4. Ионный обмен. Почвенный поглощающий комплекс способен обменно удерживать катионы из раствора, заменяя их на другие. Так, при просачивании воды через почву из неё удаляются избыточные катионы (например, тяжелые металлы), а в раствор переходят катионы, находящиеся в обменном состоянии (кальций, магний, калий). Это регулирует солевой состав воды (Вальков и др., 2004).

5. Биологическая очистка. Почвенные микроорганизмы и корни растений активно поглощают и трансформируют различные органические и неорганические вещества. Бактерии и грибы разрушают сложные органические молекулы (пестициды, нефтепродукты, фенолы) до простых нетоксичных соединений. Этот процесс называется биологической поглотительной способностью и характеризуется большой избирательностью — разные виды микроорганизмов специализируются на разных загрязнителях (Вальков и др., 2004; Weil and Brady, 2017).

Значение для качества водных ресурсов

Благодаря этим механизмам вода, прошедшая через толщу почвы, становится значительно чище. Именно этот процесс обеспечивает возможность использования подземных вод в качестве источника питьевой воды (Weil and Brady, 2017). Ещё древние заметили, что вода, просочившись через землю, становится пресной: римский поэт Лукреций Кар писал, что морская вода, проходя сквозь «толщу земли», оставляет в ней «горькие части», становясь сладкой (Вальков и др., 2004).

Особенно важна фильтрующая функция почв в системах очистки сточных вод. Искусственные поля фильтрации, используемые в малых населённых пунктах, — это по сути почвенные системы, через которые пропускают сточные воды. В почве происходит их биологическая очистка за счёт работы микроорганизмов и физико-химических процессов (Вальков и др., 2004).

Однако фильтрационная способность почв не безгранична. При превышении допустимых нагрузок (например, при слишком интенсивном внесении удобрений или загрязнителей) почва перестаёт справляться, и загрязнения проникают в грунтовые воды. Именно поэтому охрана почв от загрязнения — это одновременно и охрана водных ресурсов.

Фильтрация и эрозия

Эрозия — это разрушение почвенного покрова под действием воды или ветра. Когда почва разрушена, её фильтрационная способность резко снижается. Вода не успевает просачиваться вглубь, а стекает поверхностно, захватывая частицы почвы. Так возникает порочный круг: эрозия ухудшает фильтрацию, а ухудшение фильтрации усиливает эрозию.

Поэтому защита почв от эрозии — это одновременно и защита водных ресурсов от загрязнения взвесями и химическими веществами (Richter and Tugel, 2012; Weil and Brady, 2017).

3.2. Химическая и биологическая буферность

Буферность — это способность системы противостоять изменениям своих свойств при внешних воздействиях. Почвы обладают уникальной буферной способностью, которая проявляется на нескольких уровнях.

Химическая буферность (по отношению к pH)

В почве находится множество веществ, способных связывать или нейтрализовать ионы водорода (кислоты) и гидроксида (щёлочи). Это проявляется в способности почвы удерживать pH в относительно стабильных пределах, несмотря на поступление кислотных осадков, удобрений или других веществ (Вальков и др., 2004; Weil and Brady, 2017).

Основные компоненты, обеспечивающие буферность по pH:

Карбонаты кальция и магния (CaCO₃, MgCO₃) — сильные буферы, действующие в щелочной и нейтральной областях. Они нейтрализуют кислоты с выделением CO₂:

$$CaCO_3 + 2H^+ \rightarrow Ca^{2+} + H_2O + CO_2$$

Благодаря этому почвы, богатые карбонатами, устойчивы к закислению (Вальков и др., 2004).

Гумусовые вещества — содержат карбоксильные (-COOH) и фенольные (-OH) группы, которые могут диссоциировать с выделением H⁺ (в кислых средах) или связывать H⁺ (в щелочных). Емкость катионного обмена гумуса составляет 400–800 мг-экв/100 г (Вальков и др., 2004), что делает его мощным буфером.

Глинистые минералы — особенно слоистые силикаты (монтмориллонит, вермикулит), которые способны к обмену катионов и могут связывать как H⁺, так и основные катионы, регулируя pH раствора.

Буферная ёмкость почв зависит от их состава. Почвы с высоким содержанием гумуса и глинистых минералов (чернозёмы, дерновые) обладают высокой буферностью, тогда как песчаные почвы с низким содержанием органики — низкой.

Буферность по отношению к загрязнителям

Почвы способны связывать и инактивировать многие токсичные вещества:

Тяжёлые металлы (свинец, кадмий, медь, цинк) могут прочно связываться с органическими и глинистыми коллоидами, переходя в малодоступную форму. Это предотвращает их поступление в растения и грунтовые воды (Вальков и др., 2004).

Органические загрязнители (пестициды, нефтепродукты, фенолы) адсорбируются на органическом веществе и могут разлагаться микроорганизмами. Однако этот процесс может идти медленно, и часть загрязнений остаётся в почве на долгое время (Richter and Tugel, 2012).

Биологическая буферность

Почвенное сообщество организмов способно адаптироваться к изменяющимся условиям. При умеренном загрязнении или изменении кислотности некоторые виды микроорганизмов гибнут, но другие, более устойчивые, занимают их место, продолжая выполнять функции разложения и трансформации веществ. Это делает почвенную экосистему более устойчивой к стрессам, чем многие другие экосистемы (Weil and Brady, 2017).

Однако у биологической буферности есть свои пределы. При сильном или длительном воздействии структура микробного сообщества может разрушиться, и почва потеряет свои функции самоочищения. Это один из признаков деградации почв.

3.3. Депонирование (хранение) углерода

Эта услуга, как мы уже кратко упоминали, сегодня приобрела особую актуальность в связи с проблемой глобального изменения климата. Почвы — это крупнейший резервуар органического углерода на суше, и изменение его запасов может существенно влиять на концентрацию CO₂ в атмосфере (Baldock and Broos, 2012).

Масштабы хранения углерода в почвах

По оценкам, в почвах мира содержится от 1200 до 1550 Пг углерода в верхнем метровом слое и от 2300 до 2450 Пг в слое до 2–3 м (Baldock and Broos, 2012). Эти цифры впечатляют: в почвах углерода в 2–3 раза больше, чем в атмосфере (около 760 Пг), и в 4–5 раз больше, чем в растительной биомассе (около 560 Пг).

Углерод поступает в почву в основном с растительными остатками: опавшей листвой, отмершими корнями, корневыми выделениями. В процессе разложения микроорганизмами большая часть этого углерода возвращается в атмосферу как CO₂ («почвенное дыхание»). Но некоторое количество органического углерода оказывается «законсервированным» в почве на длительное время — это так называемый стабильный органический углерод (Baldock and Broos, 2012).

Формы и стабильность почвенного углерода

Органический углерод в почвах можно разделить на несколько пулов по времени оборота (Baldock and Broos, 2012; Weil and Brady, 2017):

Лабильный углерод (быстрооборотный) — простые сахара, органические кислоты, свежие растительные остатки. Период полураспада — от дней до нескольких лет. Этот пул наиболее активен в питании микроорганизмов и определяет текущую биологическую активность почвы.

Умеренно стабильный углерод — продукты частичного разложения, гумусовые вещества средней степени конденсации. Время оборота — десятки лет. Этот пул важен для поддержания структуры почвы и водно-физических свойств.

Стабильный (резистентный) углерод — высококонденсированные гумусовые вещества, а также чёрный углерод (древесный уголь, сажа, графит). Время оборота — сотни и тысячи лет. Особенно устойчив к разложению чёрный углерод, который образуется при пожарах и в некоторых почвах может составлять до 60% органического углерода (Baldock and Broos, 2012).

Механизмы стабилизации углерода в почвах

Почему же часть органического углерода не разлагается микроорганизмами, а сохраняется в почве веками? Учёные выделяют три основных механизма стабилизации (Baldock and Broos, 2012; Weil and Brady, 2017):

1. Химическая рекальцитрантность — некоторые органические структуры (лигнин, воски, смолы, чёрный углерод) очень устойчивы к ферментативному разложению из-за сложности своих связей. Однако этот механизм часто переоценивают: многие «рекальцитрантные» вещества всё же разлагаются микроорганизмами при наличии времени и подходящих условий.

2. Физическая защита — органическое вещество может быть «спрятано» внутри агрегатов (микро- и макроагрегатов), в мелких порах, куда не проникают микроорганизмы или их ферменты. Согласно иерархической модели структуры почвы (Tisdall and Oades, 1982), мелкие агрегаты (< 20 мкм) формируются из органических и неорганических коллоидов, и органическое вещество внутри них практически недоступно для разложения (Ghezzehei, 2012).

3. Химическая связь с минералами — органические вещества могут адсорбироваться на поверхности глинистых частиц, оксидов железа и алюминия, образуя прочные органоминеральные комплексы. Эти комплексы защищают органику от действия ферментов. Особенно сильно эта стабилизация выражена в почвах с высоким содержанием аморфных оксидов Al и Fe (например, в андисолях), где органический углерод может сохраняться очень долго (Baldock and Broos, 2012).

Значение для климатической регуляции

Управление запасами углерода в почвах является одним из ключевых направлений в борьбе с изменением климата. Если увеличить содержание органического углерода в почвах на 0,4% ежегодно, это может компенсировать значительную часть антропогенных выбросов CO₂ (инициатива «4 на 1000»). Однако важно помнить, что возможности почв по накоплению углерода ограничены: для каждого типа почвы существует предел насыщения углеродом, определяемый её физическими и химическими свойствами (Baldock and Broos, 2012).

Таким образом, депонирование углерода — это не бесконечный ресурс, но очень важный регулирующий механизм. Правильное землепользование (минимизация вспашки, внесение органических удобрений, сохранение растительного покрова) может существенно увеличить содержание углерода в почвах и тем самым смягчить климатические изменения.

3.4. Регулирование гидрологического режима

Эта услуга проявляется в способности почв управлять потоками воды в ландшафтах — от момента выпадения осадков до их поступления в реки и грунтовые воды. Почвы определяют, какая доля воды просочится в глубь, какая будет запасена, какая испарится, а какая станет поверхностным стоком. От этого зависят и обеспеченность растений влагой, и опасность наводнений, и пополнение подземных вод.

Инфильтрация и фильтрация

Инфильтрация — это процесс проникновения воды в почву с поверхности. Она определяется водопроницаемостью почвы — её способностью пропускать воду через систему пор (Вальков и др., 2004). Водопроницаемость зависит от:

Гранулометрического состава: песчаные почвы имеют высокую водопроницаемость (до 1000 мм/ч и выше), глинистые — низкую (менее 30 мм/ч). Промежуточное положение занимают суглинистые почвы (Вальков и др., 2004).
Структурного состояния: хорошо оструктуренные почвы (зернистые, комковатые) имеют систему крупных пор, по которым вода быстро уходит вглубь; бесструктурные же почвы (глыбистые, слитные) пропускают воду плохо и часто покрываются поверхностной коркой, препятствующей инфильтрации (Ghezzehei, 2012; Weil and Brady, 2017).
Влажности: влажная почва пропускает воду медленнее, чем сухая, так как часть пор уже занята водой.

Высокая водопроницаемость — это благо для экосистем: вода быстро просачивается, пополняя запасы грунтовых вод и предотвращая поверхностный сток. Однако если почва слишком песчаная, вода может уходить слишком глубоко и быть недоступной для растений.

Фильтрация — это движение воды внутри почвенного профиля после завершения впитывания, когда все поры заполнены водой. Фильтрация определяет, сколько воды достигнет нижних горизонтов и, в конечном счёте, грунтовых вод (Вальков и др., 2004). В естественных условиях значительная часть осадков фильтруется через почву, обеспечивая подпитку водных горизонтов.

Влагоёмкость — удержание воды в почве

Почва способна удерживать определённое количество воды, которое затем может быть использовано растениями. Эта способность называется влагоёмкостью и количественно выражается через несколько гидрологических констант (Вальков и др., 2004):

Полная влагоёмкость (ПВ) — максимальное количество воды, которое может удерживать почва при полном заполнении всех пор. Это состояние соответствует полному насыщению, когда вода начинает вытекать под действием гравитации.

Наименьшая (полевая) влагоёмкость (НВ) — количество воды, остающееся в почве после того, как гравитационная вода стекла. Это та влага, которая наиболее доступна растениям. Полевая влагоёмкость варьирует от 5–10% у песков до 55% у тяжёлых глин (Вальков и др., 2004).

Влажность завядания (ВЗ) — минимальное содержание влаги, при котором растения ещё не увядают. Эта вода удерживается в почве с такой силой, что корневая система не может её извлечь. Влажность завядания зависит от содержания коллоидов: чем их больше, тем выше влажность завядания (от 2–3% у песков до 15–20% у глин) (Вальков и др., 2004).

Запас продуктивной влаги — это вода, находящаяся в диапазоне между НВ и ВЗ. Именно этот запас доступен растениям и определяет их устойчивость к засухе (Вальков и др., 2004).

Интересно, что органическое вещество в почве способствует увеличению влагоёмкости. Гумус — гидрофильный коллоид, способный поглощать воду в количествах, в 15–20 раз превышающих его собственную массу (Weil and Brady, 2017). Поэтому богатые гумусом почвы (чернозёмы, дерновые) лучше удерживают влагу и легче переносят засушливые периоды.

Защита от засух и наводнений

Регулирующая функция почв в гидрологическом режиме проявляется на уровне целых ландшафтов:

Защита от наводнений. Почвы с высокой инфильтрационной способностью быстро впитывают дождевую и талую воду, замедляя сток и уменьшая пики паводков. Именно леса и дерновые угодья выполняют эту роль: их почвы хорошо структурированы и пронизаны корнями, что способствует быстрому просачиванию воды вглубь. Напротив, нарушенные почвы (пашня с глубокой вспашкой, уплотнённые городские почвы) теряют эту способность, и вода стекает поверхностно, вызывая паводки (Ghezzehei, 2012).

Защита от засух. Почвы с высокой влагоёмкостью накапливают влагу в периоды избытка и отдают её растениям в периоды дефицита. Глубокие, гумусированные почвы могут содержать запасы воды, достаточные для поддержания растительности в течение нескольких месяцев без дождей. Это особенно важно для лесов, многолетних пастбищ и засушливых регионов (Weil and Brady, 2017).

Капиллярный подъём и перераспределение влаги

Ещё один важный аспект — это способность воды подниматься вверх по капиллярам от уровня грунтовых вод. Высота капиллярного подъёма в глинистых почвах может достигать 2–6 метров, а в песчаных — всего 40–60 см (Вальков и др., 2004). Капиллярно-подпёртая вода образует капиллярную кайму над водоносным горизонтом и служит источником влаги для растений в сухой период. Однако в аридных условиях капиллярный подъём может приводить к накоплению солей в верхних горизонтах, если уровень грунтовых вод близок к поверхности и вода интенсивно испаряется.

3.5. Взаимосвязь регулирующих функций

Все описанные регулирующие услуги тесно взаимосвязаны. Фильтрация воды улучшает качество подземных вод и одновременно способствует выщелачиванию солей из корнеобитаемого слоя. Накопление органического вещества повышает влагоёмкость и структурированность почвы, что, в свою очередь, усиливает инфильтрацию и снижает эрозию. А хорошо структурированная почва с высоким содержанием гумуса лучше буферирует pH и связывает загрязнители.

Таким образом, регулирующие услуги почв неразрывно связаны и подкрепляют друг друга. Сохранение и улучшение одной из них обычно положительно сказывается и на других. И наоборот, деградация почвы (например, потеря гумуса) одновременно ослабляет фильтрацию, снижает буферность, уменьшает способность к депонированию углерода и нарушает гидрологический режим. Это означает, что устойчивое управление почвами должно быть комплексным, направленным на сохранение всего набора их функций, а не отдельных свойств.

В следующем разделе мы перейдём к обеспечивающим услугам — тем, которые непосредственно дают нам продовольствие, корма и сырьё. Но важно помнить, что эти обеспечивающие услуги возможны только благодаря поддерживающим и регулирующим функциям, которые мы сейчас разобрали. Без них плодородие было бы недолговечным, а земледелие — неустойчивым.

4. Обеспечивающие услуги

Обеспечивающие (или снабжающие, provisioning) экосистемные услуги — это те материальные блага, которые мы непосредственно извлекаем из природы. В случае почв такие услуги наиболее очевидны и, возможно, наиболее привычны для восприятия. Однако и здесь за кажущейся простотой скрывается глубокая сложность, и задача лекции — показать, как именно почвы обеспечивают эти блага и почему их качество зависит от состояния всех остальных экосистемных функций.

4.1. Основа производства продовольствия

Главная обеспечивающая услуга почв — это создание условий для выращивания растений, которые служат источником пищи для человека и животных. Около 98% продовольствия человечество получает благодаря почвенному плодородию (Вальков и др., 2004; Weil and Brady, 2017). Это означает, что практически вся наша еда — от хлеба до мяса, от овощей до молочных продуктов — имеет своим первоисточником почву. Животноводческая продукция также зависит от почвы, поскольку корма для скота — это растения, выращенные на почвах (Scheffer et al., 2018).

Что именно почва предоставляет для производства продовольствия?

Физическая среда для корней

Для растений почва — это не просто источник питания, но и опора. Корневые системы закрепляются в почве, что позволяет растениям удерживать вертикальное положение, противостоять ветрам и осадкам. Кроме того, почва обеспечивает корням доступ к воде и воздуху, так как корни дышат, поглощая кислород из почвенных пор (Weil and Brady, 2017).

Почвенная структура, о которой мы говорили в разделе о поддерживающих услугах, играет здесь определяющую роль. Рыхлая, оструктуренная почва позволяет корням свободно проникать вглубь, осваивая большие объёмы для добычи воды и питательных элементов. Напротив, уплотнённые почвы с плотностью более 1,4–1,6 г/см³ становятся непреодолимым препятствием для корней большинства культурных растений (Вальков и др., 2004; Ghezzehei, 2012).

Водоснабжение растений

Почва — это резервуар, из которого растения черпают воду на протяжении всего вегетационного периода. Идеальное состояние для большинства культур — когда почвенные поры заполнены примерно поровну водой и воздухом (около 25% каждого от объёма), что соответствует влажности около 60% от полевой влагоёмкости (Weil and Brady, 2017; Вальков и др., 2004).

Важно понимать, что не вся вода, содержащаяся в почве, доступна растениям. Как уже упоминалось, различают:

Гравитационную воду — быстро стекает вниз и редко используется растениями;
Капиллярную воду — удерживается в капиллярах и является основной доступной формой влаги;
Плёночную (рыхлосвязанную) воду — доступна, но её передвижение очень медленное;
Гигроскопическую (прочносвязанную) воду — недоступна для растений, так как удерживается молекулярными силами на поверхности коллоидных частиц (Вальков и др., 2004).

Влажность завядания (ВЗ) — это та критическая точка, ниже которой растения уже не могут извлечь воду из почвы и начинают увядать. У разных культур и на разных почвах она варьирует (табл. 1 в Вальков и др., 2004). Чем больше в почве коллоидов (глины, гумуса), тем выше влажность завядания, но одновременно и выше полевая влагоёмкость, т.е. общий запас доступной влаги больше.

Питательные элементы

Почва — основной источник 14 из 17 элементов, необходимых для роста растений (Weil and Brady, 2017). Это макроэлементы (азот, фосфор, калий, кальций, магний, сера) и микроэлементы (железо, марганец, цинк, медь, молибден, бор, хлор, кобальт, никель).

По Валькову и др. (2004), распределение элементов по формам в почве напоминает финансовые активы человека (аналогия из Weil and Brady, 2017): большая часть элементов «заперта» в структурном каркасе минералов и органического вещества (это «долгосрочные вложения»), меньшая — в обменной форме на коллоидных частицах («краткосрочные вложения»), и лишь ничтожная доля находится непосредственно в почвенном растворе («наличные деньги»). Задача почвенной системы — постоянно восполнять пул «наличных» (доступных для корней) элементов за счёт «краткосрочных» и «долгосрочных» резервов.

Именно в этом и состоит плодородие почвы — способность непрерывно снабжать растения элементами питания в нужных количествах и пропорциях (Вальков и др., 2004; Муха и др., 2003). Плодородие — главное, что отличает почву от бесплодной горной породы. Оно не является постоянным свойством; оно динамично и зависит от баланса процессов минерализации (высвобождение элементов из органики) и иммобилизации (закрепление элементов в биомассе микроорганизмов и гумусе).

Связь плодородия с другими почвенными функциями

Обеспечивающая услуга производства продовольствия немыслима без поддерживающих и регулирующих услуг. Без круговорота элементов не было бы питательных веществ; без буферности — pH быстро вышел бы за пределы, допустимые для культур; без способности удерживать влагу — растения гибли бы в первый же засушливый период; без фильтрации — корни страдали бы от токсикантов. Таким образом, плодородие — это интегрированный результат работы всей почвенной системы.

4.2. Производство биомассы для непищевых целей

Почвы — источник не только продуктов питания, но и огромного количества биомассы для других нужд человечества (Weil and Brady, 2017; Scheffer et al., 2018).

Волокна

Хлопок, лён, пенька, джут — все эти волокнистые культуры получают из растений, выращенных на почвах. Помимо продовольственных культур, почвы используются для производства тканей (хлопок — одна из основных культур в мире по площади посевов), верёвок, мешковины, технических тканей. Качество волокна определяется не только сортом растения, но и свойствами почвы: достаток влаги, доступность калия и азота напрямую влияют на длину и прочность волокна (Weil and Brady, 2017).

Древесина

Леса — это почвенные экосистемы. Древесина остаётся одним из основных строительных материалов, источников целлюлозы, бумаги, топлива. Рост леса в значительной мере определяется качеством лесных почв (их водным режимом, доступностью питательных элементов, кислотностью). Более того, леса сами являются регуляторами почвенных процессов (Weil and Brady, 2017).

Биотопливо и биопластики

С развитием технологий и истощением запасов ископаемого топлива почвы становятся источником сырья для производства биотоплива (этанол из кукурузы и сахарного тростника, биодизель из сои и рапса, биогаз из отходов растениеводства) и биоразлагаемых пластиков (из крахмала кукурузы, полимеров растительного происхождения) (Weil and Brady, 2017). Эти продукты могут заменить невозобновляемые ресурсы, но при этом возникает серьёзная дилемма: использовать почвы для производства продовольствия или для технических культур. Это экологический и этический вызов, который уже стоит перед мировым сообществом.

Лекарственные ресурсы

Многие лекарственные препараты имеют почвенное происхождение. Помимо прямого использования лекарственных растений, большинство антибиотиков (пенициллин, тетрациклин, стрептомицин, эритромицин и многие другие) производятся почвенными микроорганизмами — бактериями рода Streptomyces, актиномицетами, грибами (Weil and Brady, 2017). Эти микроорганизмы производят антибиотики как средство защиты от конкурентов в естественной среде, а человек использует их для лечения инфекций.

Почвы остаются важнейшим источником для поиска новых биоактивных соединений. С каждым годом в почвах открывают новые виды микроорганизмов, продуцирующих ранее неизвестные антибиотики, противоопухолевые вещества и иммуномодуляторы (Weil and Brady, 2017; Вальков и др., 2004). Биоразнообразие почв — это, по сути, генетический резерв для фармакологии будущего.

4.3. Обеспечивающие услуги и здоровье человека

Обеспечивающая функция почв непосредственно влияет на здоровье человека не только через количество и качество продуктов питания, но и через содержание микроэлементов в пище (White, 2006; Weil and Brady, 2017).

Дефицит цинка в почвах — широко распространённое явление (около половины сельскохозяйственных почв мира испытывают недостаток цинка). Это приводит к дефициту цинка в растениях и, следовательно, в пище человека, вызывая нарушения иммунитета, задержку роста, проблемы с кожей и волосами (Weil and Brady, 2017).

Недостаток селена в почвах — ведёт к болезням типа Кешана (поражение сердечной мышцы), особенно в некоторых регионах Китая, где почвы крайне бедны селеном (Weil and Brady, 2017).

Недостаток йода в почвах — вызывает эндемический зоб у людей и животных. Йод в растения поступает из почв, и в регионах с низким содержанием йода в почвах люди исторически страдают от йододефицита (Weil and Brady, 2017).

Таким образом, почвы — это не только «фабрика» продовольствия, но и регулятор качества пищевых продуктов, а значит, и здоровья нации. Агрохимические методы (внесение микроэлементов, обогащение удобрений) могут корректировать эти недостатки, но лучший путь — это сохранение и улучшение природного плодородия через органическое вещество, которое связывает и удерживает микроэлементы в доступной для растений форме (Weil and Brady, 2017).

4.4. Почва как средство производства

В сельскохозяйственном контексте почва — это главное средство производства (Муха и др., 2003). Она одновременно является и предметом труда (на неё воздействуют, её обрабатывают, удобряют), и орудием труда (её используют как среду для выращивания растений). В отличие от станка или трактора, почва не изнашивается при правильном использовании, а, наоборот, может улучшать свои свойства. Однако при неправильной эксплуатации она деградирует, и восстановление её требует огромных затрат и времени.

Почва является незаменимым и невосполнимым ресурсом (Scheffer et al., 2018; Вальков и др., 2004):

Незаменимость означает, что никакой другой субстрат не может в масштабах планеты заменить почву для производства продовольствия. Гидропоника и агропонные технологии могут использоваться локально, но для глобального обеспечения пищей 9 миллиардов человек они нереалистичны.
Невосполнимость означает, что темпы естественного почвообразования (1 см за 100–400 лет) несопоставимы с темпами потерь почв из-за эрозии, деградации, урбанизации (Scheffer et al., 2018). По оценкам ФАО, за последние 50 лет примерно треть сельскохозяйственных почв мира утрачена из-за эрозии и деградации, и эта тенденция продолжается (Weil and Brady, 2017).

4.5. Устойчивость обеспечивающих услуг

Обеспечивающие услуги — самые очевидные, но одновременно и самые уязвимые. Их интенсивное использование может приводить к истощению почв, если не поддерживать другие функции (круговорот элементов, накопление органического вещества, поддержание структуры). Именно поэтому концепция устойчивого земледелия предполагает, что урожай должен сниматься в тех пределах, в которых почва способна восстанавливать плодородие (White, 2006; Richter and Tugel, 2012).

Ключевые угрозы для обеспечивающих услуг:

Эрозия — уносит верхний, самый плодородный слой почвы, на восстановление которого уходят столетия (Weil and Brady, 2017; Scheffer et al., 2018).
Потеря органического вещества — из-за интенсивной обработки, монокультур, отсутствия возврата органики (Baldock and Broos, 2012).
Засоление — при орошении в аридных условиях (Вальков и др., 2004; Weil and Brady, 2017).
Загрязнение тяжёлыми металлами и пестицидами — ухудшает качество продукции и снижает биологическую активность (Вальков и др., 2004).
Уплотнение — под действием тяжёлой техники, что ограничивает проникновение корней и воды (Ghezzehei, 2012).

Таким образом, обеспечивающие услуги не являются автономным благом; они держатся на поддерживающих и регулирующих функциях. Их сохранение требует комплексного подхода к управлению почвами, который учитывает все стороны экосистемных услуг. Именно этому посвящена современная концепция здоровья почвы, к которой мы перейдём в следующих лекциях модуля.

5. Культурные услуги

Мы переходим к последней, но отнюдь не второстепенной категории экосистемных услуг почв — культурным услугам. В отличие от обеспечивающих (пища, биомасса) и регулирующих (очистка воды, депонирование углерода), культурные услуги представляют собой нематериальные блага, которые почвы предоставляют человеку. Они касаются нашего восприятия, наших ценностей, нашей истории и нашей связи с природой. Зачастую именно эти услуги формируют у человека чувство принадлежности к месту, чувство родины, и именно они делают почву не просто природным ресурсом, но частью культурного ландшафта.

5.1. Определение культурных услуг

Согласно Оценке экосистем на пороге тысячелетия (Millennium Ecosystem Assessment, 2005), культурные услуги — это нематериальные выгоды, которые люди получают от экосистем через духовное обогащение, когнитивное развитие, рекреацию, эстетические переживания и культурное наследие. Применительно к почвам это означает, что почвенный покров влияет на:

культурную идентичность и чувство места;
историческую память (археологические памятники, погребённые горизонты);
эстетическое восприятие ландшафтов;
рекреационные возможности (сады, парки, природные территории);
образовательную и научную ценность (изучение почв как природных архивов).

Как подчёркивают Вальков и др. (2004), почва является не только природным телом, но и «землёй» в более широком смысле — это территория, на которой разворачивается история человечества, строятся города, сохраняются культурные памятники. В русском языке, как и во многих других, различаются понятия «почва» (solum) и «земля» (land). Земля — это не просто поверхностный слой; это ландшафты, поселения, поля, леса, водные пространства — вся географическая среда, в которой живёт человек (Вальков и др., 2004). И почва является её основой.

5.2. Историческое и культурное наследие: почва как архив

Одна из важнейших культурных функций почв — это их роль естественного архива истории Земли и человечества. Почвенные горизонты формируются медленно, и в них «записываются» события прошлого: климатические изменения, пожары, наводнения, извержения вулканов, деятельность древних цивилизаций.

Археологическая ценность почв. В почвах сохраняются артефакты — фрагменты керамики, каменные орудия, кости животных, угли от древних костров, остатки построек. Поскольку почвы обладают буферными и сорбционными свойствами, они могут сохранять эти предметы в течение тысячелетий. Особенно хорошо сохраняются предметы в анаэробных условиях (торфяники, иллювиальные горизонты) или в сухих щелочных почвах (например, в лёссовых отложениях) (Вальков и др., 2004; Richter and Tugel, 2012).

Изучение погребённых почв (палеопочв) позволяет реконструировать климатические изменения, ландшафты прошлого, направления миграций народов. Например, по соотношению гуминовых и фульвокислот в погребённых почвах можно судить о растительности и влажности климата в разные геологические эпохи (Baldock and Broos, 2012). Таким образом, почвы служат «историческими хрониками», которые могут быть прочитаны специалистами.

Культурные слои. В городах и древних поселениях формируются так называемые культурные слои — это антропогенно изменённые почвы и отложения, содержащие остатки человеческой деятельности. Они могут достигать мощности в несколько метров и содержат информацию о быте, технологиях, экономике прошлых эпох. Изучение культурных слоёв — важнейший метод археологии (Richter and Tugel, 2012).

Почва как носитель идентичности. В исторической перспективе, качество почв и их использование определяли развитие цивилизаций. Об этом свидетельствуют многочисленные примеры: плодородные чернозёмы стали основой могущества земледельческих культур, а истощение почв приводило к упадку целых цивилизаций (например, на Ближнем Востоке). Поэтому почва неразрывно связана с историей народов и культур.

5.3. Эстетическая ценность и ландшафтообразование

Почвы играют огромную роль в формировании внешнего облика ландшафтов — их эстетики. Окраска почв (чернозёмы, краснозёмы, желтозёмы, подзолы, серозёмы) — это не просто диагностический признак, но и элемент визуального восприятия природы. Разнообразие почв создаёт мозаику полей, лесов, степей, которые вдохновляют художников, поэтов и просто людей, любующихся пейзажем.

Почвы также определяют характер растительности: где леса, где степи, где луга. А растительность, в свою очередь, формирует облик ландшафта. Таким образом, почвы — это фундамент эстетического разнообразия природы (Weil and Brady, 2017).

В садово-парковом искусстве почвы — это основа для создания парков, садов, скверов, цветников. Свойства почв (плодородие, структура, влагоёмкость) напрямую влияют на выбор растений и успех озеленения. Хорошо окультуренная почва радует глаз буйством красок и формами растений, а деградированная почва выглядит как пустошь.

5.4. Духовная и социальная значимость: «Земля-матушка»

Во многих культурах почва (земля) имеет глубокий символический смысл. Это не просто субстрат, а мать-земля, источник жизни и плодородия. У славян, как и у многих других народов, «мать сыра земля» — это образ силы, плодородия, защиты. Земля — это то, что рождает хлеб, даёт приют, принимает тела умерших.

В этом смысле понятие «родная земля» объединяет физическое и духовное: место рождения, предки, культура, язык — всё это связано с определённой территорией и её почвами (Вальков и др., 2004). Потеря почвы, её деградация — это не только экономическая проблема, но и утрата культурной идентичности. Неслучайно во многих языках слова «земля» и «страна» — однокоренные (англ. land, нем. Land, рус. «земля» означает и почву, и страну, и планету).

5.5. Рекреационная и образовательная функции

Почвы являются основой для рекреационных зон: парков, пляжей, спортивных полей, природных заповедников. Качество почв определяет возможности для отдыха на природе — пеших прогулок, пикников, занятий спортом. Например, газонные почвы должны быть хорошо дренированы, иметь достаточную твёрдость и одновременно эластичность для спортивных площадок (Weil and Brady, 2017).

Почвы также служат объектом образовательной деятельности. Почвенные разрезы, музеи почв, учебные полигоны позволяют студентам и школьникам изучать строение почв, их свойства и процессы. Понимание почвенных закономерностей — важная часть экологического и географического образования (Scheffer et al., 2018). Кроме того, садоводство и огородничество — это не только способ получения пищи, но и форма образовательной и терапевтической деятельности, особенно в городской среде.

5.6. Научная ценность

Почвы — это объект изучения многих наук: собственно почвоведения, географии, экологии, геологии, климатологии, археологии и даже криминалистики (Weil and Brady, 2017). Почвы дают информацию о прошлых климатах (палеоклиматология), о скорости и направленности геоморфологических процессов, о биологической эволюции.

В последние десятилетия огромное значение приобрели исследования почвенного углерода и его роли в глобальном цикле — это уже не только научная, но и политическая и экономическая задача. Почва становится объектом международного мониторинга, что придаёт её изучению особую ценность (Baldock and Broos, 2012).

5.7. Взаимосвязь культурных услуг с другими функциями

Культурные услуги неразрывно связаны с другими экосистемными услугами. Эстетическое восприятие ландшафта невозможно без плодородных почв, которые поддерживают растительность. Духовная связь с родной землёй тесно связана с традиционным земледелием, которое зависит от здоровья почвы. Археологическая ценность почвы напрямую зависит от её сохранности и ненарушенности, что в свою очередь определяется регулирующими функциями (защита от эрозии, стабильность структуры).

Таким образом, утрата почвенных функций (эрозия, загрязнение, потеря гумуса) ведёт не только к снижению продуктивности и ухудшению качества воды, но и к обеднению культурного и духовного опыта человечества. Поэтому охрана почв — это не только агрономическая или экологическая задача, но и задача сохранения культуры и исторической памяти.

5.8. Примеры культурных услуг в современном мире

Сельские и городские парки. Ухоженные парки с плодородными почвами становятся центрами рекреации и эстетического наслаждения для миллионов людей.

Музеи почв и природные заповедники. В разных странах создаются музеи почв, где представлены монолиты основных типов почв. Заповедники сохраняют эталонные почвы для научных исследований и образовательного туризма.

Почвенные «бренды». Некоторые сорта вин, сыров, овощей известны благодаря особым свойствам почв, на которых они выращены (терруар). Это — сочетание обеспечивающей (продукт) и культурной (индивидуальность региона, гастрономическое наследие) функций.

Рекультивация нарушенных земель. Восстановление почв после горных работ, строительства или загрязнений — это не только возвращение продуктивности, но и восстановление эстетического и рекреационного потенциала земель (Richter and Tugel, 2012).

Резюме раздела о культурных услугах

Культурные услуги почв — это та грань, которая часто остаётся в тени хозяйственной деятельности, но именно она делает почву не просто ресурсом, а частью человеческого бытия. Почва — это:

Исторический архив, хранящий память о прошлом;
Основа эстетики ландшафта, источник вдохновения и красоты;
Символ родины, духовной связи с местом;
Объект образования и науки, позволяющий познавать мир;
Фундамент рекреации, дающий отдых и здоровье.

Понимание культурных услуг почв помогает увидеть, что потеря почв — это не только экономический ущерб, но и разрушение культурного кода, утрата исторических корней. Поэтому защита почв должна рассматриваться как приоритетная задача не только сельскохозяйственного, но и культурного, духовного и общественного развития.

В завершающем разделе лекции — «Почему общество зависит от почв» — мы обобщим все категории экосистемных услуг и покажем, как они взаимосвязаны и почему сохранение почв является критическим условием устойчивого будущего человечества.

6. Почему общество зависит от почв

Мы подошли к главному вопросу всей нашей лекции. После подробного рассмотрения четырёх категорий экосистемных услуг почв — поддерживающих, регулирующих, обеспечивающих и культурных — мы можем ответить на него с полной определённостью. Почвы важны не только для сельского хозяйства, потому что они являются фундаментом всей биосферы и человеческой цивилизации. Зависимость общества от почв многогранна и выходит далеко за пределы продовольственной безопасности. Давайте разберёмся, почему это так.

6.1. Почва — основа продовольственной безопасности и здоровья

Это, конечно, самая очевидная и наиболее изученная связь. Как уже говорилось, около 98% продовольствия человечество получает от почвенного плодородия (Вальков и др., 2004; Weil and Brady, 2017). Но за этой цифрой стоит нечто большее, чем просто «еда». Почвы определяют:

Количество продовольствия. Плодородие почв напрямую влияет на урожайность культур. Деградированные почвы дают низкие урожаи, что в глобальном масштабе угрожает продовольственной безопасности (Weil and Brady, 2017; Scheffer et al., 2018).
Качество продовольствия. Содержание микроэлементов в растениях (цинка, селена, йода, железа) зависит от их доступности в почвах. Почвенный дефицит микроэлементов ведёт к «скрытому голоду» — дефициту витаминов и минералов в пище людей, что является причиной многих заболеваний (Weil and Brady, 2017; White, 2006).
Безопасность продовольствия. Почвы могут накапливать токсичные вещества (тяжёлые металлы, пестициды, радионуклиды), которые затем попадают в растения и пищевые цепи. Загрязнение почв — угроза здоровью людей (Вальков и др., 2004; Weil and Brady, 2017).

Таким образом, обеспечение населения качественной и безопасной пищей напрямую зависит от состояния почв.

6.2. Почва — главный регулятор водных ресурсов

Вода — это второй по важности ресурс для жизни человека. И здесь роль почв трудно переоценить. Почвы определяют:

Качество воды. Почвы фильтруют воду, удаляя из неё загрязнители — взвеси, токсины, патогенные микроорганизмы. Именно благодаря почвам подземные воды остаются чистыми и пригодными для питья (Weil and Brady, 2017; Вальков и др., 2004).
Количество воды. Почвы накапливают влагу во влажные периоды и отдают её в засушливые, сглаживая колебания речного стока и предотвращая засухи и наводнения. Лесные и луговые почвы действуют как естественные губки, регулирующие гидрологический режим ландшафтов (Ghezzehei, 2012).
Доступность воды для растений. Влагоёмкость почв определяет, смогут ли растения (и, следовательно, сельскохозяйственные культуры и естественная растительность) пережить засушливый период (Вальков и др., 2004).

Деградация почв (эрозия, уплотнение, потеря гумуса) ведёт к ухудшению качества воды, учащению наводнений и засух, что наносит огромный экономический и социальный ущерб.

6.3. Почва — ключевой фактор климатической регуляции

В эпоху глобального потепления роль почв в углеродном цикле приобретает критическое значение. Почвы являются крупнейшим наземным резервуаром углерода, аккумулируя в 2–3 раза больше углерода, чем атмосфера (Baldock and Broos, 2012).

Связывание углерода. При правильном управлении (восстановление органического вещества, минимальная обработка, возврат растительных остатков) почвы могут поглощать значительные количества CO₂ из атмосферы, снижая парниковый эффект (Baldock and Broos, 2012).
Выбросы парниковых газов. При деградации (распашке целинных земель, осушении торфяников, чрезмерном внесении удобрений) почвы, наоборот, выделяют в атмосферу большие количества CO₂, метана (CH₄) и закиси азота (N₂O) — мощных парниковых газов (Scheffer et al., 2018).

Таким образом, устойчивое управление почвами может стать одним из ключевых инструментов в борьбе с изменением климата. И, наоборот, игнорирование состояния почв усугубляет климатический кризис.

6.4. Почва — среда обитания для огромного биоразнообразия

Почвы являются одним из самых богатых видами местообитаний на Земле. В одном грамме плодородной почвы может содержаться до 10 миллиардов микроорганизмов, принадлежащих к тысячам видов (Scheffer et al., 2018; Weil and Brady, 2017). И большинство этих видов ещё даже не описаны наукой.

Микроорганизмы. Бактерии, актиномицеты, грибы, водоросли — они обеспечивают круговорот веществ, разлагают органику, подавляют патогены, продуцируют антибиотики и другие биоактивные соединения. Почвенная микробиота — это «невидимая армия», работающая на поддержание жизни (Weil and Brady, 2017).
Беспозвоночные животные. Дождевые черви, насекомые, нематоды, клещи, многоножки — они участвуют в дроблении органических остатков, структурообразовании, аэрации почвы. Их разнообразие и численность напрямую определяют плодородие (Вальков и др., 2004).
Позвоночные. Мелкие млекопитающие (кроты, полевки, суслики), рептилии, амфибии также обитают в почве или используют её для укрытия.

Потеря почвенного биоразнообразия — это невосполнимая утрата генетического фонда, который мог бы стать источником новых лекарств, биотехнологических решений и устойчивых сельскохозяйственных культур.

6.5. Почва — экономический актив и средство производства

Почва — это не только природный ресурс, но и огромный экономический капитал. Стоимость экосистемных услуг, предоставляемых почвами, оценивается в триллионы долларов в год (Millennium Ecosystem Assessment, 2005; Weil and Brady, 2017).

Сельскохозяйственное производство. Глобальный оборот сельскохозяйственной продукции напрямую зависит от плодородия почв. Потери плодородия обходятся в миллиарды долларов ежегодных убытков и затрат на восстановление.
Строительство и инженерия. Почвы служат основанием для зданий, дорог, мостов. Инженерные свойства почв (несущая способность, устойчивость к деформациям) определяют безопасность и стоимость строительства (Weil and Brady, 2017).
Сырьевые ресурсы. Из почв добывают песок, гравий, глину, торф, строительные материалы. Некоторые виды почв (например, бентонитовые глины) используются в промышленности как сорбенты, наполнители, компоненты буровых растворов (Вальков и др., 2004).
Туризм и рекреация. Почвы — основа ландшафтного разнообразия, привлекательного для туристов. Сельскохозяйственные и природные ландшафты, парки, заповедники создают рекреационную ценность земель.

Экономическая стоимость почв часто недооценивается, поскольку многие их функции (очистка воды, депонирование углерода, поддержание биоразнообразия) не имеют рыночных цен. Однако их утрата обходится обществу гораздо дороже, чем любые инвестиции в охрану и восстановление почв.

6.6. Почва — хранитель исторической и культурной памяти

Мы уже достаточно подробно говорили об этом в разделе о культурных услугах. Однако стоит подчеркнуть ещё раз:

Археологическое наследие. В почвах сохраняются древние поселения, захоронения, орудия труда. Изучение почвенных профилей и культурных слоёв позволяет реконструировать историю человечества (Richter and Tugel, 2012).
Культурная идентичность. Для каждого народа «родная земля» — это не просто географическая территория, а духовная связь с предками, местом рождения, традициями. Потеря почвенного покрова (эрозия, засоление, загрязнение) — это утрата культурных корней.
Образовательная и научная ценность. Почвы — это объект изучения множества дисциплин, от географии до биотехнологии. Понимание почв формирует экологическое мировоззрение и культуру природопользования (Scheffer et al., 2018).

6.7. Почва — фактор социальной стабильности и безопасности

На первый взгляд связь между почвами и социальной стабильностью может показаться неочевидной, но она очень глубока.

Продовольственные конфликты. Нехватка продовольствия из-за деградации почв становится причиной социальных волнений, миграций, конфликтов. Уже сегодня в ряде регионов мира деградация почв приводит к продовольственным кризисам и вынужденным переселениям (Weil and Brady, 2017).
Занятость. В развивающихся странах до 70% населения занято в сельском хозяйстве, которое напрямую зависит от почв. Потеря плодородия — это потеря средств к существованию для миллионов семей.
Международная напряжённость. Конкуренция за плодородные земли и водные ресурсы может обострять межгосударственные отношения, особенно в регионах с высоким демографическим давлением и ограниченными территориями.
Миграция. Деградация почв — один из факторов экологической миграции. Люди покидают непригодные для жизни земли, что создаёт нагрузку на другие регионы.

Таким образом, здоровье почв напрямую связано с социально-экономической стабильностью государств и регионов (Richter and Tugel, 2012).

6.8. Взаимосвязь всех услуг: системный взгляд

Мы рассмотрели разные категории услуг отдельно, но в реальности они неразрывно связаны. Почва — это единая система, и изменение одного её свойства (например, потеря гумуса) одновременно ослабляет несколько функций:

Снижение плодородия (обеспечивающая услуга) → снижение урожаев.
Ухудшение структуры → уменьшение водопроницаемости и влагоёмкости (регулирование гидрологического режима).
Потеря органического вещества → уменьшение буферности и фильтрации (регулирующие услуги).
Ослабление биологической активности → замедление круговорота элементов (поддерживающие услуги).
Снижение эстетической и рекреационной ценности → потеря культурных услуг.

И наоборот, улучшение одного свойства (например, увеличение содержания органического вещества) положительно сказывается на всех остальных функциях. Поэтому устойчивое управление почвами должно быть комплексным, направленным на сохранение и усиление всего спектра экосистемных услуг, а не только на повышение урожайности.

6.9. Что это означает для будущего?

Осознание многогранной роли почв в жизни общества должно привести к изменению подходов к землепользованию.

1. Приоритет охраны почв. Почва — невозобновимый ресурс в масштабах человеческой жизни. Сохранение существующих почв (защита от эрозии, загрязнения, уплотнения) должно стать важнейшей государственной задачей.

2. Инвестиции в восстановление. Восстановление деградированных почв (рекультивация, известкование, гипсование, внесение органики) требует значительных затрат, но эти затраты многократно окупаются за счёт восстановления экосистемных услуг и сохранения продуктивности земель (Richter and Tugel, 2012).

3. Адаптивное земледелие. Сельское хозяйство должно строиться на принципах сохранения и улучшения почвенного здоровья, а не на максимальной эксплуатации плодородия. Это означает переход к минимальной обработке, севооборотам, использованию органических удобрений, сохранению растительного покрова (Baldock and Broos, 2012; White, 2006).

4. Междисциплинарный подход. Изучение почв должно объединять усилия почвоведов, агрономов, экологов, экономистов, социологов, историков и представителей других наук. Только такой комплексный подход позволит понять все аспекты зависимости общества от почв и выработать эффективные стратегии управления.

Список источников

Baldock, J.A., Broos, K. (2012). ‘Soil Organic Matter’, in Huang, P.Ming., Li, Y., Sumner, M.E. (ed.) Handbook of Soil Sciences Properties and Processes. Boca Raton, FL: CRC Press, pp. 11-1:11-52.
Ghezzehei, T.A. (2012). ‘Soil Structure’, in Huang, P.Ming., Li, Y., Sumner, M.E. (ed.) Handbook of Soil Sciences Properties and Processes. Boca Raton, FL: CRC Press, pp. 2-1:2-17.
Richter, D.deB. Jr., Tugel, A.J. (2012). ‘Soil Change in the Anthropocene: Bridging Pedology, Land Use and Soil Management’, in Huang, P.Ming., Li, Y., Sumner, M.E. (ed.) Handbook of Soil Sciences Properties and Processes. Boca Raton, FL: CRC Press, pp. 38-1:38-15.
Scheffer, F., Schachtschabel, P. (2018). ‘Einleitung: Böden – die Haut der Erde’, in Amelung, W., Blume, H., Fleige, H., Horn, R., Kandeler, E., Kögel-Knabner, I., Kretzschmar, R., Stahr, K., Wilke, B. (ed.) Scheffer Schachtschabel Lehrbuch der Bodenkunde. Deutschland: Springer-Verlag, pp. 1-10.
Turk, J.K., Chadwick, O.A., Graham, R.C. (2012). ‘Pedogenic Processes’, in Huang, P.Ming., Li, Y., Sumner, M.E. (ed.) Handbook of Soil Sciences Properties and Processes. Boca Raton, FL: CRC Press, pp. 30-1:30-29.
Weil, R.R., Brady, N.C. (2017). ‘The Soils Around Us’, in The Nature and Properties of Soils. Essex, UK: Pearson Education, pp. 19-50.
White, R.E. (2006). ‘Soil Quality and Sustainable Land Management’, in Principles and Practice of Soil Science. The Soil as a Natural Resource. Malden, MA: Blackwell Publishing, pp. 333-347.
Вальков, В.Ф., Казеев, К.Ш., Колесников, С.И. (2004). ‘Состав и свойства почв [Soil composition and properties]’, in Почвоведение [Soil science]. Москва - Ростов-на-Дону: МарТ, pp. 9-170.
Муха, В.Д., Картамышев, Н.И., Муха, Д.В. (2003). ‘Почва как многофазная полидисперсная система [Soil as a Multiphase Polydisperse System]’, in Агропочвоведение [Agropedology]. Москва: КолосС, pp. 29-40.