Размерная структура комплексов

Известен огромный диапазон размеров почвенных организмов (от микрометров до дециметров (1:100000)).

Удобно подразделять почвенные организмы на три группы в зависимости от размеров тела: микро- (менее 0,1 мм), мезо- (0,1-2 мм) и макро- (более 2 мм) биоту.

К почвенной макробиоте (размер тела более 2 мм) относят позвоночных (змеи, ящерицы, мыши и т.д.) и крупных беспозвоночных животных (муравьи, термиты, многоножки, костянки, дождевые черви, мокрицы, гусеницы, цикады, личинки и имаго жуков, личинки мух и перепончатокрылых, улитки, пауки, скорпионы, сверчки и тараканы).

К мезобиоте (размер тела от 0,1 до 2 мм) относят псевдоскорпионов, коллембол, клещей, небольших многоножек и энхитреид. Мезобиота обычно живет в почвенных порах, питаясь органическим веществом, микрофлорой, микрофауной и другими беспозвоночными.

Микробиота (размер тела до 0,1 мм) исключительно многочисленна и разнообразна. К микрофлоре относятся водоросли, бактерии, цианобактерии, грибы, дрожжи, миксомицеты и актиномицеты, которые могут разлагать любые природные материалы. К микрофауне относятся нематоды, простейшие, турбеллярии, которые обычно живут на водной пленке и питаются микрофлорой, корнями растений, другими представителями микрофауны и иногда более крупными организмами (например, энтомопатогенные нематоды питаются насекомыми и другими крупными беспозвоночными животными).

Ключевые» группы

Почвенное разнообразие легче оценить, если сконцентрироваться на роли функциональных групп. Они играют важную роль в функционировании и поддержании услуг, предоставляемых экосистемами. Функциональные группы - набор организмов, которые оказывают сходное влияние на протекание специфического биогеохимического или биофизического процесса на экосистемном уровне.

Лавель предложил иерархический подход, когда почвенные структуры, создаваемые некоторыми почвенными организмами, такими как дождевые черви, формируют приемлемые экологические условия для существования других почвенных организмов в определенной пространственно-временной шкале.

В настоящее время принимается существование так называемых «ключевых» групп организмов, исчезновение или снижение активности которых может привести к необратимым для экосистемы последствиям, их деградации и разрушению.

По классификации Лавеля и Свифта существует 6 «ключевых» групп почвенной биоты:

1. Инженеры экосистем (в т.ч. макрофауна, такая как термиты и дождевые черви): организмы, которые оказывают заметное физическое воздействие на почву путем ее перемещения, постройки агрегированных структур и прокладывания ходов, а также влияя на круговорот питательных веществ;

2. Сапрофаги (в т.ч. целлюлозо-разрушающие грибы или бактерии): микроорганизмы, обладающие ферментами, разлагающими полимеры, которые влияют на большую часть энергетических потоков в пищевых сетях;

3. Микрорегуляторы (в т.ч. микрофауна, такие как нематоды): животные, которые регулируют потоки питательных веществ в результате питания растениями и других взаимодействий с организмами;

4. Микросимбионты (в т.ч. микоризные грибы, ризобии): микроорганизмы, связанные с корнями, деятельность которых усиливает прием питательных веществ растениями;

5. Вредители и возбудители болезней (в т.ч. патогенные грибы, беспозвоночные животные - вредители растений), виды, используемые в биологическом контроле (в т.ч хищники, паразиты и сверхпаразиты вредителей и возбудителей болезней);

6. Бактериальные трансформеры: бактерии, преобразующие углерод (в т.ч. метанотрофы) или питательные элементы, такие как азот, сера или фосфор (в т.ч. нитрифицирующие бактерии).

Таблица 3 Влияние различных функциональных групп на функционирование почвы, биоразнообразие и продуктивность растений.

По другой классификации выделяют 3 основных функциональных группы: химические инженеры, биологические регуляторы и инженеры экосистем.

6.1. Химические инженеры (chemical engineers)

Химические инженеры отвечают за протекание химических процессов и способны разлагать органическое вещество в ходе реакций анаболизма и катаболизма. Эти процессы регулируют в основном микроорганизмы (микробы), представленные бактериями и грибами, поскольку более 90% потока энергии в почвенной экосистеме опосредуется микробами.

Бактерии

Одноклеточные организмы разного размеры и формы, обычно меньше 2 мкм, встречаются поодиночке или формируют скопления. Бактерии, возможно, представляют самую богатую видами и многочисленную группу организмов на Земле (4-6 х 10 ³⁰ ), причем большинство бактерий (92%) живут в почве.

Бактериальная биомасса может достигать 1-2 т/га пастбища в умеренной зоне или 3-5% от общего содержания органического вещества.

Бактерии – водные организмы, которые живут в почвенных порах, заполненных водой. Большинство бактерий имеют ограниченные способности к передвижению и налипают на поверхность минеральных и органических частиц, образуя плотные скопления (маты) из клеток, которые называют биопленками. Их расселение зависит от движения воды, роста корней или активности почвенных организмов Движения бактерий весьма ограничены и более 90% бактерий в почве неактивны, поскольку они не способны перемещаться в поисках органического субстрата. В природе большую часть времени бактерии неактивны, вероятно, из-за голодания. При помещении в лабораторные условия и при предоставлении им пищи, они начинают быстро размножаться и рост биомассы может быть в 1 -10 тыс. раз выше, чем в природе. Это явление называется «парадоксом спящей красавицы

В зависимости от особенностей питания различают автотрофные и гетеротрофные бактерии. Автотрофные бактерии синтезируют углеводы, фиксируя двуокись углерода, используя свет или химические соединения. Бактерии-гетеротрофы являются сапрофагами и разлагают органические вещества, например корни или опад для получения органического вещества.

Бактерии могут выполнять огромное количество метаболических функций, в т.ч. ускорять значительное количество химических превращений, включая распад органического вещества, а также подавлять развитие болезней и стимулировать перемещение питательных веществ по корням.

Некоторые бактерии образуют симбиотические связи: растения обеспечивают бактерии простыми органическими соединениями из корней, а бактерии фиксируют азот из воздуха в формы, которые могут быть усвоены растениями.

При определенных условиях бактерии растут и размножаются очень быстро, увеличивая размер популяции вдвое в течение нескольких минут. Некоторые бактерии могут выживать в экстремальных условиях, например, при высоком уровне УФ облучения, температуре, давлении или высыхании. Они формируют эндоспоры, в которых практически отсутствует метаболизм. В таком виде бактерии могут выживать миллионы лет и пассивно перемещаться на большие расстояния.

Необходимо тщательное изучение сообществ бактерий, поскольку они вовлечены во множество почвенных процессов, таких как минерализация углерода при распаде и превращениях азота.

Бактерии и бобовые растения (ризобий)

Выделения корней стимулируют размножение свободноживущих бактерий ризобия. Колония бактерий обычно развивается на корневых волосках, которые затем начинают скручиваться и бактерии проникают в клетки растения. Растение вокруг этих клеток образует клеточную стенку, способствуя формированию утолщения - клубенька. Ризобий выделяет аммоний, позволяя растениям фиксировать азот самым простым способом (по сравнению с нитратами), поскольку аммоний может напрямую включаться в протеины, без дополнительных химических реакций. Растения могут абсорбировать ионы аммония или нитратов из почвы с помощью корневых волосков или благодаря ризобию.

Бактерии и грибы превращают органический азот из гниющего органического вещества в аммоний в процессе аммонификации. Этот этап может выполнять значительное количество микроорганизмов. Но на следующем этапе химические процессы осуществляются лишь специализированной группой бактерий. Процесс нитрификации осуществляется небольшой группой хемотрофных бактерий (бактерии-окислители азота), которые превращают аммоний в нитриты (NO^2-), токсичные для растений. Другие группы бактерий окисляют нитриты до безопасных нитратов (NO^3-).Тем самым микроорганизмы повышают плодородие почв.

Грибы

Грибы - группа организмов, с огромным разнообразием форм от микросокопических одноклеточных дрожжевых грибов до больших макро-грибов (шляпочных). Большинство грибов невидимы, живут большей частью в почве, мертвом органическом веществе, и являются симбионтами растений, животных или других грибов. В большистве случаев грибы состоят из многоклеточных микроскопических филаментов (нитей), которые называются гифами. Эти гифы могут образовывать многоклеточный мицелий (грибницу).

Известно около 80 тыс. видов грибов, причем общее количество существующих видов может превышать 1,5 млн. В 1 г почвы может находиться до 1 млн грибов, в то время как биомасса грибов в почвах умеренных широт может достигать 2-5 т/га.

Грибы – гетеротрофы, им нужны органические субстраты для роста и развития. Некоторые грибы живут на мертвом или гниющем органическом веществе, разлагая его и превращая в формы, доступные для высших растений. Развитие и рост других грибов зависит от наличия комплексных органических соединений, поскольку они расщепляют сахара, лигнин или древесную целлюлозу.

Одни специализированные грибы могут быть патогенными для растений и животных, в то время как другие формируют взаимовыгодные связи с растениями или микоризные комплексы, доставляя напрямую питательные Грибы – гетеротрофы, им нужны органические субстраты для роста и развития. Некоторые грибы живут на мертвом или гниющем органическом веществе, разлагая его и превращая в формы, доступные для высших растений. Развитие и рост других грибов зависит от наличия комплексных органических соединений, поскольку они расщепляют сахара, лигнин или древесную целлюлозу.

Одни специализированные грибы могут быть патогенными для растений и животных, в то время как другие формируют взаимовыгодные связи с растениями или микоризные комплексы, доставляя напрямую питательные Актиномицеты исключительно многочисленны и могут достигать сотен миллионов особей/ г почвы и достигать по массе 5 тыс. кг/га. Актиномицеты являются одноклеточными организмами и играют важную роль в разложении органического вещества, а некоторые могут участвовать в азотфиксации. Актиномицеты могут разлагать наиболее устойчивые соединения, такие как целлюлоза, хитин и фосфолипиды.

Почвенные водоросли

Из почв выделено несколько сотен видов водорослей, относящихся к зеленым, желто-зеленым и диатомовым. Численность одноклеточных водорослей составляет 10-100 тыс. клеток/ г почвы. Зеленые водоросли предпочитают влажные и кислые почвы, в то время как диатомовые водоросли населяют хорошо дренируемые почвы, богатые органическим веществом. Водоросли содержат хлорофилл и способны к фотосинтезу. Они продуцируют органическое вещество в плодородных почвах и могут синтезировать углеводы, которые способствуют склеиваемости почвы.

Функциональная значимость и пространственно-временное распределение

Химические инженеры могут осуществлять почти все известные биологические реакции и вовлечены в почвенные процессы, включая в значительной степени почвенную биологическую активность. Они осуществляют реакции распада, трансформации и минерализации углерода и азота в почвах. Обычно разложение наблюдается в верхних слоях почвы в присутствии кислорода. Микроорганизмы окисляют органические соединения для получения энергии и углерода для их роста. Первыми распадаются простые молекулы, такие как аминокислоты и сахара. Распад целлюлозы, фенолов занимает дольше времени, а самым длительным процессом является распад лигнина.

Минерализация двуокиси углерода и питательных веществ, доступных для растений, обычно занимает более длительное время. Органические молекулы вступают в несколько окислительных реакций прежде чем азот, фосфор и сера превратятся в аммоний, фосфат или сульфат, которые усваиваются растениями.

Основная функция сапрофагов - экстрагировать питательные вещества из гниющего органического вещества в форме ионов, которые могут быть абсорбированы растениями. Азот - важный и лимитирующий фактор роста растений, поскольку он присутствует в аминокислотах, нуклеиновых кислотах и хлорофилле.

В анаэробных условиях микроорганизмы редуцируют азот до органических кислот и аммония, причем неиспользуемый углерод редуцируется до метана.

6.2. Биологические регуляторы (biological regulators)

Группа биологических регуляторов представлена простейшими, нематодами и микро-артроподами. Биологические регуляторы воздействуют на микробиальную активность в основном через хищничество, но также через паразитические или мутуалистические взаимодействия с другими микробами или беспозвоночными животными. Эти регуляторные взаимодействия контролируют плотность популяций в пищевых сетях, а также доступность ресурсов, которая контролируется химическими инженерами.

Простейшие

Простейшие – разнообразная группа одноклеточных эукариот, размером 10-50 мкм, но иногда достигающих длины в 1 мм. Их плотность может достигать 10⁵ клеток/ г почвы. Из почвы было выделено более 250 видов простейших.

Обычно они обитают во влажных, хорошо дренируемых почвах и наиболее многочисленны в поверхностных горизонтах, причем их биомасса оценивается в 20-200 кг/га.

Некоторые простейшие хищничают на почвенных бактериях и другой микрофлоре, особенно в зоне корней (ризосфере). Хотя они и не являются основной причиной разложения органического вещества или получения питательных веществ, многие заболевания животных и растений связано вызваны протозойными инфекциями

Нематоды

Нематоды – круглые черви длиной 0,5-1 мм, распространенные в почве. Их плотность может достигать 10-50 экз. /г почвы и они адаптированы ко всем типам экосистем, даже наиболее экстремальным, таким как Антарктика и океанические хребты. Класс нематод представлено множеством многочисленных видов, в 1 кг пастбищной почвы может встречаться 30 тыс. экз. нематод, относящихся к 30-60 видам.

Описано около 80 тыс. нематод из примерно 500 тыс. существующих расчетных видов.

Нематоды - наиболее многочисленные почвенные беспозвоночные, которые обитают в почвенных порах. Они живут в почве любого типа, но предпочитают пористую почву. Нематоды передвигаются в водных пленках внутри пор и имеют ограниченную расселительную способность, преодолевая расстояние в несколько см, редко 1 м/год.

Нематоды – важный компонент пищевых сетей. Они питаются водорослями, бактериями, грибами или на корнях растений. Некоторые виды хищничают, питаясь другими нематодами или простейшими. Они концентрируются там, где есть пищевые ресурсы: например, нематоды, питающиеся корнями, сконцентрированы в зоне корней и т.д. Кроме того нематоды могут ускорять протекание почвенных процессов, например, распад органических остатков и даже усиливать вторичную сукцессию и стимулировать разнообразие местных видов растений.

Большинство нематод размножается половым путем. Нематоды могут впадать в неактивное состояние при неблагоприятных условиях, причем некоторые виды могут выживать в течение 40 лет в коллекциях.

Членистоногие

Микро-артроподы (микро-членистоногие) - небольшие беспозвоночные с наружным экзоскелетом размером до нескольких мм, включают небольших насекомых, таких как коллемболы, некоторых пауков и клещей.

Клещи – наиболее многочисленная группа членистоногих. Их плотность в лесных почвах может достигать нескольких сотен особей на 1 м². Известно 50 тыс. видов клещей, но расчетное количество может достигать 1 млн. видов.

Клещи имеют ограниченную способность к проделыванию ходов и обычно живут на поверхности подстилки или в верхних слоях почвы.

Коллемболы обычно встречаются в агрегациях, образуют скопления в результате выделения аггрегационного феромона.

У микроартропод различаются пищевые предпочтения. Большинство являются растительноядными, питаются грибами или хищничают. По питанию различают виды-генералисты и специалисты. Коллемболы и клещи в основном поедают гниющую растительность и таким образом ассоциированных с ней бактерии и грибы. Время от времени они поедают нематод или других микроартропод.

Обычно микроартроподы размножаются половым путем. Некоторые микроартроподы имеют сложные жизненные циклы с обилием различных жизненных стадий, таких как личинки и нимфы. Многие микроартроподы способны к криптобиозу, что позволяет им пережить экстремальные температуры.

Биологические регуляторы являются интеграторами пищевой сети, связывая нижний функциональный уровень микробиальных сапрофагов в пространстве и времени и стабилизируя их динамику в основном через хищничество.

Микроартроподы и более крупные членистоногие, питающиеся подстилкой потребляют подстилку и микроорганизмы, которые активируются в процессе пищеварения. Развитие микроорганизмов продолжается в фекалиях, которые повторно случайно могут заглатываться беспозвоночными, что увеличивает микробиальную биомассу.

Во-первых, хищные, а также паразитические и мутуалистические действия биологических регуляторов напрямую регулируют численность микробиальных сапрофагов и других биологических регуляторов, и тем более их активность. При низкой плотности хищники стимулируют скорость роста популяции их жертв (в т.ч. организмы, питающиеся бактериями, стимулируют рост бактерий), но при высокой плотности они снижают плотность популяции жертвы.

Хищничество часто подавляет развитие микробиальной популяции в большей степени чем ресурсы. Это регулирование может оказать эффект на численность, биомассу или продуктивность на более низких трофических уровнях. Однако, регуляция хищничества высоко чувствительна. Эти эффекты могут существенно изменяться под воздействием нарушений, поскольку пищевые сети высоко динамичны и могут изменить взаимоотношения видов, состав и динамику. Паразиты и патогены влияют не только на регулирование численности видов, но и на регулирование биоразнообразия.

Во-вторых, биологические регуляторы косвенно влияют на химические процессы, которые осуществляются микробиальными сапрофагами. Например, простейшие и нематоды благодаря хищничеству на микробиальных сапрофагах, помогают распределять в почве органическое вещество и сапрофагов. Таким образом, они косвенно влияют на доступность питательных веществ, которые иначе будут отлагаться в микробиальной биомассе. Сложность трофических сетей может стимулировать минерализацию, которая в свою очередь, может стимулировать продуктивность.

Энхитреиды

Энхитреиды – небольшие (1-50 мм), в основном бесцветные, кольчатые черви. Они доминируют в кислых почвах в лесах и на заброшенных пастбищах, где могут достигать высокой плотности. Поскольку они в основном питаются детритом, бактериями и грибами, они стимулируют круговорот азота и углерода.

Энхитреиды обитают в верхнем 5-см слое большинства почв и играют важную роль в процессах разложения и гумификации. Они являются микрофагами и повторно используют экскременты других животных (дождевых червей или микроартропод).

Функциональная значимость и пространственно-временное распределение

Активность биологических регуляторов может влиять на биоразнообразие, в том числе на взаимодействия между растениями и вредителями и болезнями. Эта функциональная группа является важной для развития экосистем, устойчивости сельского и лесного хозяйства, косвенно влияя на распределение растений и вспышки численности их вредителей.

Разнообразие биологических регуляторов важно для длительной стабильности функционирования почвы, равно как для регулирования количества видов и сохранения биоразнообразия.

Распределение биологических регуляторов в экосистемах и ландшафтах зависит от типа почвы, доступности воды и практики земледелия. Распределение нематод часто можно объяснить системой управления и степенью нарушенности почвы. Агрегированные популяции нематод (на площади 6-80 м²) наблюдали в почве, несмотря на гомогенизирующий эффект монокультуры.

В каждый промежуток времени, только небольшой набор видов является биологически активным, или активны только те виды, которые могут использовать доступные в настоящее время ресурсы.

Таким образом активность биологических регуляторов следует определенной динамике: их рост и размножение обычно следует за доступностью ресурсов, которая носит сезонный характер. Например, питающиеся бактериями простейшие и нематоды растут с максимальной скоростью в течение нескольких недель после добавления органического материала. Затем большинство простейших вступает в фазу отдыха, образуя цисты, в то время как другие группы организмов, могут иметь периоды с пониженной активностью, в виде яиц или нимф.

6.3. Инженеры экосистем (ecosystem engineers)

Инженеры экосистем – организмы, которые изменяют условия окружающей среды для других организмов механическим путем. Инженеры экосистем могут строить устойчивые органо-минеральные структуры и проделывать ходы в почве, перемешивая почву в ходе процесса, который называется биоперемешивание (биотурбация). Наиболее важными инженерами экосистем являются дождевые черви, термиты, муравьи и корни растений.

Дождевые черви

Размеры дождевых червей варьируются от нескольких мм до нескольких десятков сантиметров.

Они формируют значительную часть биомассы почвенной фауны (до 50% на некоторых пастбищах умеренных широт и до 60% в некоторых лесах умеренных широт).

Мировая фауна насчитывает по крайней мере 6 тыс. видов червей объединенных в 5 семейств. В Европе большинство червей относится к семейству Lumbricidae (220 видов).

Их численность широко варьируется, причем на пахотных почвах их численность может составлять 30-300 особей/ м², а биомасса - 110-1100 кг/га. Черви доминируют в почвенной фауне в регионах с выпадением не менее 800 мм осадков/год, причем предпочитают хорошо аэрируемые почвы с высокой влажностью.

Дождевые черви – растительноядные животные, которые питаются органическими растительными остатками и почвенными минералами, переваривают и усваивают определенные микроэлементы, и выделяют копролиты, которые обогащены бактериями, органическими веществами и питательными веществами, доступными для растений. Обширная система ходов глубиной до 1-2 м, позволяет улучшить аэрирование почвы и дренаж, что исключительно важно для повышения почвенного плодородия и продуктивности сельскохозяйственных культур. В течение одного года черви могут переработать 55-1125 т опада /га.

Черви могут быть подразделены на 3 основных группы: 1) эпигейные - живут в подстилке и питаются листовым опадом и компостом; 2) эндогейные – живут в в верхних слоях почвы и также питаются в почве в основном геофитами и 3) анейные – которые проводят большую часть своего времени в почве, в глубоких ходах, которые они проделывают, причем питаются подстилкой, которую они перемешивают с почвой. Эпигейные формы мало влияют на структуру почвы, в то время как анейные и эндогейные группы выполняют основные инженерные работы путем прокладывания ходов и перемешивания почвы.

Более того, в кишечнике червей живут многие активные почвенные микроорганизмы. В результате микробиальной активности выделения червей содержат высокие концентрации таких питательных веществ как NH⁺⁴ и P. Обычно жизненный цикл червя составляет один год, хотя только 20-30% популяции доживает до этого возраста.

Термиты

Небольшие насекомые размером 0,5-2 см, в зависимости от принадлежности к виду и касте. Все термиты социальны и живут в колониях, насчитывающих миллионы особей.

Известно 3 тыс. видов термитов, обитающих в основном в степях, саваннах и лесах тропического и субтропического регионов, причем 10 встречается в Европе. Они доминируют в почвенной фауне в сухих тропиках (с менее чем 800 мм осадков в год).

Термиты – социальные насекомые, обитающие в гнездах- термитниках, каждый из которых может населять до 1 млн. особей. При постройке гнезд, включающей создание разветвленной сети ходов на расстояние 20-30 м от купола, термиты перемещают частицы почвы из нижних слоев в верхние слои, таким образом перемешивая почву с растительными остатками, которые они используют в пищу.

Гнезда многих видов термитов представляют сложные структуры, которые построены из почвы, пережеванной целлюлозы, слюны и экскрементов. В них создается жилое пространство и поддерживается оптимальная влажность. В гнезде сеть туннелей и галерей позволяет особям перемещаться, кондиционировать воздух и контролировать кислородно- углеродный баланс.

Термиты растительноядны и играют ключевую роль в пищевых сетях. Термиты заметно влияют на процессы почвообразования в связи со значительными объемами перемещаемой почвы, а также путем выделения из кишечника копролитов, обогащенных населяющими их кишечник микроорганизмами. Они обычно питаются гниющими растительными остатками (включая древесину и навоз). Метаболизм бактерий в кишечнике термитов рассматривается как существенный фактор, способствующий выделению такого парникового газа как метан.

Муравьи

Как и термиты, муравьи – социальные насекомые размером 0,75-52 мм, которые живут семьями. Они могут представлять 15-25% биомассы наземных экосистем. Это может быть связано с исключительно разнообразными жизненными стратегиями и их способностью изменять местообитания и доступность ресурсов.

Описано более 12 тыс. видов муравьев, причем в Европе живет 200 видов.

Большинство муравьев является неспециализированными хищниками и некрофагами, но у некоторых выработались специализированные пути получения пищи (например, путем выращивания других насекомых или грибов в гнездах.

Некоторые виды муравьев в умеренных и бореальных лесах Евразии строят значительную часть своих гнезд над поверхностью земли используя органические материалы, собранные из окружающей почвы, тем самым увеличивая пространственную гетерогенность почвы для воды и доступных питательных веществ, равно как и для роста деревьев.

Продолжительность жизни муравьев очень вариабельна в зависимости от конкретного вида, она может варьироваться от нескольких месяцев до нескольких лет.

Изоподы

Они являются сапрофагами и инженерами экосистем, особенно в пустынных регионах. Средняя продолжительность жизни 2 года, но некоторые виды могут жить до 5 лет.

Корни растений

Корни – один из основных инженеров экосистем. Количество корней в почве может быть таким же, или даже превышать количество наземных частей растений. На поле занятом под усредненную злаковую культуру после сбора урожая в почве остается 2500-4500 кг корней/га (примерно 15-40% от наземной массы растений).

Корни выполняют две основные функции: поглощение воды и неорганических питательных веществ и заякоривание растений в земле. Корни разрыхляют почву, приводят к образованию почвенных комков и способствуют круговороту органических веществ.

Часть почвы, непосредственно примыкающая к корням (около 2 мм) называется ризосферой, является очень динамичной и богатой видами. Эта зона сильно отличается от других слоев почвы, поскольку корни поглощают питательные минеральные вещества и воду, и выделяют органические вещества в почву.

Почвенные организмы питаются выделениями (эксудатами) корней, и ими в свою очередь питаются другие организмы. Концентрация почвенных организмов в зоне ризосферы может быть в 500 раз выше по сравнению с другими зонами.

Продолжительность жизни корней различна, корневые волоски живут 1-2 дня, другие части корня могут жить несколько дней или недель.

Функциональная значимость и пространственно-временное распределение

В противоположность биологическим регуляторам, влияние экосистемных инженеров в основном осуществляется через не трофические отношения. Они способны перемещать почву и строить органо-минеральные структуры со специфическими физико-химическими свойствами. Экосистемные инженеры влияют на динамику экосистем через эти структуры непосредственно, изменяя или создавая местообитания, или косвенно - регулируя доступность ресурсов для других видов.

В Европейских почвах обычно встречается три вида структур.

1) Копролиты дождевых червей. Черви поглощают почву и ткани листьев чтобы экстрагировать питательные вещества и затем выделяют экскременты (копролиты) в виде гранул. Обычно эти гранулы очень малы и формируются эпигейными червями, в то время как глобулярные гранулы крупные и формируются эндогейными червями.

2) Ходы, прокладываемые дождевыми червями. Черви проделывают в почве галереи или ходы, причем при движении они покрывают стенки ходов мучнистыми выделениями (мукусом). Ходы могут быть полностью или частично заполнены копролитами.

3) Термитники/гнезда муравьев. Термиты и муравьи могут вносить большое количество органического вещества и питательных веществ в почву.

Экосистемные инженеры в основном изменяют физические свойства почвы, поскольку они создают устойчивые почвенные структуры и ходы, которые могут служить местообитанием для почвенных организмов меньшего размера. Инженеры поддерживают высокий уровень аэрации и пористости почвы, увеличивая долю стабильных агрегаций в почве. Например, большие вертикальные галереи анейных червей усиливают сток воды по почвенному профилю, усиливая перенос воды и питательных веществ, которые выщелачиваются в более глубокие почвенные горизонты. Сходным образом, муравьиные гнезда оказывают влияние на фильтрацию воды и содержание органического вещества.

Структуры, созданные экосистемными инженерами, могут служить местом протекания целого комплекса почвенных процессов (минерализации, де-нитрификации, азотфиксации, инфильтрации воды и воздуха), становясь центрами видового разнообразия и трансформации подстилки в местах, где возрастает доступность питательных веществ.

Преобразователи подстилки, такие как изоподы или многоножки, поедают мертвые растения и выделяют органические гранулы размером 0,1 мм.

Эти гранулы являются более влажными и более богатыми питательными веществами, чем окружающая почва, что способствует их колонизации микробиальными сапрофагами. На поверхности этих галерей находится 3-25% всей почвенной микрофлоры, причем галереи по объему составляют только 3%. Эти структуры являются инкубаторами микробиального пищеварения и существуют сравнительно короткое время. В результате экосистемные инженеры могут существенно увеличить минерализацию азота и стимулировать другие пути превращения азота, например, денитрификацию.

Активность экосистемных инженеров в целом повышает плодородие почвы и продуктивность растений, косвенно воздействуя на активность микробиальных сапрофагов и циклы питательных веществ, а также непосредственно влияя на физиологию растений.

Инженеры экосистем создают структуры, которые могут существовать намного дольше, чем сами организмы, которые их создали, что означает, что данная функциональная группа влияет на почвенные процессы в длительном временном диапазоне (табл. 4).

6.4. Сравнительные характеристики ключевых групп почвенных организмов

Ключевые группы различаются по ряду структурных и функциональных характеристик (табл. 4)

Таблица 4

Основные характеристики функциональных групп почвенных организмов