На развитие почвообразовательного процесса самое непосредственное влияние оказывают те природные условия, в которых он протекает, от того или иного их сочетания зависят его особенности и то направление, в котором этот процесс будет развиваться.
Важнейшими из этих природных условий, называемых факторами почвообразования, являются следующие: материнские (почвообразующие) породы, растительность, животный мир и микроорганизмы, климат, рельеф местности и возраст почв. К этим пяти основным факторам почвообразования (которые назвал еще Докучаев) сейчас добавляют действие вод (почвенных и грунтовых) и деятельность человека. Ведущее значение всегда имеет биологический фактор, остальные же факторы представляют собой лишь фон, на котором происходит развитие почв в природе, однако они оказывают большое влияние на характер и направление почвообразовательного процесса.
Почвообразующие породы.
Все существующие почвы на Земле произошли из горных пород, поэтому очевидно, что в процессе почвообразования они принимают самое непосредственное участие. Наибольшее значение имеет химический состав горной породы, поскольку минеральная часть любой почвы содержит в себе, в основном, те элементы, которые входили в состав материнской породы. Большое значение имеют и физические свойства материнской породы, поскольку такие факторы как гранулометрический состав породы, ее плотность, пористость, теплопроводность самым непосредственным образом оказывают влияние не только на интенсивность, но и на характер протекающих почвообразовательных процессов.
Климат. почвообразование антропогенный фактор почва
Климат играет огромную роль в процессах почвообразования, его влияние очень многообразно. Основными метеорологическими элементами, определяющими характер и особенности климатических условий, являются температура и осадки. Годовое количество поступающего тепла и влаги, особенности их суточного и сезонного распределения обуславливают совершенно определенные процессы почвообразования. Климат влияет на характер выветривания горных пород, воздействует на тепловой и водный режимы почвы. Движение воздушных масс (ветер) влияет на газообмен почвы и захватывает мелкие частички почвы в виде пыли. Но климат оказывает влияние на почву не только непосредственно, но и косвенно, поскольку существование той или иной растительности, обитание тех или иных животных, а также интенсивность микробиологической деятельности обусловлена именно климатическими условиями.
Растительность, животные и микроорганизмы.
Растительность.
Значение растительности в почвообразовании чрезвычайно велико и многообразно. Пронизывая корнями верхний слой почвообразующей породы, растения извлекают из ее нижних горизонтов питательные вещества и закрепляют их в синтезированном органическом веществе. После минерализации отмерших частей растений заключенные в них зольные элементы отлагаются в верхнем горизонте почвообразующей породы, создавая этим благоприятные условия для питания следующих поколений растений. Так, в результате постоянного создания и разрушения органического вещества в верхних горизонтах почвы, приобретается наиболее важное для нее свойство - накопление, или концентрация элементов зольной и азотной пищи для растений. Это явление называется биологической поглотительной способностью почвы.
Вследствие разложения растительных остатков в почве накапливается перегной, имеющий огромное значение в плодородии почвы. Растительные остатки в почве являются необходимым питательным субстратом и важнейшим условием развития многих почвенных микроорганизмов.
В процессе распада органического вещества почвы выделяются кислоты, которые, воздействуя на материнскую горную породу, усиливают ее выветривание.
Сами растения в процессе своей жизнедеятельности выделяют своими корнями различные слабые кислоты, под влиянием которых труднорастворимые минеральные соединения частично переходят в растворимую, а, следовательно, в усвояемую растениями форму.
Кроме того, растительный покров существенно изменяет микроклиматические условия. Например, в лесу, по сравнению с безлесными территориями, понижена летняя температура, увеличена влажность воздуха и почв, уменьшена сила ветра и испарение воды над почвой, накапливается больше снега, талых и дождевых вод - все это неизбежно отражается на почвообразовательном процессе.
Микроорганизмы.
Благодаря деятельности населяющих почву микроорганизмов происходит разложение органических остатков и синтез содержащихся в них элементов в соединения, поглощаемые растениями.
Высшие растения и микроорганизмы образуют определенные комплексы, под воздействием которых формируются различные типы почв. Каждой растительной формации соответствует определенный тип почв. Например, под растительной формацией хвойных лесов никогда не сформируется чернозем, который образуется под воздействием лугово-степной растительной формацией.
Животный мир.
Важное значение для почвообразования имеют животные организмы, которых в почве очень много. Наибольшее значение имеют беспозвоночные животные, живущие в верхних почвенных горизонтах и в растительных остатках на поверхности. В процессе своей жизнедеятельности они значительно ускоряют разложение органических веществ и часто производят весьма глубокие изменения в химических и физических свойствах почвы. Большую роль играют и норные животные, такие как кроты, мыши, суслики, сурки, и пр. Многократно перерывая почву они способствуют смешиванию органических веществ с минеральными, а также повышению водо- и воздухопроницаемости почвы, что усиливает и ускоряет процессы разложения в почве органических остатков. Также они обогащают почвенную массу продуктами своей жизнедеятельности.
Растительность служит пищей для различных травоядных животных, поэтому, прежде чем попасть в почву, значительная часть органических остатков подвергается существенной переработке в пищеварительных органах животных.
Рельеф.
Рельеф оказывает косвенное влияние на формирование почвенного покрова. Его роль сводится, в основном, к перераспределению тепла и увлажнения. Значительное изменение высоты местности влечет за собой существенные изменения температурных условий (с высотой становится холоднее). С этим связано явление вертикальной зональности в горах. Сравнительно небольшие изменения высоты сказываются на перераспределении атмосферных осадков: пониженные участки, котловины и западины всегда в большей мере увлажняются, чем склоны и повышения. Экспозиция склона определяет количество поступающей на поверхность солнечной энергии: южные склоны получают больше света и тепла, чем северные. Таким образом, особенности рельефа изменяют характер воздействия климата на процесс почвообразования. Очевидно, что в различных микроклиматических условиях процессы почвообразования будут идти по-разному. Большое значение в формировании почвенного покрова имеет и систематический смыв и перераспределение атмосферными осадками и талыми водами мелкоземельных частичек по элементам рельефа. Велико значение рельефа в условиях обильного выпадения осадков: участки лишенные естественного стока излишней влаги, очень часто подвергаются заболачиванию.
Наряду с зелеными растениями большую роль в почвообразовательном процессе играют микроорганизмы. Это преимущественно одноклеточные, лишенные хлорофилла организмы, которые не способны к непосредственному усвоению солнечной энергии и в подавляющем большинстве черпают необходимую им энергию путем разложения уже готовых органических веществ, созданных высшими зелеными растениями.
Таким образом, деятельность микроорганизмов противоположна деятельности зеленых растений: в то время как зеленые растения синтезируют органическое вещество из минеральных соединений, воды и углекислоты, низшие организмы разлагают это органическое вещество на составные части, используя выделяющуюся при этом энергию для своей жизнедеятельности.
Микроорганизмы распространены в природе почти повсеместно. Они встречаются в почве и воздухе, на высоких горах и голых скалах, в пустыне и в глубинах Ледовитого океана.
Развитие микроорганизмов в почве тесно связано с органическим веществом: чем богаче почва растительными остатками, тем больше микроорганизмов содержится в ней. Особенно богаты ими культурные, хорошо обрабатываемые и удобряемые навозом почвы.
В 1 г дерново-подзолистых почв содержится 300-400 млн. бактерий; каштановых почв - 1-1,5 млрд.; черноземов, очень богатых органическим веществом, - 2-3 млрд. Несмотря на ничтожно малый размер микроорганизмов, общий вес их в почве нередко достигает 1-3 т на 1 га.
Микроорганизмы неравномерно распределены в почвенной толще. Наиболее богаты ими верхние слои почвы в пределах примерно 30-40 см, с глубиной число микроорганизмов постепенно уменьшается.
Большое влияние на распределение микрофлоры в почве оказывает корневая система растений. Она постоянно выделяет в окружающую среду различного рода органические и минеральные соединения, которые служат хорошим источником питания для микроорганизмов. В прикорневой зоне растений обычно создаются наиболее благоприятные для микроорганизмов водный и воздушный режимы. Эта прикорневая зона называется ризосферой. В ней число микроорганизмов в сотни, а иногда в тысячи раз больше, чем вне зоны расположения корней. Микроорганизмы покрывают корневую систему растений почти сплошным слоем. Обилие микрофлоры в ризосфере и во всей почвенной толще играет большую роль в развитии почвенного плодородия .
К мироогранизмам относят бактерий, которые делятся на:
- автотрофные бактерии, они поглощают углерод из углекислоты, используя энергию окисления некоторых минеральных соединений (хемоавтотрофы);
Гетеротрофные бактерии, они используют энергию Солнца, осуществляя фотосинтез (фотоавтотрофы).
Азотосодержащие органические соединения в результате процесса аммонификации под влиянием разложения бактериями образуют аммиак. Он может частично поглощаться почвой, преобразовываясь в нитраты или же в молекулярный азот. В процессе нитрификации аммиак первоначально превращается в азотистую кислоту, а позже в азотную. Азотная кислота, соединяясь с основаниями, находящимися в почве, дает нитраты, которые используются растениями в качестве азотной пищи.
Большое значение в повышении плодородия почв принадлежит азотофиксирующим бактериям. Они делятся на:
1 свободноживущие бактерии, которые участвуют в разложении органического вещества до минерального;
2 клубеньковые бактерии, которые заселяют клетки на корнях бобовых растений (клевер, фасоль), в результате действия которых происходит микробиологическое накапливание азота из атмосферы;
3 гетеротрофные бактерии, которые поглощают углерод из готовых органических соединений, разлагая сложные соединения на простые. В связи с их деятельностью разрушается мертвое органическое вещество с образованием минеральных веществ (редуценты). В результате биохимических превращений азот, содержащийся в белках органических веществ, под влиянием гетеротрофных бактерий становится доступным усвоению растениями.
Микроорганизмы, разлагающие органические остатки в почве, разделяются на три основные группы: аэробные бактерии, анаэробные бактерии и грибы.
Аэробные бактерии могут жить и размножаться только при свободном доступе воздуха. Недостаточное поступление воздуха угнетающе действует на жизнедеятельность этих бактерий, а полное прекращение доступа воздуха вызывает гибель.
Анаэробные бактерии развиваются без доступа свободного кислорода. Анаэробы разделяются на:
а) облигатные анаэробы (лат. obligatus - обязательный, непременный), которые могут жить только при полном отсутствии кислорода;
в) факультативные анаэробы (pfacultatif - возможный, необязательный), способные жить как в отсутствие кислорода, так и в присутствии его.
Для дыхания анаэробные бактерии используют кислород различных окисленных соединений, производя при этом восстановительную работу. Поэтому восстановительные процессы весьма характерны для анаэробных почвенных условий.
В рыхлых, хорошо проветриваемых почвах всегда преобладает аэробный процесс разложения органического вещества. Наоборот, в почвах уплотненных, тяжелых или заболоченных, со сплошным залеганием органического вещества неизбежно будут доминировать анаэробные процессы. В верхних слоях почвы, куда свободно проникает воздух, идут главным образом аэробные процессы, в нижних слоях с затрудненным газообменом - анаэробные. Больше того, в каждом отдельном, более или менее уплотненном, комочке почвы могут одновременно протекать оба процесса: внутри комочка анаэробный, в поверхностных частях аэробный.
Аэробный процесс сопровождается выделением тепловой энергии, анаэробный протекает без заметного повышения температуры.
Благоприятные условия для культурных растений могут быть созданы в почве только при одновременном развитии аэробного и анаэробного процессов, что возможно только в рыхлых почвах, с хорошей аэрацией .
Глава 2. ФАКТОРЫ ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ. ОБЩАЯ СХЕМА ПОЧВООБРАЗОВАТЕЛЬНОГО ПРОЦЕССА
§1. Понятие о факторах почвообразования
Под факторами почвообразования понимаются внешние по отношению к почве компоненты природной среды, под воздействием и при участии которых формируется почвенный покров земной поверхности. Впервые эту тесную причинную взаимосвязь между природными условиями, характером почвообразования и свойствами почвы установил В.В.Докучаев. Он же и выявил основные факторы почвообразования, которыми являются: почвообразующие породы, климат, рельеф, живые организмы, хозяйственная деятельность человека и время. Перечисленные факторы в их разнообразном сочетании создают великое множество типов почв, их комбинаций, неповторимую мозаику почвенного покрова. В.В.Докучаев отмечал, что все агенты-почвообразователи равнозначны и принимают равноправное участие в образовании почвы, отсутствие одного из них исключает возможность почвообразовательного процесса. На определенных стадиях или в специфических условиях развития почвы в качестве определяющего может выступать какой-либо один из факторов.
Почвообразующие породы. Значение почвообразующей, или материнской, породы как фактора почвообразования заключается в том, что она является тем исходным материалом, из которого формируются почвы, и той средой, где проявляется деятельность живых организмов. Однако почвообразующая порода не есть инертный скелет почвы. Она принимает прямое участие в развивающихся на ней процессах, обусловливая гранулометрический, минералогический и химический состав почв и влияя тем самым на физические, физико-химические, водно-воздушные свойства, тепловой, питательный и водный режимы почвы. Все эти свойства непосредственно влияют на скорость, направленность и характер почвообразовательных процессов: минерализацию и гумификацию растительных остатков, скорость накопления и передвижения веществ в почвенной толще, а также на формирование и уровень почвенного плодородия.
В одних и тех же природных условиях, но на различных почвообразующих породах могут формироваться совершенно разные почвы. Так, например, в таежно-лесной зоне на алюмосиликатной морене формируются малоплодородные, подзолистые почвы, а на карбонатной морене – плодородные почвы с высоким содержанием гумуса, агрономически ценной структурой и благоприятной нейтральной реакцией. В этой же зоне на флювиогляциальных песках формируются бедные и сухие песчаные почвы, а на аллювии – пойменные дерновые, плодородные почвы.
По происхождению горные породы подразделяются на три группы:
1) магматические, образующиеся при внедрении в земную кору или извержении на поверхность магмы (основные – базальт, габбро; кислые – гранит; ультраосновные – перидонит, дунит);
2) осадочные горные породы, образующиеся путем механического или химического осаждения продуктов разрушения магматических и метаморфических пород, а также жизнедеятельности организмов;
3) метаморфические породы, образующиеся из ранее существовавших пород под воздействием факторов метаморфизма (высоких температур, давления, действия газов). Наиболее распространены сланцы, филлиты, гнейсы, кварциты, мраморы.
На большей части Земли почвы сформировались на осадочных породах. Они покрывают около 75 %поверхности континентов. По генетическим признакам среди осадочных горных пород выделяют: обломочные, или механические, химические и органогенные.
Механические, или обломочные, отложения образовались при механическом измельчении (дроблении) различных горных пород под влиянием термического выветривания, а также разрушения их ледниками и снеговыми водами.
Элювий – продукты выветривания, остающиеся на месте их образования. Этот материал состоит из обломков разного размера. В условиях горного рельефа элювий встречается на повышениях. Почвы, образующиеся на элювиальных отложениях, характеризуются низким плодородием, малой мощностью, а также щебнистостью и каменистостью.
Делювий – это рыхлые продукты выветривания, переносимые временными незначительными водными потоками, стекающими вниз по склонам во время дождей и весеннего снеготаяния. Этот мелкозёмистый материал откладывается у основания и в нижней части склонов. На делювиальных отложениях формируются почвы довольно высокого плодородия.
Аллювий – отложения речных постоянных водных потоков. Эти отложения формируются в долинах рек во время паводков, характеризуются слоистостью и сортированностью. Могут быть разные по содержанию частиц – песчаные в околоречной части поймы и илистые в притеррасной части.
Озерные отложения – сапропель, озерные илы, мергель. Для них характерны глинистый, реже тонкопесчаный состав со значительным количеством ила, карбонатов или легкорастворимых солей. Формируются довольно плодородные почвы.
Болотные отложения состоят из торфа и болотногo ила.
Морские отложения встречаются в Прикаспийской низменности, на побережье северных морей. Эти породы сортированы, разного гранулометрического состава, слоисты и содержат соли. На морских отложениях образуются засоленные почвы.
Эоловые отложения образуются при переносе и отложении песчаного материала ветром. Песчаные наносы занимают большие территории в пустынях. Образуют такие формы рельефа, как дюны, барханы, бугры.
На обширных равнинах в основном распространены отложения четвертичного периода – ледниковые отложения , продукты выветривания различных пород, перемещенные и отложенные ледником. Они преобладают и в составе почвообразующих пород Беларуси и делятся на моренные, водно-ледниковые, озерно-ледниковые. Для морены характерны несортированность, неоднородный механический состав, завалуненность, обогащенность первичными минералами, красно-бурая, желто-бурая окраски. Водно-ледниковые отложения связаны с перемещением и переотложением моренного материала ледниковыми потоками за краем ледника. Характеризуются сортированностью, ровным рельефом, безвалунностью, бедны по химическому составу, преимущественно песчаные. Озерно-ледниковые являются отложениями мелководных приледниковых озер. Характерно большое содержание пылеватых фракций, безвалунность, богатство химического состава, суглинки и супеси по механическому составу, часто карбонатные, уплотненные, склонны к заболачиванию.
Лёссовидные суглинки и лёсс имеют различный генезис. Для них характерны палевая или буровато-палевая окраски, карбонатность, рыхлое сложение, они богаты по химическому составу, чаще легкие суглинки, склонны к размыванию и образованию оврагов.
Химические осадочные породы возникают путем отложения вещества на дне водоемов из растворов в результате химических реакций или изменения температуры воды. Карбонатные породы образуются на дне морей частично при осаждении из воды углекислой кальциевой соли, поступающей вместе с речной водой. Большая же часть углекислого кальция, осевшего на морском дне, является продуктом деятельности некоторых организмов. Так, в меловом периоде мезозойской эры происходило накопление залежей мела за счет микроскопических раковинных амеб (фораминифер и др.).
Органогенные породы состоят из продуктов жизнедеятельности животных и растений, а также из их неразложившихся остатков (торф). Многие карбонатные породы (известняки коралловые, ракушечные и др.) образуются с участием организмов, в скелетной или защитной части которых содержится карбонат кальция.
При оценке почв все материнские породы делят (рис. 2) на засоленные и незасоленные . Засоленными породами являются отложения давно высохших морских бассейнов или озер, на них могут развиваться засоленные почвы (солончаки, солонцы). На карбонатных породах развиваются почвы с нейтральной реакцией среды, способствующей накоплению гумуса в почве (дерново-карбонатные и др.).
Наиболее ценные почвообразующие породы – лёссы, лёссовидные суглинки и другие карбонатные породы (ледниковые и озерные отложения), а также аллювиальные суглинки в поймах рек. К менее ценным относятся бескарбонатные покровные суглинки, а к самым бедным – кварцевые пески (эоловые отложения).
Исходя из особенностей материнской породы, П.С.Косович (1911) сделал два вывода:
1. На одних и тех же породах могут формироваться разные почвы, если другие факторы почвообразования отличаются между собой. На суглинистой породе под травянистой растительностью формируется дерновая почва, под лесом – дерново-подзолистая или иная лесная почва.
2. Одни и те же почвы могут формироваться на разных породах, если иные факторы почвообразования одинаковы. Под смешанным хвойно-лиственным лесом на песчаных, супесчаных, суглинистых породах образуются дерново-подзолистые почвы.
Однако возможны исключения: чем активнее идет процесс почвообразования, тем слабее влияет горная порода, но в случае, если химический состав и физические свойства породы выражены резко (карбонатная порода), она оказывает длительное влияние.
Климат – многолетний режим погоды той или иной местности. В различных природных условиях климат подчиняется закону зональности. Он зависит от географической широты, высоты над уровнем моря, форм рельефа и удаленности от морей и океанов. Сильнее всего на почвообразование влияют температура, атмосферные осадки, ветер и влажность воздуха. Эти элементы в сочетании с другими факторами почвообразования обусловливают определенную закономерность в распространении почвенного покрова.
С климатом связано обеспечение почвы энергией – теплом и в значительной мере водой. От величины годового количества поступающего тепла и влаги, особенностей их суточного и сезонного распределения зависят активность биологических процессов и развитие почвообразовательного процесса.
Большое значение имеет характеристика климата по температурным показателям и условиям увлажнения. Выделяются следующие климатические группировки по показателям суммы температур выше 10 о С за вегетационный период: холодные полярные < 600 о, холодно-умеренные – 600 – 2000 о, тепло-умеренные – 2000 – 3800 о, теплые субтропические – 3800 – 8000 о, жаркие тропические > 8000 о . Эти группы климата располагаются в виде широтных поясов и называются почвенно-биотермическими поясами, которые характеризуется определенными типами растительности и почв. По условиям увлажнения выделяются климатические группировки: очень влажные – коэффициент увлажнения > 1,33, влажные гумидные – 1,00 – 1,33, полувлажные – 0 ,55 – 1 ,00, полусухие – 0,33 – 0,55, сухие аридные – 0,12 – 0,33, очень сухие – < 0,12. Коэффициент увлажнения (ГТК) – это отношение количества осадков к испаряемости. Обилие осадков способствует промыванию почвы и выносу в нижние горизонты легкорастворимых солей, в том числе и минеральных веществ, образующихся при разложении органических остатков. При засушливом климате эти соединения не только не выносятся, но, наоборот, способны накапливаться в верхних слоях почвы, приводя к её засолению.
Климат оказывает прямое и косвенное влияние на характер почвообразовательного процесса. Прямое влияние связано с непосредственным воздействием на почву осадков, нагревания и охлаждения. Косвенное влияние климата проявляется через воздействие на растительность и животный мир.
Таким образом, климат сильно влияет на тепловой, воздушный и другие режимы почв. От сочетания температурных условий и увлажнения зависят тип растительности и состав фитоценозов, скорость образования и трансформации органического вещества, скорость ферментативных реакций, метаболическая и функциональная активность микробиоты, растений и животных, процессы ветровой и водной эрозии.
Рельеф. Влияние рельефа на почвообразовательный процесс главным образом косвенное, через перераспределение тепла и воды, которые поступают на поверхность суши. Значительное изменение высоты местности влечет за собой существенное изменение температурных условий и изменения в увлажнении. Воздушные массы, поднимаясь в горы, охлаждаются, что вызывает выпадение осадков, а воздух, перевалив через горы, опять нагревается и становится сухим. С этим связано явление вертикальной зональности климата, растительности и почв в горах.
Рельеф влияет на перераспределение солнечной энергии и осадков в зависимости от экспозиции, крутизны и формы склонов. Склоны разной крутизны и формы перераспределяют влагу, регулируют соотношение стекающих, просачивающихся и накапливающихся осадков. С повышенных элементов рельефа вода стекает по склонам и накапливается в понижениях. На вогнутом склоне вода собирается в почве, с выпуклого – стекает. Склоны разной экспозиции получают неодинаковое количество солнечной энергии. Южные склоны всегда более теплые и сухие, чем северные. В лучших условиях находятся юго-восточные склоны, которые прогреваются солнцем при влажной почве. Самые большие отличия температур наблюдаются летом и могут достигать на разных склонах 5 – 7 о С. Максимальные температуры наблюдаются на юго-западных склонах, так как солнце нагревает уже высохшую почву. Наветренные склоны получают больше влаги, чем подветренные. Все это создает различия в увлажнении и влияет на характер водного, питательного и воздушного режимов. Эти факторы создают различные условия для роста растительности, к отличиям в синтезе и разложении органического вещества, превращении почвенных минералов, что приводит к образованию разных почв в разных условиях рельефа.
Рельеф влияет и на интенсивность эрозии. При промывном водном режиме склоновые формы рельефа являются условием для возникновения водной эрозии почв, в засушливом климате равнинные формы благоприятствуют возникновению ветровой эрозии.
Различают три группы формы рельефа: макрорельеф – равнины, горные системы, плато, определяющие общий облик и влияющие на климат большой территории, мезорельеф – средние формы рельефа на общем фоне макрорельефа: холмы, овраги, долины, склоны, под воздействием которых формируется местный климат и определяется структура почвенного покрова в пределах конкретного ландшафта, микрорельеф – формы рельефа с колебаниями высот около 1 м: бугорки, кочки, западины, блюдца, создающие пятнистость почвенного покрова.
Биологические факторы . Ведущая роль в почвообразовании и формировании плодородия почв принадлежит растениям, микроорганизмам и животным. Каждая из этих группировок выполняет свою роль, но только при их совместной деятельности материнская порода превращается в почву.
Роль растений в формировании почв многогранна. Во-первых, зеленые растения синтезируют органическое вещество. После завершения жизненного цикла растений часть биомассы в виде корневых остатков и наземного опада ежегодно возвращается в почву. В верхних горизонтах идут процессы трансформации органического вещества и накапливаются элементы питания, развивается почвенный профиль и формируется почвенное плодородие. Для каждой природной зоны характерны специфические сочетания травянистой, кустарниковой и древесной растительности, которые сильно различаются как по продуктивности, так и по соотношению и количеству химических элементов в растительном материале. Поэтому роли древесной и травянистой растительности в процессах почвообразования существенно отличаются.
В лесах общая биомасса наибольшая, однако ежегодный прирост, а следовательно, и опад в них значительно меньше, чем в луговых степях, где основным источником органического вещества является масса отмирающих корневых систем и в меньшей степени надземная масса. Опад древесной растительности попадает преимущественно на поверхность почвы, тогда как травянистой – в почву, что предотвращает его потери и обусловливает лучшее и более быстрое взаимодействие с минеральной частью почвы и микроорганизмами. Хвойный опад в силу своих химических особенностей (малая зольность в сочетании с небольшим количеством кальция, содержание большого количества трудноразлагаемых соединений типа лигнина, дубильных веществ, смол) очень медленно подвергается разложению, преимущественно грибной микрофлорой. Формируется грубый гумус фульватного типа. Опад травянистой растительности характеризуется более тонкой структурой, меньшей механической прочностью, высокой зольностью (10 – 12 %), богатством азотом и основаниями, быстро разлагается, в основном бактериями. Формируется «мягкий» насыщенный кальцием гумус преимущественно гуматного типа. Эти факторы являются причиной низкого плодородия лесных почв, тогда как биомасса, возвращающаяся в почву в луговых фитоценозах, формирует мощный гумусовый горизонт и плодородную почву.
Процесс почвообразования под хвойными лесами в условиях промывного водного режима чаще всего идет по типу подзолообразования . Формирующиеся почвы характеризуются высокой кислотностью, малой гумусностью, ненасыщенностью основаниями, низким содержанием питательных элементов, пониженной биологической активностью и низким уровнем плодородия (подзолистые, дерново-подзолистые). Почвообразовательный процесс, протекающий под влиянием травянистой растительности, называется дерновым. В результате такого процесса формируются почвы с высоким содержанием гумуса, насыщенные кальцием, с нейтральной или близкой к нейтральной реакцией среды, богатые питательными веществами, отличаются высоким естественным плодородием (черноземы, дерновые и различные луговые почвы). Под покровом смешанных и широколиственных лесов формируются серые лесные или бурые лесные почвы с менее кислой реакцией, чем у подзолистых почв, возрастает степень насыщенности основаниями, повышается содержание азота, увеличивается плодородие.
Благодаря корневым выделениям растения усиливают процесс разрушения и трансформации труднорастворимых минералов и способствуют образованию в почвенной толще легкоподвижных соединений. Все это есть результат прямого влияния растительности на почвообразовательный процесс. Косвенное влияние на почву проявляется в изменении теплового и водного режима.
Существенную роль в почвообразовании играет многочисленная и разнообразная почвенная фауна. Это простейшие (жгутиковые, инфузории, корненожки), беспозвоночные (членистоногие (клещи, ногохвостки и др.), дождевые черви), насекомые (жуки, муравьи и др.), позвоночные (грызуны). Они измельчают органические остатки, изменяют их химические и физические свойства, ускоряя их разложение. Животные, живущие в почве, проделывая различные ходы и, смешивая органические и минеральные вещества, повышают воздухо- и водопроницаемость почвы, формируют структуру почвы.
Совершенно своеобразную и исключительно важную роль в процессах почвообразования играют микроорганизмы, которые являются основными разрушителями мертвого органического вещества до простых конечных продуктов (вода, газы, минеральные соединения). Микроорганизмы участвуют в образовании солей из органоминеральных комплексов, в разрушении и новообразовании минералов, в передвижении и аккумуляции продуктов почвообразования. Микроорганизмы являются важным фактором биологического круговорота веществ, их метаболическая активность влияет на процессы трансформации органической массы, регулирует питательный и воздушный режим почвы, обусловливает развитие почвенного плодородия. По количеству, видовому составу микроорганизмов судят о биологической активности почв, запасах органического вещества, содержании питательных элементов, воздухо- и влагообеспеченности. Наибольшее количество их в черноземных почвах, наименьшее – в почвах тундры. Каждому типу почв свойственно свое специфическое профильное распределение микроорганизмов, основная масса сосредоточена в верхних гумусовых слоях в пределах 25 – 35 см. Биомасса грибов и бактерий в пахотном слое составляет 3 – 5 т/га, численность бактерий достигает 5 – 8 млрд. КОЕ/г почвы, актиномицетов – десятки миллионов в грамме почвы, длина грибных гиф – до 1000 м/га.
Различные группы микроорганизмов дифференцированно влияют на почвообразование. Бактерии – наиболее распространенная группа, осуществляющая разнообразные превращения органического вещества в почве, активно разлагая богатые белком остатки, и фиксацию газообразного азота. По потребности в свободном кислороде воздуха выделяются аэробные, анаэробные и факультативные, по способу питания – автотрофные и гетеротрофные бактерии. Автотрофные бактерии по способу получения энергии делятся на фотосинтезирующие и хемосинтезирующие (нитрифицирующие, серобактерии, железобактерии) . Гетеротрофные бактерии для питания используют готовое органическое вещество, под их влиянием происходят важнейшие процессы почвообразования – разложение органических остатков и биосинтез гумуса. Актиномицеты и грибы разлагают клетчатку, лигнин, воски, смолы, активно участвуют в образовании гумуса.
Водоросли – автотрофные фотосинтезирующие организмы, участвуют в процессах выветривания и первичном почвообразовательном процессе. Лишайники – симбиотические организмы, гифами внедряются в горные породы, в результате начинается более интенсивное биологическое выветривание и первичное почвообразование, образуются примитивные почвы.
Возраст. Поскольку природный процесс почвообразования совершается во времени, то возраст почв имеет большое значение в их эволюции. Само время не может изменить характер почвообразования, но эффект воздействия каждого фактора или их совокупности проявляется именно во временном аспекте. Таким образом, почва как природно-историческое тело имеет возраст. Различают абсолютный и относительный возраст почв. Абсолютный возраст – это время, прошедшее от начала формирования почвы до стадии ее развития. Чем раньше территория освободилась от моря или ледника и, следовательно, чем раньше материнская порода этой местности стала подвергаться разрушению, тем больший возраст будут иметь почвы. И наоборот, молодыми будут почвы, где почвообразовательный процесс начался относительно позже. Наиболее древние – это почвы южных широт (Южной Америки, Юго-Восточной Азии – 2 – 30 млн. лет), более молодые – средних и северных широт (10 тыс. лет), самыми молодыми являются почвы на аллювиальных отложениях по берегам рек, на отмелях. Относительный возраст характеризует различия в скорости почвообразования почв одной территории с одинаковым абсолютным возрастом в зависимости от рельефа и характера материнских пород, от целенаправленного воздействия антропогенного фактора. Поэтому они могут быть на разных стадиях развития.
Производственная деятельность человека. Пути и способы воздействия на почву чрезвычайно разнообразны. Механическая обработка тяжелыми сельскохозяйственными машинами, внесение органических и минеральных удобрений, средств защиты растений, осушение и орошение, техногенные нарушения – все это приводит к изменению физических, химических, биологических и даже морфологических свойств, причем эти изменения происходят гораздо быстрее, чем в естественных условиях. Меняются водный, воздушный, пищевой режим обрабатываемых почв. В целом деятельность человека направлена на создание культурных высокоплодородных почв там, где их естественное плодородие невелико, и поддержание высокой продуктивности почв с высоким плодородием, которое исчерпаемо. Если же производственная деятельность осуществляется без учета условий развития и свойств почв, то возникают такие отрицательные последствия, как засоление, эрозия, заболачивание, загрязнение, дегумификация почв и т.д.
Все факторы почвообразования оказывают специфическое действие на почву и не могут быть заменены друг другом, т.е. они равнозначны. Каждый из них играет свою роль в процессах обмена материей и энергией между почвой и окружающей средой. Однако ведущим фактором в образовании почв следует всё же считать биологический. Кроме того, сама почва оказывает определенное влияние на факторы почвообразования, вызывая в них те или иные изменения.
§2. Геологический и биологический круговороты веществ
Образование и жизнь почвы неразрывно связаны с процессами круговорота веществ. До появления зеленых растений на планете происходили различные геологические процессы и существовал геологический круговорот веществ, который представляет собой совокупность процессов обмена веществом между сушей и морем и состоит из:
1) континентального выветривания горных пород, в результате чего образуются подвижные соединения; 2) переноса этих соединений с суши в моря и океаны; 3) отложения осадочных пород на дне океанов морей с их последующим преобразованием; 4) нового выхода морских осадочных и метаморфических пород на дневную поверхность.
Геологический круговорот идет миллионы и миллиарды лет, охватывает до нескольких километров литосферы. Движущей силой его является выветривание. Процесс механического разрушения и химического изменения горных пород и составляющих их минералов под воздействием атмосферы, гидросферы и биосферы называется выветриванием. На горную породу совместно воздействуют живые организмы, атмосферная вода, газы и температура. Все эти факторы оказывают на нее разрушающее действие одновременно. В зависимости от преобладающего фактора различают три формы выветривания: физическое, химическое и биологическое.
Физическое выветривание – это механическое разрушение горных пород на обломки различной величины без изменения химического состава образующих их минералов. Главный фактор физического выветривания - колебание суточных и сезонных температур, действие замерзающей воды, ветра. При нагревании происходит расширение минералов, входящих в горную породу. А поскольку различные минералы имеют разные коэффициенты объемного и линейного расширения, возникают местные давления, разрушающие породу. Этот процесс происходит в местах контакта различных минералов и пород. При чередовании нагревания и охлаждения между кристаллами образуются трещины. Проникая в мелкие трещины, вода создает такое капиллярное давление, при котором даже самые твердые породы разрушаются. При замерзании вода увеличивает эти трещины. В условиях жаркого климата в трещины попадает вода вместе с растворенными солями, кристаллы которых также разрушающе действуют на породу. Таким образом, в течение длительного времени образуется множество трещин, приводящих к ее полному механическому разрушению. Разрушенные породы приобретают способность пропускать и удерживать воду. В результате раздробления массивных пород сильно увеличивается общая поверхность, с которой соприкасаются вода и газы. А это обусловливает протекание химических процессов.
Химическое выветривание приводит к образованию новых соединений и минералов, отличающихся по химическому составу от минералов первичных. Факторы этого вида выветривания – вода с растворенными в ней солями и углекислым газом, а также кислород воздуха. Химическое выветривание включает следующие процессы: растворение, гидролиз, гидратацию, окисление. Растворяющее действие воды усиливается с повышением температуры. Если в воде содержится углекислый газ, то в кислой среде минералы разрушаются быстрее. В результате выветривания магматических пород получаются остаточные образования, переотложенные осадки и растворимые соли.
До возникновения жизни на Земном шаре разрушение горных пород шло только двумя вышеназванными путями, но с появлением органической жизни возникли новые процессы выветривания – биологические.
Биологическое выветривание – это механическое разрушение и химическое изменение горных пород под воздействием живых организмов и продуктов их жизнедеятельности. Этот вид выветривания связан с почвообразованием. Если при физическом и химическом выветривании происходит только превращение магматических горных пород в осадочные, то при биологическом выветривании образуется почва, и в ней накапливаются элементы питания для растений и органическое вещество.
В почвообразовательном процессе участвуют бактерии, грибы, актиномицеты, зеленые растения, а также различные животные. Многочисленные микроорганизмы, особенно хемосинтезирующие, разлагают горные породы. Так, нитрифицирующие бактерии образуют сильную азотную кислоту, а серобактерии – серную кислоту, которые энергично разлагают алюмосиликаты и другие минералы. Силикатные бактерии, выделяя органические кислоты и углекислый газ, разрушают полевые шпаты, фосфориты и переводят калий и фосфор в доступную растениям форму. Водоросли (диатомовые, сине-зеленые, зеленые и др.), мхи и лишайники также разрушают горные породы.
Зеленые растения выделяют органические кислоты и другие биогенные вещества, которые взаимодействуют с минеральной частью, образуя сложные органо-минеральные соединения. Корневые системы избирательно усваивают зольные элементы, а после отмирания растений происходит накопление в верхних почвенных горизонтах азота, фосфора, калия, кальция, серы и других биогенных элементов. Кроме того, корни растений, особенно древесных, проникая в глубь горных пород по трещинам, оказывают давление на породы и разрушают их механически. Таким образом, под влиянием физического, химического и биологического выветривания горные породы, разрушаясь, обогащаются мелкоземом, глинистыми и коллоидными частицами, приобретают влагоемкость, поглотительную способность, становятся водо- и воздухопроницаемыми; в них накапливаются элементы питания растений и органическое вещество. Это приводит к возникновению существенного свойства почвы – плодородия, которого не имеют горные породы.
На фоне большого геологического круговорота веществ идет малый биологический круговорот веществ, который представляет собой обмен веществом в системе «почва – растение». Особенностью этого круговорота является избирательность поглощения организмами веществ, цикличность, непродолжительность, охватывает метровые слои литосферы, движущей силой является почвообразование. Биологический круговорот веществ лежит в основе сельскохозяйственного производства.
Круговороты веществ между собой взаимосвязаны, биологический идет на фоне геологического, поэтому вещества могут попадать из одного круговорота в другой. Для поддержания почвенного плодородия необходимо создавать такие условия, при которых биологический круговорот получал бы наиболее полное выражение, а геологический – ограничивался в своем проявлении.
§3. Общая схема почвообразовательного процесса
Почвообразовательный процесс – это совокупность явлений превращения и передвижения веществ и энергии, протекающих в почвенной толще (А.А.Роде). Почвообразование начинается с момента поселения живых организмов на скальных породах или продуктах их выветривания. Любой почвообразовательный процесс, по А.А.Роде, слагается из совокупности элементарных почвообразовательных процессов (ЭПП) первого и второго порядка. К ЭПП первого порядка, или общим почвообразовательным процессам, относятся:
1) синтез органического вещества ↔ разрушение и минерализация органического вещества;
2) синтез вторичных минералов и органоминеральных комплексов ↔ разрушение минеральных соединений;
3) биологическая аккумуляция элементов ↔ вымывание минеральных и органических соединений;
4) поступление в почву влаги ↔ расход влаги из почвы;
5) поступление на поверхность почвы лучистой энергии и нагревание ↔ излучение почвой энергии и охлаждение.
Первых три пары элементарных процессов обусловливают пищевой, четвертая пара – водный, пятая пара – тепловой режимы почвы. Почвообразовательный процесс качественно одинаков во всех почвах, но количественно (скоростью протекания) различается, т.е. в разных почвах процесс почвообразования различен, и даже в одной и той же почве на разной глубине он идет по-разному. Поэтому всякая почва представляет собой ряд последовательно сменяющих друг друга по вертикали генетических горизонтов – слоев, на которые разделяется материнская порода в процессе почвообразования. Вся совокупная последовательность горизонтов называется почвенным профилем . Горизонты называются генетическими, поскольку связаны общностью происхождения.
ЭПП имеют свои особенности на разных этапах возникновения и развития почвы, что позволяет говорить о ряде стадий почвообразовательного процесса. Генезис любой почвы состоит из трех последовательных стадий:
1) начальное почвообразование (первичный почвообразовательный процесс). Он совпадает с поселением на горной породе первых живых организмов, характеризуется низкой активностью и объемом биологического круговорота, активными небиологическими ЭПП первого порядка (растворение, осаждение, гидратация, диффузия и др.), слабой связью этих процессов между собой, поэтому материнская порода на этой стадии не имеет ярко выраженных почвенных признаков, и профиль очень слабо разделяется на горизонты;
2) стадия развития почвы характеризуется увеличением активности и объема биологического круговорота через деятельность высших растений, накапливаются питательные вещества. Поэтому интенсивность и направление развития процессов почвообразования зависит здесь в первую очередь от характера растительности. На этой стадии преобладают ЭПП второго порядка, или частные почвообразовательные процессы (мезо- и макропроцессы). Под их влиянием формируются специфический вещественный состав почвы и ее физические свойства. К концу этой стадии процесс постепенно замедляется (приходит к некоторому равновесному состоянию), формируется зрелая почва с характерным профилем и комплексом свойств. Стадия развития может продолжаться сотни, тысячи и более лет.
К основным частным почвообразовательным процессам относятся:
● дерновый – процесс интенсивного гумусообразования и аккумуляции биогенных элементов. Развивается под многолетней травянистой растительностью в условиях умеренно влажного климата, наиболее интенсивно при непромывном типе водного режима на карбонатных породах в степной зоне, где формируются обыкновенные черноземы. В лесостепи формируются типичные черноземы, в таежно-лесной зоне на заливных лугах речной поймы – дерновые пойменные, вне пойм на карбонатных породах – дерново-карбонатные, на бескарбонатных – дерново-подзолистые почвы;
● оподзоливание – процесс выноса из верхних горизонтов почвы продуктов разрушения первичных и вторичных минералов в нижележащие или грунтовые воды с относительным накоплением кремнезема. В чистом виде развивается под пологом хвойного леса с бедным травянистым покровом в условиях влажного климата при промывном типе водного режима на бескарбонатных породах и обусловливает образование подзолистых почв;
● лессиваж – связанный с оподзоливанием сложный процесс выноса илистых веществ без разрушения в виде суспензий из верхних горизонтов с их накоплением в нижних. Протекает под лиственными лесами;
● болотный – развивается под влиянием болотной растительности в условиях постоянного избыточного увлажнения с протеканием процесса торфообразования и оглеения. В условиях Беларуси в результате болотного процесса образуются болотно-подзолистые, торфяно-болотные, дерновые и дерново-подзолистые заболоченные, аллювиальные болотные. Процесс протекает в анаэробных условиях при обязательном участии грибов и бактерий;
● торфообразование – биохимический процесспреобразования и консервации органических остатков при их незначительной гумификации и минерализации, ведущий к образованию поверхностных горизонтов торфа различной степени мощности;
● оглеение – процесс биохимического восстановления соединений железа и марганца, сопровождающийся их переходом в подвижную форму при переувлажнении почв в анаэробных условиях при участии микроорганизмов. Почва приобретает голубоватый, сизый, зеленоватый оттенки и, если окраска характерна для всего горизонта, то такой горизонт называется глеевым, если окраска только пятнами – глееватым;
● латеритный – процесс накопления в почве соединений железа и алюминия и выщелачивания кремнезема в условиях влажного и теплого климата. На таких почвах идет также интенсивный дерновый процесс с образованием краснозёмов и желтозёмов в субтропиках и ферраллитных почв во влажных тропиках;
● солонцовый – процесс накопления в почвенном профиле легкорастворимых солей (хлоридов, сульфатов и др.) при выпотном типе водного режима в условиях минерализованных грунтовых вод или засоленных почвообразовательных пород. Образуются солончаки, при рассолении – солонцы, при дальнейшем промывании – солоди;
3) стадия равновесного функционирования (сформированной почвы) наступает тогда, когда по главным параметрам (количество гумуса, мощность генетических горизонтов, количество основных элементов питания и др.) достигается динамическое равновесие с существующим комплексом факторов почвообразования, длится неопределенно долго. На этой стадии биологический круговорот протекает так, что каждый следующий цикл практически повторяет предыдущий. Все микро-, мезо- и макропроцессы согласованы во времени и пространстве и формируют сложный биогеохимический круговорот, который способствует возобновлению природных свойств почвы.
§4. Морфологические признаки почв как отражение процессов их формирования и развития
В процессе развития почва приобретает ряд внешних, или морфологических, признаков, которыми она отличается от материнской породы. Они указывают на направление и степень выраженности почвообразовательного процесса. К таким признакам относятся: 1) строение и мощность профиля; 2) характер перехода горизонтов; 3) вскипание от 10 % НСl; 4) гранулометрический состав; 5) окраска; 6) влажность; 7) структура; 8) сложение; 9) новообразования и включения.
Строение и мощность почвенного профиля. Каждый почвенный тип имеет определенную вертикальную последовательность генетических горизонтов, вся совокупность которых называется почвенным профилем. Формирование горизонтов связано с передвижением различных веществ (восходящий или нисходящий ток) по почвенной толще и послойным распределением живых организмов. Генетические горизонты представлены однородными горизонтальными слоями почвы, различающимися между собой морфологическими признаками, составом и свойствами. Каждый горизонт имеет свое название и обозначается начальными буквами латинского алфавита. Горизонт может подразделяться на подгоризонты, для обозначения которых и отражения их специфических свойств используют дополнительные цифровые и буквенные индексы.
Ниже приведена система выделения основных видов почвенных горизонтов.
А – гумусовый – поверхностный горизонт аккумуляции органического вещества, в нем накапливаются гумус и элементы питания. В зависимости от его характера выделяются:
А О – лесная подстилка, состоящая из разлагающегося лесного опада (листья, хвоя, ветки и т.д.);
А д – дернина – поверхностный горизонт, сильно переплетенный и скрепленный корнями травянистой растительности;
А 1 – гумусово-элювиальный горизонт, в котором наряду с накоплением гумуса происходит разрушение и частичное вымывание органических и минеральных веществ;
А пах – пахотный – поверхностный гумусовый горизонт, преобразованный периодической обработкой в земледелии.
В болотных почвах верхний горизонт состоит из торфа – массы полуразложившихся растений.
Т 1 – торфяной неразложенный – растительные остатки полностью сохранили свою исходную форму;
Т 2 – торфяной среднеразложенный – растительные остатки лишь частично сохранили свою форму в виде обрывков тканей;
Т 3 – торфяной разложенный – сплошная органическая мажущаяся масса без видимых следов растительных остатков;
ТА – торфяной минерализованный – пахотный торфяной горизонт, измененный осушением и обработкой.
А 2 – подзолистый (элювиальный) – горизонт интенсивного разрушения минеральной части почвы и вымывания продуктов разрушения. Он располагается под гумусовым горизонтом и имеет светлую окраску (серую, белесую, палевую); по происхождению может быть подзолистый (кислотный гидролиз минералов и вынос продуктов разрушения), осолоделый (щелочной гидролиз минералов). Под горизонтом А 2 (в подзолистых, серых лесных почвах, солодях) формируется горизонт В, отличающийся по своим свойствам от любого поверхностного горизонта.
В – иллювиальный горизонт, в который вмываются и где частично накапливаются продукты почвообразования. В зависимости от вмытых веществ различают следующие виды иллювиального горизонта:
B h – иллювиально-гумусовый горизонт кофейного цвета из-за содержания железисто-гумусовых веществ;
B f – иллювиально-железистый горизонт охристого или коричневого цвета, содержащий железистые продукты разрушения минеральной части верхнего горизонта;
В Са – иллювиально-карбонатный горизонт, часто содержащий карбонатные новообразования в виде рыхлого скопления карбонатов кальция.
В почвах без элювиального горизонта (в черноземах, каштановых почвах), в которых не проявляется вертикальное перемещение веществ, горизонт В называется переходным от гумусово-аккумулятивного к материнской породе.
G – глеевый горизонт – формируется в болотных и заболоченных почвах в условиях постоянного избыточного увлажнения. Он окрашен в сизоватые, голубоватые тона образующимися здесь закисными соединениями железа (II) и марганца. Отличается бесструктурностью и низкой пористостью.
В условиях временного избыточного увлажнения глееватость может проявляться и в других горизонтах профиля. В этом случае к основному индексу добавляют букву «g», например A 2 g , B g .
С – материнская горная порода – горизонт, слабо затронутый почвообразовательными процессами и не имеющий признаков описанных выше почвенных горизонтов.
D – подстилающая порода – выделяется в том случае, когда почвенные горизонты образовались на одной породе, а ниже лежит другая порода, отличающаяся литологическими свойствами.
Переход одного горизонта в другой в различных почвах может быть разным: резким, ясным, заметным или постепенным. Поэтому характер перехода между почвенными горизонтами в профиле имеет диагностическое значение и часто указывает на направление и интенсивность почвообразования.
Мощность почвы – это вертикальная протяженность ее горизонтов от поверхности до материнской породы. У различных типов почв средняя мощность колеблется от 40 – 50 до 100 – 150 см. В суровых природных условиях тундры почвообразовательный процесс может протекать только в верхней части пород, выше вечной мерзлоты, поэтому мощность всей почвы здесь незначительна (20 –30 см). В степях под пышной травянистой растительностью мощность черноземов может достигать 200 – 300 см.
Мощность отдельных горизонтов характеризует генезис и агрономическую ценность почв. Так, мощный гумусовый горизонт свидетельствует о значительном развитии аккумуляции, слабом вымывании и, следовательно, о больших запасах питательных веществ. Бедность и низкая производственная ценность, например, подзолистых почв определяется по резко выраженному элювиальному горизонту, из которого вымыты элементы питания.
При полевых исследованиях можно выявить наличие карбонатов в почве и глубину их залегания с помощью 10 % НС1. Для этого на стенку почвенного разреза капают раствором кислоты и определяют глубину, с которой начинается вскипание, и ее интенсивность.
Окраска почвы имеет большое диагностическое значение, поскольку отражает ее химический и минералогический состав, является основой для деления почвенной толщи на горизонты. Все разнообразие почвенной окраски можно свести к трем основным цветам: черному, белому и красному.
Черная и темная окраска обусловлена содержанием гумуса: чем больше гумуса, тем темнее окраска почвы. При 9 – 12 % содержании гумуса почва черного цвета, при 4 – 6 % – темно-серого, темно-бурого или каштанового. Почвы с низким содержанием гумуса имеют окраску, свойственную почвообразующей породе. На интенсивность черного цвета будет сказываться и тип гумуса, почвы с одинаковым количественным содержанием гумуса с фульватным типом будут более светлые, чем почвы с гуматным типом. Некоторым почвам черную окраску придают темные первичные минералы, сульфиды, гидроксиды марганца.
Белая окраска и светлые тона других окрасок обусловлены присутствием в почве кварца, извести, гидратов глинозема и солей. Красный цвет почвы вызван накоплением оксидов железа (III). При большом его содержании почва имеет красную, ржавую или красно-бурую окраску, при небольшом – желтую или оранжевую. Сизоватые, голубоватые и зеленоватые тона окраски вызваны образованием соединений двухвалентного железа в анаэробных условиях при избыточном увлажнении. Почвы такого цвета относятся к глеевым или оглеенным. Неоднородная, пятнистая окраска - следствие чередования процессов окисления и восстановления. При описании морфологических признаков обычно указывают степень окраски (темно-бурая, светло-каштановая) или отмечают оттенок (белесая с желтоватым оттенком). Следует иметь в виду, что она зависит от влажности: влажная почва более темная, чем сухая. По влажности почва может быть сухая (пылит), свежая (холодит руку),влажная (при сжатии в руке чувствуется влага, прижатая к почве бумага намокает) и мокрая (течет вода). С количеством воды связаны все процессы, идущие в почве, и оттенок цвета.
Способность почвыраспадаться на отдельные агрегаты называется структурностью , а совокупность агрегатов – почвенной структурой. Различают почвы бесструктурные (механические элементы не соединены в агрегаты) и структурные. Бесструктурные почвы обладают многими неблагоприятными свойствами: низкой водо- и воздухопроницаемостью, при дождях заплывают, становятся вязкими, при высыхании быстро теряют влагу, сливаются в одну массу, трудно поддающуюся обработке. Структурной в агрономическом понятии являются почва, в которой преобладают (не меньше 55 %) агрегаты среднего размера (0,25 – 10 мм), характеризуется свойствами, противоположными бесструктурной почве.
По форме агрегатов выделяют три типа структуры:
1) кубовидная – агрегаты развиты одинаково по всем трем осям и напоминают куб, делится на ореховидную, комковатую, зернистую, глыбистую;
2) призмовидная – агрегаты развиты по вертикальной оси и напоминают призму, подразделяется на столбовидную и призматическую;
3) плитовидная – агрегаты развиты по горизонтальной оси, бывает плитчатой и чешуйчатой.
Агрономически более ценной является кубовидная структура, так как создает наиболее ценный водно-воздушный режим. Одним из главных условий образования структурной почвы является присутствие в ней достаточного количества илистых и коллоидных частиц и гумуса. Первые являются «клеем», вторые придают водопрочность почвенным агрегатам.
Каждому типу почв и даже каждому почвенному горизонту характерна своя структура. Для кислых почв присуща плитовидная структура, для щелочных – призмовидная, для нейтральных и близких к нейтральным – кубовидная.
Сложение – это внешние признаки характера пористости и степени плотности почв. Оно зависит от свойств материнской породы, гранулометрического состава, структуры почвы, а также деятельности почвенной фауны и корней растений. По степени плотности различают очень плотное, плотное, рыхлое и рассыпчатое сложение.
Рассыпчатое сложение свойственно лишенным гумуса песчаным почвам. При механическом воздействии, даже небольшом, для них характерна сыпучесть, т.е. распадаются на отдельные элементы.
Рыхлое сложение присуще суглинистым и глинистым почвам с хорошо выраженной структурой, а также верхним горизонтам песчаных и супесчаных почв, обогащенных гумусом. Такое сложение имеют пахотные горизонты после обработки их в спелом состоянии. Лопата в такие почвы входит легко.
Плотное сложение характерно для иллювиальных горизонтов большинства суглинистых и глинистых почв. При копании лопатой требуется значительное усилие.
Очень плотное, или слитое, сложение свойственно связным глинистым бесструктурным почвам, а также иллювиальным горизонтам некоторых солонцовых почв. Такие почвы копать лопатой невозможно, приходится применять лом или кирку.
Сложение почвы – важный агрономический признак, определяющий скважность и, следовательно, аэрируемость, водопроницаемость, а также сопротивление почвы при обработке.
Новообразования – это скопления веществ, отличающиеся от вмещающего их почвенного материала по составу и сложению. Они формируются в результате физических, химических и биологических почвообразовательных процессов. К химическим новообразованиям относят легкорастворимые соли, гипс, углекислую известь, соединения железа, кремнезем и другие вещества.
Легкорастворимые соли характерны для засоленных почв. Они встречаются в виде белых корочек на поверхности почвы или в форме налетов, прожилок, крупинок в толще профиля. Гипс встречается в каштановых, бурых, засоленных почвах и сероземах в виде белых, серых и желтоватых прожилок, скоплений кристаллов на поверхности почв. Новообразования CaCO 3 белого цвета встречаются в виде резко очерченных белых пятен, в виде плесени, плотных скоплений извести различной формы. Их определяют по вскипанию с 10 % раствором соляной кислоты.
Гидроксиды железа встречаются в подзолистых, дерново-подзолистых и заболоченных почвах в виде темно-бурых округлых твердых конкреций, пятен расплывчатой формы. Для песчаных почв характерны ортзанды – коричневые сцементированные прослойки гидроксида железа. Соединения железа сизоватого, голубоватого или зеленоватого цвета свойственны глееватым и глеевым почвам.
Кремнезем образует присыпку белого цвета на поверхности структурных отдельностей серых лесных почв, оподзоленных черноземов и солонцов
К новообразованиям биологического происхождения относят: копролиты – экскременты червей и личинок в виде склеенных водопрочных комочков; кротовины – ходы кротов, сусликов, сурков, хомяков, засыпанные почвой; корневины – следы сгнивших крупных корней; червороины – ходы червей; дендриты – темные отпечатки мелких корней в виде узора.
Каждая почва имеет свой особый набор новообразований с их специфическим положением в профиле
Включения – это различные предметы (обломки камней, валуны, куски кирпича, стекла, раковины, кости животных и др.), генетически не связанные с почвообразовательным процессом.
Биологический фактор почвообразования - В почвообразовании участвуют три группы организмов - зеленые растения, микроорганизмы и животные, составляющие сложные биоценозы.
Растительность. Растения являются единственным первоисточником органических веществ в почве. Основной функцией их как почвообразователей следует считать биологический круговорот веществ - синтез биомассы за счет углекислого газа атмосферы, солнечной энергии, воды и минеральных соединений, поступающих из почвы. Биомасса растений в виде корневых остатков и наземного опада возвращается в почву. Характер участия зеленых растений в почвообразовании различен и зависит от типа растительности и интенсивности биологического круговорота.
Все живые организмы на Земле образуют биологические сообщества (ценозы) и биологические формации, с которыми неразрывно связаны процессы образования и развития почв,
Учение о растительных формациях с точки зрения почвоведения было разработано В. Р. Вильямсом. В качестве основных критериев для разделения растительных формаций им были приняты такие показатели, как состав растительных группировок, особенности поступления в почву органического вещества и характер его разложения под воздействием микроорганизмов при различном соотношении аэробных и анаэробных процессов.
В настоящее время при изучении роли растительных ценозов в почвообразовании дополнительно учитывается характер и интенсивность биологического круговорота веществ; Это позволяет расширить учение о растительных формациях с точки зрения почвоведения и дать более детальное их разделение.
Согласно Н. Н. Розову, различают следующие основные группы растительных формаций:
- 1. деревянистая растительная формация: таежные леса, широколиственные леса, влажные субтропические леса и ливневые тропические леса;
- 2. переходная деревянисто - травянистая растительная формация: ксерофитные леса, саванны;
- 3. травянистая растительная формация: суходольные и заболоченные луга, травянистые прерии, степи умеренного пояса, субтропические кустарниковые степи;
- 4. пустынная растительная формация: растительность суббореального, субтропического и тропического почвенно - климатических поясов;
- 5. лишайниково - моховая растительная формация: тундра, верховые болота.
Для каждой группы растительных формаций, а внутри группы для каждой формации характерен определенный биологический цикл превращения веществ в почве. Он зависит от количества и состава органического вещества, а также от особенностей взаимодействия продуктов распада с минеральной частью почвы. Поэтому различия в растительности являются главной причиной почвенного многообразия в природе. Так, под широколиственным лесом и лугово - степной растительностью в одинаковых условиях климата и рельефа и на одних и тех же породах будут формироваться разные почвы. биоценоз почва растительный краснозем
Лесная растительность - это многолетняя растительность, поэтому ее остатки поступают в основном на поверхность почвы в виде наземного опада, из которого формируется лесная подстилка. Водорастворимые продукты разложения поступают в минеральную толщу почвы. Особенностью биологического круговорота в лесу является длительная консервация значительного количества азота и зольных элементов питания растений в многолетней биомассе и выключение их из ежегодного биологического круговорота. В различных природных условиях формируются разные типы леса, что и определяет характер почвообразовательного процесса, а следовательно, и тип формирующихся почв.
Травянистая растительность образует в почве густую сеть тонких корней, переплетающих всю верхнюю часть почвенного профиля, биомасса которых обычно превышает биомассу наземной части. Поскольку наземная часть травянистой растительности отчуждается человеком и поедается животными, то основным источником органического вещества в почве под травянистой растительностью являются корни. Корневые системы и продукты их гумификации оструктуривают верхнюю корнеобитаемую часть профиля, в которой постепенно формируется гумусовый горизонт, богатый элементами питания. Интенсивность процессов определяется природными условиями, так как в зависимости от типа травянистых формаций количество образующейся биомассы и интенсивность биологического круговорота различны. Поэтому в разных природных условиях под травянистой растительностью образуются различные почвы. Мохово - лишайниковая растительность характеризуется тем, что при большой влагоемкости имеет малую активность в биологическом круговороте. Это является причиной консервации отмирающих растительных остатков, которые при достаточной и избыточной влажности превращаются в торф, а при постоянном иссушении легко развеваются ветром.
Микроорганизмы. (Роль микроорганизмов в почвообразовании не менее значительна, чем роль растений. Несмотря на малые размеры, они в силу своей многочисленности имеют огромную суммарную поверхность и потому активно соприкасаются с почвойу По данным Е. Н. Мишустина, на 1 га пахотного слоя почвы площадь активной поверхности бактерий достигает 5 млн м 2 . Вследствие кратковременности жизненного цикла и высокой размножаемости микроорганизмы сравнительно быстро обогащают почву значительным количеством органического вещества) По подсчетам И. В. Тюрина, ежегодное поступление в почву сухого микробного вещества может составлять 0,6 тга. (Эта биомасса, богатая протеинами, содержащая много азота, фосфора, калия, имеет большое значение для почвообразования и формирования плодородия почвы.
Микроорганизмы являются тем активным фактором, с деятельностью которого связаны процессы разложения органических веществ и превращения их в почвенный перегной. Микроорганизмы осуществляют фиксацию атмосферного азота. Они выделяют ферменты, витамины, ростовые и другие биологические вещества. От деятельности микроорганизмов зависит поступление в почвенный раствор элементов питания растений, а следовательно, плодородие почвы.
Роль микроорганизмов в формировании почв и почвенного плодородия необычайно сложна и разнообразна; микробы, будучи древнейшими организмами на земном шаре, существующими миллиарды лет, являются самыми древними почвообразователями, действовавшими задолго до появления высших растений и животных. Последствия жизнедеятельности микроорганизмов выходят далеко за пределы обитаемых ими почв и определяют во многом свойства осадочных пород, состав атмосферы и природных вод, геохимическую историю таких элементов, как углерод, азот, сера, фосфор, кислород, водород, кальций, калий, железо.
Микроорганизмы по свойствам полифункциональны в биохимическом отношении и способны осуществлять в биосфере и почвах такие процессы, которые недоступны растениям и животным, но которые являются существенной частью биологического круговорота энергии и веществ. Таковы процессы фиксации азота, окисления аммиака и сероводорода, восстановление сернокислых и азотнокислых солей, осаждение из раствора соединений железа и марганца. Сюда же относится микробный синтез в почве многих витаминов, энзим, аминокислот и других физиологически активных соединений.
Осуществляя эти поразительные реакции, автотрофные бактерии, подобно растениям, могут сами синтезировать органическое вещество, но не используя при этом энергию Солнца. Именно поэтому есть все основания считать, что первичный почвообразовательный процесс на Земле, осуществлялся сообществами автотрофных и гетеротрофных микроорганизмов задолго до появления зеленых растений. Следует отметить, что бактерии и грибы являются весьма сильными разрушителями первичных минералов и гарных пород, агентами так называемого биологического выветривания.
Однако главнейшей особенностью микроорганизмов является их способность доводить процессы разложения растительного и животного органического вещества до полной минерализации. Без этого звена нормальная спиралевидная цикличность биологических процессов в биосфере не могла бы существовать и сама жизнь не была бы возможной. В этом заключается глубокая принципиальная разница между ролью в биосфере микроорганизмов и ролью растений и животных. Растения синтезируют органическое вещество, животные выполняют первичное механическое и биохимическое разрушение органики и подготовку ее для будущего гумусообразования. Микроорганизмы, завершая разложение органического вещества, синтезируют почвенный гумус, а затем разрушают. Синтез физиологически активных соединений, гумусообразование и полная минерализация органических остатков - главная функция микроорганизмов в почвенных процессах и биологическом круговороте.
Микроорганизмы встречаются иногда на глубине десятков и сотен метров. Ho главная их масса сосредоточена в корнеобитаемых горизонтах почвы и особенно в верхних 10-20 см. Общий вес сырой массы различных микроорганизмов может составлять в верхнем 25-сантиметровом слое почвы до 10 т/га. Macca микроорганизмов составляет 0,5-2,5% от веса гумуса в почвах. При этом в расчете на 1 г почвы численность микроорганизмов составляет десятки и сотни миллионов экземпляров, а в ризосфере растений - десятки миллиардов. Чем выше уровень плодородия естественных почв, тем богаче и разнообразнее представлены в них микроорганизмы. Высокоплодородные культурные почвы наиболее богаты разнообразными микроорганизмами. По мере развития новых методов изучения микроорганизмов выясняется, что современные наши знания еще крайне недостаточны. По-видимому, роль, численность и функции микроорганизмов в почвообразовании значительно больше, чем мы представляем теперь.
В числе почвенных микроорганизмов имеются как представители растительного мира, так и представители животного мира (рис. 52). В микрофлоре наиболее многочисленные грибы, актиномицеты и бактерии. Водоросли распространены значительно меньше. В микрофауне преобладают амебы и жгутиковые. Реснитчатые и микронематоды в почвах также иногда встречаются в большом числе. Все больше накапливается данных о присутствии в почвах неклеточных форм микроорганизмов (бактериофаги, вирусы).
Почвенные водоросли
Почвенные водоросли - это одно- и многоклеточные микроорганизмы (иногда подвижные), обладающие специфическими пигментами типа хлорофилла, обеспечивающими ассимиляцию углекислоты и фотосинтез органического вещества. Водоросли в отличие от большинства остальных микроорганизмов способствуют обогащению почв органическим веществом и кислородом.
Водоросли населяют главным образом верхние освещенные горизонты почв, хотя единично могут быть встречены и на глубине до 30-50 см. В зависимости от типа пигментов различают водоросли зеленые, сине-зеленые, пурпуровые, желтые. В 1 г почвы может быть до 300 тыс. одноклеточных водорослей. Роль одноклеточных микроводорослей особенно проявляется на поверхности бесплодных глинистых почв пустынь - такыров, на солонцах, на свежих аллювиальных отложениях в мелководьях. Используя появляющуюся влагу, микроводоросли обогащают поверхность свежим органическим веществом, вызывают усиленное разрушение первичных минералов, повышают дисперсность твердой фазы. Некоторые водоросли играют существенную роль в превращениях соединений кремнезема (диатомовые) и кальция в почве, другие обладают способностью фиксировать азот.
Особенно важны в балансе почвенного азота синезеленые водоросли (Индия, Япония, Индонезия), живущие на рисовых полях и на аллювиальных почвах речных долин в тропиках. Они снабжают азотом и кислородом почвы и растения этих угодий в значительном количестве, поддерживая их плодородие. В сравнении с другими микроорганизмами значение водорослей в почвообразовании все же сравнительно ограниченное. Это объясняется тем, что суммарная величина биомассы водорослей составляет в среднем 0,5-1 т/га.
Почвенные грибы
Бактерии
Бактерии - это наиболее многочисленные и наиболее разнообразные мельчайшие одноклеточные организмы, населяющие почвы. Размер их очень мал - 0,5-2 мк.
Бактерии вместе с водорослями, грибами и протозоа в почвах выполняют функцию гумусообразования и полной минерализации органических веществ. Описано около 50 родов и до 250 видов почвенных бактерий. В числе множества групп бактерий две-три имеют специальное значение в почвообразовании: истинные бактерии, актиномицеты и миксобактерии. Истинные бактерии подразделяются на две группы - неспоровые и споровые. В группу неспоровых входят автотрофные бактерии, которые сами синтезируют органическое вещество и поэтому могут существовать в среде, где полностью отсутствуют какие-либо формы органического вещества. Таковы бактерии, окисляющие водород (Bacterium hydrogenius), соединения углерода (Bact. methanicus), железобактерии и серобактерии, окисляющие железо и серу, бактерии-нитрификаторы, окисляющие аммиак в нитриты и последние в нитраты (табл. 29). Роль автотрофных бактерий была особенно существенной до возникновения водорослей и зеленых растений, синтезирующих органические вещества.
К этой же группе неспоровых бактерий принадлежат так называемые семиавтотрофы, которые фиксируют азот из почвенного воздуха, но при этом нуждаются в органическом веществе. Бактерии, фиксирующие азот, живут или свободно, или в симбиозе с бобовыми растениями, образуя на корешках своеобразные узелки, клубеньки. Бактерии рода Phizobium Azotobactcr и Clostridium живут свободно в почве и фиксируют азот почвенного воздуха. На протяжении года эти микроорганизмы могут накопить в почве до 50-300 кг/га азота, разрушая и окисляя пропорциональное количество органического вещества. На этом основана практика внесения в почвы растительных масс (соломы, листьев, зеленых удобрений и др.), что обеспечивает «подкормку» азотфиксаторов и активирует их деятельность. Для усиления фиксации азота на полях применяются специальные бактериальные удобрения.
Актиномицеты рассматриваются как организмы, переходные между бактериями и грибами. Они являются типичными организмами-гетеротрофами. По форме они представляют ветвистые одноклеточные организмы, несколько большего размера, чем истинные бактерии. Тончайшие гифы (меньше 1 мк) довольно длинны. Из этой группы бактерий Ваксман выделил штаммы стрептомицетов, которые продуцируют известный антибиотик стрептомицин, обладающий огромной активностью. Некоторые разновидности актиномицетов используются для производства витаминов. Актиномицеты сообщают почвам характерный запах свежераспаханной земли. В почве актиномицеты тесно связаны с разлагающимся органическим веществом, разрушая и потребляя клетчатку, гемицеллюлозу, белки и, по-видимому, даже лигнин. Актиномицеты являются аэробными микроорганизмами и играют основную роль в почвах сухого жаркого климата.
Спороносные бактерии являются, по С.Н. Мишустину, чутким индикатором направления почвообразовательного процесса, возраста почв, степени их окультуренности. Некоторые микробиологи ввели понятие о биогенности почв и о биооргано-минеральном комплексе почв. Последний включает поверхностные слои минералов, органические и органо-минеральные коллоиды, микроорганизмы, воду и газы. Чем выше биогенность почв, тем выше их плодородие. Окультуренные и поливные почвы всегда отличаются относительно более высокой биогенностью. Активная продукция углекислоты в почвах - один из показателей их биогенности. Углекислота является универсальным продуктом метаболизма почвенных организмов, Ежегодная продукция CO2 в почве может достигать в 3-4 и даже 8 тыс. л/га. Углекислота в приземном воздухе - продукт метаболизма почвенных организмов и результат минерализации органических соединений.
Сельскохозяйственные растения на таких высокобиогенных почвах, как черноземы, луговые почвы долин, благодаря работе микроорганизмов обеспечены физиологически активными соединениями, азотным и фосфорным питанием и относительно повышенной концентрацией углекислоты, столь необходимой для фотосинтеза. Культурные почвы, как правило, богаты бактериальными микроорганизмами, содержат активные формы азотобактера и обогащены физиологически активными соединениями. В мерзлотных кислых почвах севера, в торфах вследствие низкой активности микроорганизмов растения мало обеспечены гормональным и витаминным питанием, а также минеральными соединениями азота и фосфора. Приземный воздух в Арктике имеет в 2 раза меньшую концентрацию углекислоты (по А.А. Григорьеву - 0,16% вместо 0,03%). Это значительно снижает плодородие почв севера в целом. Почвы пустынь, особенно субтропических и тропических, вследствие сухости и нагрева до 70-80° С также обеднены бактериями.
Вирусы (бактериофаг)
Микроорганизмы невидимы для глаза, и поэтому человек склонен недооценивать их роль в биосфере и почвообразовании. Между тем из того, что изложено выше, следует с очевидностью, что микроорганизмы являются обязательным компонентом всякого природного биогеоценоза. И трофические цепи, и экологические пирамиды, иллюстрирующие процесс разрушения биомассы и перераспределения энергии, аккумулированной в фитомассе и зоомассе каждого ландшафта, включают сложные звенья мира микроорганизмов.
В отличие от мира животных многие микроорганизмы-автотрофы при этом пополняют в какой-то мере биомассу и запасы аккумулированной энергии, удлиняя биогенный круговорот веществ биосферы в его почвенной части. Микробиомасса в почвах суши по весу составляет в абсолютных цифрах величину порядка 1*10 9 т, что в отношении к фитобиомассе равно лишь 0,0001%, однако поразительная скорость размножения и смен поколений у микроорганизмов столь велика, что геохимическое и почвенное значение деятельности микроорганизмов в биосфере является эквивалентным значению деятельности растений и, может быть, даже превышает его.
