Почвообразование – это сложный природный процесс образования почвы из горной породы под воздействием факторов почвообразования в пределах биогеосферы Земли.

Процессы почвообразования

Почвообразование – важное звено в процессе геологического и биологического круговорота вещества и энергии. Геологический круговорот – это процесс переноса веществ с суши в океан и обратно. Биологический круговорот – это совокупность процессов обмена веществом и энергией между почвой, материнской горной породой, атмосферой и биотой.

Почвообразование – это специфический биосферный процесс, в результате которого почва приобретает ряд специфических характеристик, отсутствующих в материнской почвообразующей породе и отличающих почву от всех других компонентов биосферы. К числу наиболее существенных характеристик такого рода относят наличие в почве специфического органического вещества – почвенного гумуса и биофильных элементов. Биофильные элементы – это элементы, которые живые организмы поглощают из геохимической среды организмами и используют их в процессах обеспечения жизни. К ним относятся: макроэлементы — N, С, О, Н, Са, Mg, Na, К, Р, S, Cl, Si, Fe и микроэлементы — Сu, Со, Mn, Zn, V, Ni, Mo, Sr, В, Se, F, Br, I.

В результате почвообразования почва приобретает специфическое строение. Почвенный профиль представляет собой систему горизонтов, более или менее параллельных дневной поверхности, формирование которых обусловлено механизмами почвообразования (рис. 2.1).

Рисунок 2.1. Почвенный профиль (фотобанк «Геофото»)

2.1.1. Основные факторы почвообразования

Почвообразовательный процесс протекает под влиянием внешних по отношению к почве природных условий – факторов почвообразования. Факторы почвообразования следует разделить на два типа: природные (естественные) и антропогенные (искусственные).

Природные (естественные) факторы.

Выделяют шесть природных факторов почвообразования:

1. материнские, или почвообразующие горные породы;

2. климат;

3. рельеф;

4. растения и живые организмы;

5. земное тяготение

6. время.

Все природные факторы являются равнозначными. Каждый из них оказывает свое специфическое влияние на почвообразование и без участия какого-либо из них почвообразование невозможно.

Почвообразующая порода является той основой, из которой формируется почва. Минеральная часть в подавляющем большинстве почв составляет 90 –95% почвенной массы. Выделяют две основные функции материнской горной породы в почвообразовании: формирование состава почвенных масс и подстилающей породы. Состав горных пород определяет химический, минералогический, гранулометрический состав будущих почв (рис. 2.2.), например, наиболее богатые почвы формируются на карбонатных суглинках, а на песках они беднее, однако теплее и лучше аэрированы. Порода в значительной степени определяет и скорость почвообразования. Материнские породы на территории России большей частью представлены четвертичными осадочными смешанными горными породами.

Рисунок 2.2. Функции и роль почвообразующей горной породы в формировании почв.

Климатический фактор определяет обеспеченность почвообразования влагой (атмосферные осадки) и энергией (солнечная радиация – свет и тепло). Климат на различных широтах земного шара различен. Различают арктический, субарктический, умеренный, субтропический и тропический климат. В соответствии с климатическими условиями различают и растительные зоны, отличающиеся количеством растительного органического вещества, и, соответственно, скоростью и продолжительностью биологического круговорота и тип процесса почвообразования. Благоприятные для жизни гидротермические условия обеспечивают протекание в почве процессов, влияют на сообщества растительных и животных организмов, увеличивая их продуктивность, что в конечном итоге влияет на интенсивность почвообразования. Известно, что при повышении температуры на 10 ^оС скорость химических реакций увеличивается в 2–4 раза (правило Вант-Гоффа) (табл. 2.1.).

Таблица 2.1. Суммы активных температур в различных географических поясах

*Сумма активных температур – показатель, характеризующий количество тепла и выражающийся суммой средних суточных температур воздуха или почвы, превышающий определённый порог: 0, 5, 10 ^оС или биологический минимум температуры, необходимой для развития растения. Например, потребность некоторых культур в тепле: яровая пшеница 1200–1700; овёс –1000÷1600; просо – 1410÷1950; гречиха – 1200÷1400; кукуруза – 1100÷2900; картофель – 1200÷1800.

Водный режим географических поясов определяют по отношению среднегодовой суммы осадков к годовой испаряемости – так называемый коэффициент увлажнения (КУ) Г.Н. Высоцкого-Н.Н. Иванова. Он является наиболее объективным показателем атмосферного увлажнения. При КУ >1 увлажнение избыточное (наблюдается в высоких широтах – примерно к северу и к югу от 50-й параллели), а при КУ<1 – недостаточное увлажнение (например, в пустынях КУ практически приближается к нулю).

Рельеф определяется характером чередования пониженных и повышенных участков суши. Различают три вида рельефа: микрорельеф (колебания высот до нескольких метров); мезорельеф (колебания высот до нескольких десятков метров); макрорельеф (колебания высот от нескольких десятков до нескольких сот метров). Влияние рельефа связано с количеством поступающего на поверхность почвы света, тепла и влаги. На степень освещения и нагрева почв влияет угол уклона рельефа, экспозиция уклона, крутизна (на южном склоне больше тепла, чем на северном). Рельеф перераспределяет полученную из атмосферы воду. Больше всего воды поступает в низинную часть рельефа. Все поднятия на земле – положительные элементы рельефа, на них меньше всего влаги. Обычно сверху находится грубая механическая порода (валуны, камень, гравий), снизу более мелкий и тонкий механический состав (суглинки, лёсы). Положительные элементы рельефа не участвуют в процессах почвообразования путём грунтовых вод, а отрицательные участвуют. Рельеф оказывает влияние на климатические условия, а соответственно на жизнь растений, животных, микроорганизмов, на перераспределение тепла и влаги, что сказывается на процессах почвообразования в целом. Кроме этого рельеф обусловливает перемещение почвенных масс по склону в результате эрозионных и аккумулятивных процессов.

Функции растительных и живых организмов в почвообразовании весьма разнообразны. Почвообразование является биогенным процессом, и оно начинается с момента появления растений и живых организмов на массивно-кристаллических или осадочных породах. Растительные и живые организмы являются единственным источником органического вещества, которое служит материалом для образования почвенного гумуса. Другая важная функция организмов базируется на способности живого вещества к избирательному поглощению элементов из почв. Благодаря этому свойству организмы в существенной степени определяют химический состав почв.На рис. 2.2. представлены растительные и живые организмы, без участия которых невозможен почвообразовательный процесс.

Зеленые низшие и высшие растения используют в процессе роста радиационную энергию Солнца, вовлекая в биологический круговорот огромное количество химических элементов, ежегодно формируя около 233 млрд. т органического вещества на поверхности и внутри почвы. Корни растений чисто механически разрыхляют почву, увеличивая водо- и воздухопроницаемость пород, изменяют своими выделениями свойства материнских пород, что способствует развитию микроорганизмов.

Микроорганизмы за счет выделяемых ими ферментов разлагают органические вещества и образуют органо-минеральные соединения – гумус. По данным Е.Н. Мишустина (1987) количество микроорганизмов колеблется от нескольких сотен в 1 г дерново-подзолистых почв до 3 миллиардов в черноземных почвах. Масса микроорганизмов может составлять от 3 до 8 т/га в черноземных почвах.

Грибы разлагают клетчатку, лигнин и другие органические вещества почвы и также способствуют образованию гумуса.

Дождевые черви (живут на глубинах до 12 м), проделывая ходы в почве, рыхлят и аэрируют ее, что способствует развитию корневой системы растений, кроме того, перерабатывая органические остатки, образуют гумус. За один год черви, живущие на 1 га способны переработать до 100 т органических остатков и перемешать ~120 т земли.

Насекомые и животные также активно разрушают органическое вещество, минерализуют его и, тем самым, выступают посредниками в обмене между почвой, атмосферой, обеспечивая круговорот элементов питания.

Земное тяготение. А.А. Роде и В.Н. Смирнов считают гравитационное поле Земли фактором, который определяет нисходящий процесс передвижения жидких и твердых веществ.

Время. Возраст почв исчисляется с начала почвообразовательного процесса. Почва – природное, постоянно изменяющееся природное тело. Считается, что тот вид, который сегодня имеют все существующие на Земле почвы, представляет собой лишь одну из стадий в длительной и непрерывной цепи их эволюции, а отдельные теперешние почвенные образования, в прошлом представляли другие формы и в будущем могут подвергнуться существенным превращениям даже без резких изменений внешних условий.

Различают абсолютный и относительный возраст почв. Абсолютным возрастом почв называют промежуток времени, прошедшей с момента возникновения почвы до нынешней стадии ее развития. Почва возникла тогда, когда материнская порода вышла на дневную поверхность и стала подвергаться процессам почвообразования. Например, в Северной Европе процесс современного почвообразования стал развиваться после окончания последнего ледникового периода.

Однако в пределах разных частей суши, которые одновременно освободились от водного или ледникового покрова, почвы далеко не всегда будут иметь в каждый данный момент одну и ту же стадию своего развития. Причиной этого могут быть различия в составе почвообразующих пород, в рельефе, растительности и других обстоятельствах. Относительным возрастом почв называют различие в стадиях развития почв на одной общей территории, имеющей одинаковый абсолютный возраст.

Время развития зрелого почвенного профиля для разных условий – от нескольких сотен до нескольких тысяч лет. (Согласно данным, Л. Александровского увеличение мощности гумусового горизонта до 15 см происходит приблизительно за 100 лет). Возраст территории вообще и почвы в частности, а также изменения условий почвообразования в процессе их эволюции оказывают существенное влияние на строение, свойства и состав почвы. При сходных географических условиях почвообразования почвы, имеющие неодинаковые возраст и историю, могут существенно различаться и принадлежать к разным классификационным группам.

Итак, можно констатировать, что все естественные факторы почвообразования взаимосвязаны и действуют одновременно, оказывая влияние не только на интенсивность биологического круговорота и почвообразования, но и друг на друга. Так, изменение микроклиматических условий может вы­звать смену растительного покрова и почв. Почвы в свою оче­редь могут оказать воздействие на смену растительности и из­менить микроклиматическую обстановку

Антропогенные (искусственные) факторы. Влияние хозяйственной деятельности человека на почвооб­разование проявляется в регулировании состава и характера растительности, изменении свойств самих почв и процессов, протекающих в них. На огромных лесных и сельскохозяйствен­ных территориях производят механизированную обработку почв, при которой уничтожается естественная растительность, эксплуатируются леса, проводятся мелиоративные работы, вно­сятся органические, бактериальные и минеральные удобрения. Происходит изменение естественных физических и химических свойств почв, приостанавливаются нежелательные для чело­века направления процессов почвообразования, изменяются биологические свойства. При увеличении, например, содержа­ния кальция (известковании) в почве становится больше орга­нического вещества, меняется реакция среды, возрастает коли­чество микроорганизмов и элементов питания; в результате повышается плодородие почвы. Осушение приостанавливает бо­лотный процесс, а орошение в засушливых районах создает условия для накопления органического вещества в почвах, по­вышая плодородие почв и урожай растений.

В результате хозяйственной деятельности человека изменя­ются характер и интенсивность биологического круговорота ве­ществ, почвы дополнительно получают органическое вещество и элементы питания, формируется мощный пахотный горизонт, создаются окультуренные почвы с повышенным плодородием. Различной хозяйственной деятельностью охвачено 500 млн. га земель. Однако применение неправильных приемов ведения хо­зяйства вызывает развитие неблагоприятных почвообразова­тельных процессов: заболачивания, засоления, разрушения ор­ганического вещества и потери элементов питания.

2.1.3. Стадии почвообразования и эволюция почв

Образование почв и, соответственно, биологического выветривания горных пород, началось с появлением жизни на Земле. А до этого происходили процессы физического и химического выветривания горных пород.

В процессе почвообразования каждая почва проходит ряд последовательных стадий, направление, длительность и интенсивность которых определяются конкретным набором факторов почвообразования в каждой конкретной точке Земли. Процесс почвообразования подразделяют на ряд стадий. Историческая реконструкция эволюции почв выглядит следующим образом.

I. Стадия начального или первичного почвообразования характеризуется тем, что в тонкой приповерхностной корочке поселились микроорганизмы, и начался почвообразовательный процесс. Свойства почвенного тела, характерные для развитых почв, еще не сформировались. Первыми на горных породах поселились бактерии и сине-зеленые водоросли. Затем – диатомовые водоросли и грибная микрофлора. Часть органических соединений вступала в реакцию с минеральными веществами с образованием органо-минеральных комплексов. Постепенно улучшались условия минерального питания живых организмов за счет повышения доступности минеральных элементов благодаря продолжающимся процессам выветривания и развивающейся поглотительной способности почв. Мощность почвенного профиля на начальной стадии образования невелика (обычно несколько сантиметров), а сам профиль слабо дифференцирован на горизонты и их число невелико. В слабой степени выражена аккумуляция биофильных элементов.

II. Стадия преобразования горных пород. В горных породах продолжало накапливаться органическое вещество, развивалась поглотительная способность. Благодаря увеличению степени рыхлости пород в них постоянно содержались воздух и вода. Это создавало условия для активного химического выветривания составляющих пород минералов; возросло количество и доступность живым организмам минеральных элементов; формировались водные растворы различного ионного состава, которые передвигались в толще рыхлых пород, вступая в химические реакции; изменился температурный режим рыхлых пород по сравнению с плотными породами и т.д. Рыхлые осадочные обломочные породы с дочетвертичными почвами в последний четвертичный геологический период подверглись очередному переотложению ледниками, ледниковыми, талыми и дождевыми водами, ветром, морем, реками. Образовались новые почвообразующие породы. Эта стадия продолжалась до формирования зрелой почвы с характерным для нее профилем и набором определенных свойств.

III. Завершающая стадия формирования. Перечислим основные изменения горных пород, на завершающем этапе их превращения в почву под влиянием агентов почвообразования:

- образование нового органического вещества (гумуса) в верхних слоях материнской породы;

- увеличилась концентрация биофильных элементов и их доступность растениям в верхних частях породы. Элементы включались в состав растений. В результате процессов жизни азотфиксирующих, нитрифицирующих и аммонифицирующих микроорганизмов в растениях произошло накопление соединений азота как источника питания растений. В почвах установился определенный пищевой режим благодаря биологическому (малому) круговороту веществ в системе почва → растения → животные организмы → почва. Однако из этого круговорота часть элементов ежегодно вовлекается в геологический (большой) круговорот веществ в природе;

- сформировалось важное свойство почв – поглотительная способность, которая определяется коллоидными свойствами органической и минеральной частей твердой фазы почв, ее пористостью, большой удельной поверхностью гранулометрических компонентов, реакционной химической способностью твердой фазы и почвенных растворов, особенностями усвоения элементов живыми организмами.

- установились реакция почв (кислая или щелочная), соотношение протекающих в почве окислительных и восстановительных растворов.

- установились водные, воздушные, тепловые свойства и режимы почв в соответствии с климатическими условиями, гранулометрическим составом твердой фазы, ее плотностью, структурой и другими физическими свойствами.

- сформировались характеристичные микробиологические ценозы с различным соотношением групп микроорганизмов, численностью микрофлоры

- в результате продуцирования и выделения в окружающую среду (в почву и атмосферу) растениями и микроорганизмами физиологически активных веществ, угнетающих или, напротив, способствующих росту, созреванию других растений и микроорганизмов, установился аллелопатический (от греч. allelon взаимно и pathos – страдание) режим. Первоначально аллелопатию считали исключительно отрицательным взаимодействием. Об этом свидетельствует и выбор термина, предложенного австрийским физиологом растений X. Молишем в 1937. Однако установлено, что летучие выделения ароматических трав благоприятно действуют на растущие рядом овощи: одуванчик выделяет большое количество газа этилена, ускоряющего созревание плодов, его соседство полезно яблоням и овощным культурам. Базилик душистый улучшает вкус томатов, а укроп – капусты. Шалфей, иссоп, петрушка, укроп, лаванда, чабер, чабрец, майоран, ромашка, кервель – хорошо действуют почти на все овощи. Яснотка белая (глухая крапива), валериана, тысячелистник делают овощные растения более здоровыми и устойчивыми к болезням.

- сформировался почвенный ферментативный комплекс; ферменты (энзимы) катализируют многие важнейшие почвенные биохимические реакции, в том числе процессы гумусообразования, превращения азот- и фосфорсодержащих органических соединений, веществ углеводного характера и др.

На последней стадии формирования почва приходит в состояние равновесия с комплексом факторов почвообразования. Продолжительность этой стадии может быть неопределенно долгой. В стадии равновесия поддерживается более или менее постоянное динамическое равновесие между почвой и средой, т.е. существующими факторами почвообразования.

Рисунок 2.3. Общие представление о процессах почвообразования.

Существует и другая историческая реконструкция стадий почвообразования:

I – cтадия начального почвообразования. Обычно весьма длительна. Начальное почвообразование сменяется стадией развития почвы.

II – cтадия развития почвы протекает с нарастающей интенсивностью, охватывая все большую толщу почвообразующей породы. К концу этой стадии формируется зрелая почва с характерным для нее профилем и комплексом свойств. Процесс развития почв постепенно замедляется и приходит к некоторому равновесному состоянию, когда комплекс факторов почвообразования и свойства почв соответствуют друг другу и находятся в динамическом равновесии.

III – cтадия динамического равновесия называется климаксной и может длиться неопределенно долго. На каком-то этапе климаксная стадия сменяется эволюцией почвы.

IV – cтадия эволюции почвы наступает либо в результате саморазвития экосистемы, в которую она входит в качестве одного из компонентов, либо в результате изменения одного или нескольких факторов почвообразования – климата, растительности, характера грунтового увлажнения, под влиянием распашки территории, орошения или осушения и т.д. Стадия эволюции почвы может быть сопоставлена со стадиями развития и ведет к новому климаксному состоянию. При этом образуется новая почва с новым профилем и новым набором характеристик.

Примеры эволюции одних типов почв в другие многочисленны. Например, формирование луговых почв из болотных при обсыхании территории; формировании каштановых или черноземных почв при остепнении луговых почв и т.д. В этом случае почва образуется не непосредственно из почвообразующей породы, а из предшествовавшего вида почвы. Циклов почвообразования на одном и том же субстрате может быть несколько. Подобные почвы называют полигенетическими. В профиле полигенетических почв обычны унаследованные реликтовые черты и другие признаки, не связанные с современным этапом почвообразования. Эволюция почв может идти в разных направлениях: по пути нарастания мощности почвы или по пути ее уменьшения, по пути засоления или рассоления, по пути деградации почвенного плодородия или его нарастания.

Процессы почвообразования можно рассматривать как совокупность циркуляционных явлений превращений и перемещения вещества и энергии при взаимодействии большого геологического и малого биологического круговоротов в пределах педосферы Земли (от греч. педон – почва) – синоним почвенного покрова ввел С.А. Захаров. На рис. 2.4. показано место педосферы среди других природных сфер.

Рисунок 2.4. Взаимоотношение сфер и положение педосферы (почв) среди других природных тел.

2.1.2. Элементарные почвообразовательные процессы

Почвообразовательный процесс на поверхности земли протекает под влиянием огромного разнообразия сочетаний факторов почвообразования, что приводит к разнообразию типов почвообразования и соответствующих им почв. В то же время в различных почвах повторяются одни и те же процессы, однокачественные по существу, но различающиеся по интенсивности и в деталях своего проявления. Примером таких процессов может служить накопление в почве гумуса (гумусонакопление), проявляющееся во всех почвах, хотя и на разных качественном и количественном уровнях. Другим примером может служить процесс рассоления – вынос нисходящими токами воды легкорастворимых солей из профиля изначально засоленной почвы. Важно подчеркнуть, что эти процессы являются специфическими почвенными процессами.

Такие общие для разных типов почвообразования процессы получили название элементарных почвообразовательных процессов. Эти процессы являются довольно сложными по своей природе, и понятие «элементарный» не следует трактовать буквально. Список этих процессов в настоящее время нельзя считать завершенным, как нельзя считать полностью установленными методологию и критерии их выделения. Однако сам принцип расчленения общего процесса почвообразования на составляющие является вполне правомерным и перспективным. В настоящее время выделено несколько десятков элементарных почвообразовательных процессов. Основные из них представлена ниже.

1. Биогенно-аккумулятивные процессы–процессы, протекающие в почве под непосредственным влиянием живых организмов, их остатков и их продуктов жизнедеятельности (подстилкообразование, торфообразование, гумусообразование, гумусонакопление).

2. Гидрогенно-аккумулятивныепроцессы –процессы, связанные с современным или прошлым влиянием грунтовых вод на почвообразование (засоление, загипсовывание, окарбоначивание (обызвесткование), оруднение, окремнение, латеритизация, плинтификация, олуговение, тирсификация, кольматаж).

3. Элювиальные процессы–процессы, связанные с разрушением или преобразованием почвенного материала в элювиальном горизонте с выносом из него продуктов разрушения или трансформации нисходящими потоками воды либо латеральными (боковыми). В результате этого элювиальный горизонт становится обедненными теми или иными соединениями и относительно обогащенными оставшимися на месте соединениями или минералами (выщелачивание, оподзоливание, лессовирование, псевдооподзоливание, псевдооглеение, осолодение, сегрегация, отбеливание, ферролиз, элювиально-гумусовый процесс, Al-Fe-гумусовый процесс, коркообразование).

4. Иллювиально-аккумулятивные процессы–процессы аккумуляции веществ в средней или нижней части профиля элювиально-дифференцированных почв. Включают в себя процессы отложения, трансформации и закрепления вынесенных из элювиального горизонта соединений. Каждому элювиальному процессу может соответствовать свой иллювиальный процесс, если элювиирование не идет за пределы почвенного профиля. (Глинисто-иллювиальный процесс, гумусо-иллювиальный процесс, железисто-иллювиальный процесс, алюмогумусо-иллювиальный процесс, железистогумусо-иллювиальный процесс, Al-Fe-гумусоилювиальный процесс, подзолисто-иллювиальный процесс, карбонатно-иллювиальный процесс, солонцово-иллювиальный процесс).

5. Метаморфические процессы–процессы трансформации породообразующих минералов in situ без элювиально-иллювиального перераспределения компонентов в почвенном профиле (сиаллитизация (оглинивание), монтмориллонитизация, гумуссиаллитизация, ферраллитизация, ферсиаллитизация, рубефикация (ферритизация), ожелезнение, оглеение, оливизация, слитизация, оструктуривание, отвердевание, мраморизация).

6. Педотурбационные процессы (педотурбации)– группа процессов механического перемешивания почвенной массы под влиянием разнообразных факторов и сил (самомульчирование, растрескивание, криотурбация, вспучивание, пучение, биотурбация, ветровальная педотурбация, гильгаиобразование, агротурбация).

7. Деструктивныепроцессы –процессы, ведущие к разрушению почвы как природного тела и в конечном итоге к уничтожению ее (эрозия, дефляция, стаскивание, погребение).