Возникновение и развитие почв. Факторы почвообразования.

Земная кора состоит из твердых пород, которые являются материальной основой для формирования почв. Почва формируется в результате взаимодействия литосферы, атмосферы, гидросферы и биосферы и преобразование горной породы в почву происходит в результате одновременно идущих процессов – выветривания и почвообразования. Они тесно связаны между собой, протекают обычно одновременно, но выветривание может предшествовать почвообразованию.

Выве́тривание – разрушение горных пород. Совокупность сложных процессов качественного и количественного преобразования горных пород и слагающих их минералов, приводящих к образованию продуктов выветривания. Происходит выветривание за счёт действия на литосферу гидросферы, атмосферы и биосферы.

Верхняя часть земной коры, в которой протекают процессы выветривания имеет мощность от нескольких десятков до 100 и 200 метров.

В результате выветривания образуется рыхлый поверхностный слой горных пород – кора выветривания, которая служит материальной основой для формирования почвы.

В зависимости от характера и причин разрушения горных пород отличают физическое, химическое и биологическое выветривание.

Физическое выветривание – это механическое измельчение горных пород и минералов без изменения их химического состава. При физическом выветривании происходит механическое раздробление пород вследствие тектонических процессов, деятельности воды, льда, ветра под влиянием силы тяжести и других причин. Но главной причиной физического выветривания горных пород и минералов является колебание температур воздуха. Днем поверхность породы, нагреваясь, расширяется, а ночью, охлаждаясь, сжимается. Это приводит к растрескиванию горных пород, их дроблению на глыбы и более мелкие части. Чем больше разница температур в течение суток, тем интенсивней протекает процесс физического выветривания. Интенсифицирует физическое выветривание вода, замерзающая в трещинах. Ежесуточные изменения объема приводят к ослаблению сцепления между частицами пород; порода теряет прочность и распадается. Температурное выветривание особенно проявляется в пустынях, где нередко в течение суток перепады температур достигают 40-50° и более, а также в резко континентальных климатических зонах.

Разновидностью физического является морозное выветривание при котором вода замерзает не только в трещинах, но и в капиллярах при этом увеличивается в объеме, разрывая горную породу.

Механическое измельчение горных пород приводит значительному увеличению площади поверхности, порода приобретает способность пропускать и удерживать влагу, что создает условия для активизации химических реакций.

Химическое выветривание — это совокупность различных химических процессов, в результате которых происходит разрушение горных пород и изменения их химического состава. В результате химических реакций, протекающих в процессе такого выветривания, образуются новые минералы и соединения. Наиболее благоприятными условиями для химического выветривания являются условия влажного теплого климата. Факторами химического выветривания являются вода, углекислый газ и кислород. Вода – энергичный растворитель горных пород и минералов. Основная химическая реакция воды с минералами – гидролиз – вытеснение водородом воды и углекислым газом щелочных и щелочноземельных металлов из силикатов.

Взаимодействие воды с минералами горных пород приводит также и к гидратации – присоединению частиц воды к частицам минералов.

При химическом выветривании происходят реакции окисления–присоединения кислорода до образования оксидов, которому подвергаются многие минералы, содержащие способные к окислению металлы.

Биологическое выветривание – механическое разрушение и изменение химического состава горных пород под воздействием живых организмов (бактерии, грибки, вирусы, роющие животные, низшие и высшие растения и т.д.) и продуктов их жизнедеятельности. Эта форма выветривания происходит под влиянием ряда факторов (рис.1.1).

В природе практически нет чисто абиотических (безжизненных) процессов физического и химического выветривания.

Особое значение в биологическом выветривании принадлежит высшим растениям, особенно древесным, корни которых, проникая по небольшим трещинам вглубь, развивают большое давление, увеличивают трещины, способствуют механическому разрушению горных пород. Кроме того, корни растений выделяют органические кислоты, способствующие выветриванию горных пород.

Рис.1.1 Факторы биологического выветривания

Кислые корневые выделения растений, растворяя горные породы и минералы, способствуют усвоению растениями элементов минерального питания. При биологическом выветривании растения извлекают из породы необходимые для построения своего тела минеральные вещества и аккумулитируют их в поверхностных горизонтах породы, создавая условия для формирования почв.

В то же время корни всех растений выделяют различные органические кислоты, которые растворяют минеральные соединения, усиливая процесс их разрушения. При гниении растительных и животных остатков также выделяются органические кислоты, оказывающие аналогичное воздействие на различные минеральные соединения земной коры.

Значительную роль в биологическом выветривании играют всевозможные микроорганизмы, лишайники, роющие и копающие животные: земляные черви, личинки насекомых, кроты и пр. Все они прямо (путем выделения кислотных соединений) или косвенно (путем усиления доступа СО₂ и Н₂О в поверхностные части земной коры) также участвуют в изменении и разрушении минеральных соединений и горных пород. Биологическое выветривание служит началом почвообразовательного процесса.

Почвообразовательный процесс – это сложный биофизико-химический природный процесс преобразования материнской горной породы в почву, ее становления и эволюции под воздействием комплекса факторов. Он представляет собой совокупность явлений превращения и передвижения веществ и энергии в поверхностном слое земной коры.

И в процессе почвообразования осуществляется интенсивной перемещения энергии и трансформация веществ (рис. 1.2).

Рис.1.2. Трансформация веществ и энергии в процессе почвообразования

В процессе почвообразования каждая почва проходит ряд последовательных стадий, направление, длительность и интенсив­ность которых определяются конкретным комплексом факторов почвообразования и их эволюцией в каждой точке земной по­верхности (рис. 1.3).

Рис.1.3 Стадии почвообразования:

1 – начальное почвообразование, 2 развитие почвы, 3—климаксное состоя­ние I, 4 — эволюция почвы по пути а или б, 5 — климаксное состояние И (а или б), 6— новая эволюция почвы по пути в, г, д или е, 7— климаксное состояние III (в, г, д или е)

Стадии почвы

Стадия начального почвообразования (первичный почвообразовательный процесс) характеризуется началом поселения на горной породе пионеров растительности – мхов, лишайников, водорослей. Эта стадия весьма длительна, мала мощность охватываемого почвообразованием субстрата, незначительный убьем круговорота веществ, мала биологическая продуктивность растений, медленно происходит аккумуляция элементов питания, профиль лишь в слабой степени дифференцируется на генетические горизонты.

Наряду с процессами, протекающими в рамках биологического круговорота имеют место и процессы небиологической природы —растворение, осаждение, испарение, сорбция и др. Такие процессы получили название элементарных почвенных процессов первого порядка или микропроцессов.

2.Стадия развития почвы. Начальное почвообразование сменяется стадией развития почвы, ко­торая протекает с нарастающей интенсивностью, охватывая все большую толщу почвообразующей породы вплоть до форми­рования зрелой почвы с характерным для нее профилем и комплексом свойств. При переходе к данной стадии создаются условия для роста и развития растений более требовательных к условиям произрастания. За счет этого возрастает биологическая продуктивность, интенсифицируется биологический круговорот вследствие расширения масштабов деятельности высших растений. Накапливаются питательные вещества, азотсодержащие органические соединения гумусовой природы. Развиваются конкретные почвообразовательные процессы, такие как оподзоливание, гумусовая аккумуляция, лессиваж и др. В результате их проявления формируется специфический состав почв и физические свойства. Идет образование определенных почвенных типов: черноземов, подзолистых почв и т.п. К концу этой стадии процесс почвообразования постепенно замедляется и формирование почвы может продолжаться сотни, тысячи лет и более.

3. Стадия равновесного функционирования (климаксное состояние) характерна для зрелой почвы. На этой стадии биологический круговорот протекает так, что каждый последующий цикл практически повторяет предыдущий. В климаксном состоя­нии поддерживается более или менее постоянное динамическое равновесие почвы со средой.

На каком-то этапе в результате изменения одного или нескольких факторов почвообразования или в результате саморазвития климаксная стадия сменяется эволюцией почвы. Стадия эволюции почвы может быть сопостав­лена со стадиями развития и ведет к какому-то новому климаксному состоянию. При этом образуется новая почва с новым про­филем и новым комплексом свойств. Таких циклов почвообразования может быть несколько. Эволюция почв — изменения почвы от начала до наших дней. В естественных условиях идёт очень медленно, но под воздействием антропогенного фактора значительно ускоряется.

В условиях сельскохозяйственного использования почв происходит активное вмешательство в биологический круговорот веществ, уровень развития специфических признаков может изменяться как в сторону качественного роста, так и в сторону деградации.

Огромное разнообразие почв существует благодаря разнообразию растительного мира, которое зависит от климата, а также разнообразия поверхностных геологических пород, форм рельефа. Формирование и развитие почв осуществляется под влиянием ряда факторов. Основы учения о факторах почвообразования заложены В.В. Докучаевым, который установил, что почвы формируются в результате тесного взаимодействия ряд факторов: климата, организмов, почвообразующих пород, рельефа местности, времени.

В процессе формирования почвы все факторы, за исключением антропогенного, являются равно­значными и незаменимыми. Отсутствие одного из них исключает воз­можность почвообразовательного процесса. На определенных стадиях или в специфических условиях развития почвы в качестве определяю­щего может выступить какой-либо один несколько факторов.

Изучение каждого фактора почвообразования предусматривает его характеристику по определенным параметрам и оценку его роли в почвообразовании.

Климат – многолетний статистический режим погоды, главный количественный показатель состояния атмосферы и воздействующих на почву атмосферных процессов, прежде всего поступление в почву тепла и воды. Это среднее состояние атмосферы той или иной территории, которое характеризуется средними и крайними показателями метеорологических элементов.

Как фактор почвообразования климат играет разностороннюю роль (рис. 1.4).

Рис.1.5 Роль климата в почвообразовании

С изменением климата тесно связана история развития органического мира, а, следовательно, и история развития почвенного покрова Земли. Климат играет важнейшую роль в закономерном размещении типов почв на Земле, ему принадлежит огромная роль в динамике, специфике и направленности почвообразовательных процессов. С климатическими условиями связана энергетика почвообразования.

Ведущим фактором, характеризующим климат, является радиационный баланс, который зависит от широты местности, характера подстилающей поверхности, степени увлажнения территории. В соответствии с поступлением тепла на поверхности Земли формируются термические пояса планеты (табл. 1.1.).

Таблица 1.1 Термические пояса Земли

Другой важнейшей составляющей климатической характеристики являются атмосферные осадки. По обеспеченности суши водой на земном шаре выделяют климатические области (рис.1.6).

Рис.1.6 Классификация климатических областей по обеспеченности влагой, (по М.И. Будыко и А.А. Григорьеву)

Если ресурсы тепла достаточно велики, дополнительное увлажнение приводит к увеличению продукции, при недостатке тепла – к ее снижению.

Климат способствует распределению почв и растительности по широтным зонам. Так, в тундровой зоне выделяются специфические тундровые почвы, в таежной – подзолистые, в зоне широколиственных лесов – серые лесные, в степной – черноземы и т.д. (рис. 1.7).

В процессах почвообразования большую роль играет местный климат, получивший название «микроклимата». Возникновение того или ино­го типа «микроклимата» определяется корректировкой климатических показателей формами рельефа, экспозицией склонов, наличием мест­ных водных бассейнов и характером растительного покрова.

Чередование в рельефе положительных (водоразделы, склоны) и отрицательных (межгорные впадины, долины рек) элементов рельефа способствует перераспределению по территории влаги атмосферных осадков и созданию контрастных водных режимов почв возвышенных и пониженных участков. На террасах и в поймах речных систем при этом сказывается влияние близкого уровня грунтовых вод и паводков.

Рис. 1.7 Изменение климатических показателей, растительности и почв на профиле от тундры до пустыни (зачернен гумусовый горизонт)

На равнинных территориях перераспределителем тепла и влаги служит микрорельеф. Микрозападины являются местными аккумуляторами поверхностных вод и играют значительную роль в создании местного микроклимата. Не меньшая роль в создании микроклимата принадлежит растительности. При одинаковом строении рельефа создаются большие различия в водно-тепловом режиме почв на участках, занятых лесной растительностью и открытым полем или лугом.

По особенностям климатических условий территория республики делится на 3 агроклиматические области: Северную умеренно теплую влажную, Центральную теплую умеренно влажную и Южную теплую неустойчиво влажную. Для каждой из этих областей определена благоприятность агроклиматических условий для выращивания тех или иных сельскохозяйственных культур (рис.1.8 а).

а)

б)

Рис.1.7 Изменение границ агроклиматических областей Беларуси:

а) Границы агроклиматических областей по А.Х. Шкляру (1973 г).

б) Границы агроклиматических областей по В.И. Мельнику за период 1989 -2005 г.г.

Агроклиматические области: I – Северная, II – Центральная,

III – Южная, IV – Новая.