ГЕНЕЗИС, КЛАССИФИКАЦИЯ И ГЕОГРАФИЯ ПОЧВ

Выветривание.

Выветривание горных пород – начальный этап большого геологического круговорота веществ на земной поверхности.

Выветривание – совокупность сложных процессов количественного и качественного изменений горных пород и слагающих их минералов под воздействием агентов атмосферы, гидросферы и биосферы, ведущих к трансформации и транслокации вещественного состава поверхностных слоев литосферы и превращения ее в кору выветривания.

Выделяют физическое, химическое и биологическое выветривание.

Физическое выветривание – механическое раздробление горных пород и минералов без изменения их химического состава.

Оно протекает под воздействием резких колебаний температур (суточных и сезонных), которые приводят к возникновению процессов расширения–сжатия; при наличии воды, попадающей в трещины, создается капиллярное давление большой силы, еще интенсивнее разрушающее действие воды проявляется при замерзании (вода расширяется на 1/10 объема). Аналогичную роль выполняют кристаллизующиеся в трещинах соли (например, гипс при кристаллизации увеличивается в объеме на 1/3). Велика роль в этом виде выветривания корневых систем, выполняющих разрыхляющую работу. Кроме перечисленных факторов физического выветривания, следует упомянуть о том, что горные породы состоят из зерен различных минералов (гранит – из прочно скрепленных друг с другом кристаллов кварца, полевых шпатов, слюд и других минеральных зерен), которые при нагревании расширяются неодинаково и при частой смене температуры приводят к образованию сети тонких трещин.

Химическое выветривание – процесс химического изменения и разрушения горных пород и минералов с образованием новых минералов и соединений. Важнейшими его агентами являются вода, СО_2, кислород и различные органические соединения преимущественно кислотного типа.

Идут реакции: растворения, окисления, гидратации и гидролиза минералов.

Растворениеминералов в воде увеличивается при росте температуры, насыщении воды углекислым газом и повышении концентрации воздействующего раствора.

В результате выветривания путем растворения и выщелачивания граниты могут потерять 30–35% своей массы, базальты – 75–90%, а известняк – до 99%.

Гидролиз приводит к замене катионов щелочных и щелочноземельных металлов кристаллической решетки минералов на ионы водорода молекул воды:

KАlSi₃O₈ + H₂О HАlSi₃O₈ + KOH →

ортоклаз

HАlSi₃O₈ + 4Н₂О Al(OH)₃ + 3H₂SiO₃,

2СаСО₃ + Н₂О Са(ОН)₂ + Са(НСО₃)₂.

кальцит

Образующиеся при гидролизе первичных минералов катионы и коллоидные соединения кремния, алюминия служат исходным материалом для новообразования вторичных глинистых минералов, аккумулирующихся в корах выветривания.

Слюда → Гидрослюда → Иллит → Переходные → Монтмориллонит

минералы

Гидратация – химический процесс присоединения молекул воды к частицам минералов:

Fe₂O₃ + nH₂O FeO(OH) + nH₂O FeO(OH)₃ + nH₂O 2Fe₂O₃·3H₂O.

гематит гетит гидрогетит лимонит

Окисление – наиболее распространенный и активный процесс выветривания минералов, заключающийся во взаимодействии минералов с кислородом:

4CaFeSi₂O₆ + O₂ + 4H₂CO₃ + 6H₂O → 4CaCO₃ + 4FeOOH + 8H₂SiO_3.

авгит

Окислению подвергаются многочисленные минералы, содержащие закисное железо или другие способные к окислению элементы:

2FeS₂ + 7O₂ + 2H₂O = 2FeSO₄ + 2H₂SO₄,

12FeSO₄ + 36H₂O + 3O₂ = 4[Fe₂(SO₄)₃ · 9Н₂О] + 2Fe₂O₃,

4FeS₂ + 15O₂ + 10H₂O = 4 FeOOH + 8H₂SO₄.

В процессе окисления пирита, наряду с сульфатами и гидратами оксидов железа, образуется серная кислота, участвующая в создании новых минералов. Окислительные процессы ведут обычно к сильному подкислению среды и интенсивному выносу катионов в условиях достаточного увлажнения.

Наблюдаются и более сложные процессы превращения первичных минералов в глинистые:

слюда → гидрослюда → смешанослойные минералы → вермикулит → монтмориллонит

В результате химического выветривания разрушаются кристаллические решетки первичных минералов, порода обогащается глинистыми минералами и приобретает связность, влагоемкость, поглотительную способность и другие свойства, более характерные для почв.

Биологическое выветривание – механическое разрушение и химическое изменение горных пород и минералов под действием организмов и продуктов их жизнедеятельности.

При биологическом выветривании организмы извлекают из породы необходимые для построения своего тела минеральные вещества и аккумулируют их в поверхностных горизонтах, создавая условия для формирования почв. Корни растений и микроорганизмы выделяют во внешнюю среду углекислый газ и различные органические кислоты (щавелевую, яблочную, янтарную и др.), которые оказывают разрушающее действие на минералы. Нитрификаторы образуют азотную кислоту, серобактерии – серную кислоту, усиливающие процесс выветривания.

Поскольку при выветривании элементарные процессы действуют с неодинаковой скоростью, а подвижность (степень выноса) продуктов выветривания также различна, формирующиеся коры выветривания образуют определенные хронологические ряды – хронокатены.

Б. Б. Полынов (1934) установил следующие стадии развития кор выветривания в элювиальном процессе: 1) обломочная; 2) обызвесткованная; 3) сиаллитная насыщенная; 4) сиаллитная ненасыщенная (выщелоченная); 5) аллитная. Среди них выделяют две главные: сиаллитную, распространенную в регионах с умеренно влажным климатом, которая характеризуется образованием глинистых минералов монтмориллонитовой группы и гидрослюд, а также сохранением устойчивых первичных минералов; аллитную, формирующуюся в условиях влажного субтропического и тропического климата, которая отличается почти полным разрушением первичных минералов (кроме кварца), выносом оснований и кремнезема, накоплением вторичных минералов группы гидроксидов Al, Fe, а также каолинита.

Дальнейшее развитие почвы в верхней части коры выветривания, формирование зрелых, полно развитых почв происходит уже под влиянием процесса почвообразования.

Кора выветривания – продукт разрушения, трансформации и переотложения горных пород. Почва – результат новообразования специфического биокосного природного тела, отличающегося наличием гумуса, определенным морфологическим строением профиля, появлением особых свойств и функций.

Почвообразование

Почвообразовательным процессомназывается совокупность явлений превращения и перемещения веществ и энергии, протекающих в почвенной толще.

Он относится к категории био-физико-химических процессов. Основными его агентами являются живые организмы и продукты их жизнедеятельности, вода, кислород воздуха и СО₂.

Наиболее важные составные части почвообразовательного процесса:

1) превращение (трансформация) минералов почвообразующих пород, а затем и самой почвы;

2) накопление органического вещества и его трансформация;

3) взаимодействие минеральных и органических веществ с образованием сложной системы органоминеральных соединений (ОМС);

4) аккумуляция в верхних горизонтах ряда биофильных элементов;

5) перемещение продуктов почвообразования по почвенному профилю, приводящее к формированию различных генетических горизонтов.

Выделяют микро-, мезо- и макропроцессы почвообразования.

Микропроцессы – почвенные процессы, протекающие на уровне горизонта. Это наиболее простые и многочисленные процессы и явления в почвах, идущие на молекулярном, ионном, атомном и подобных уровнях. Как правило, они универсальны. К ним относятся: нагревание и охлаждение, увлажнение–высыхание, поглощение питательных веществ организмами, разложение органических остатков, формирование новообразований и т.д.

Мезопроцессы, или, как их иногда называют, элементарные почвенные процессы (ЭПП), слагаются из микропроцессов и протекают на уровне почвенного профиля, формируя важнейшие генетические комплексы свойств почв. К ним относятся (Розанов, 1983): гумусово-аккумулятивный, подзолистый, глеевый, процесс торфонакопления, процессы засоления, осолонцевания, осолодения и т.д.

Макропроцессы – совокупность элементарных почвенных процессов, характеризующих тип почвообразования.

В настоящее время выделяют следующие элементарные почвенные процессы:

1. Биогенно-аккумулятивные ЭПП – протекающие в почве при участии микроорганизмов, продуктов их жизнедеятельности и посмертных остатков и сопровождающиеся образованием в профиле биогенных органо-аккумулятивных поверхностных горизонтов. К ним относят: подстилкообразование; торфообразование; гумусообразование; дерновый процесс (интенсивное гумусообразование и накопление биофильных элементов под луговой травянистой растительностью).

2. Гидрогенно-аккумулятивные ЭПП – связанные с современным или прошлым влиянием грунтовых вод на почвообразование. К ним относят: засоление; загипсовывание; окарбоначивание; оруденение; латеритизацию (процесс аллохтонного внутрипочвенного ожелезнения); олуговение (аккумулятивный процесс, связанный с воздействием пресных грунтовых вод на нижнюю часть профиля при хорошем общем дренаже); кольматаж ( гидрогенный процесс накопления материала на поверхности почвы и в порах ее верхних слоев).

3. Метаморфические ЭПП – группа процессов трансформации породообразующих минералов in situ без элювиально-иллювиального перераспределения компонентов в почвенном профиле. К ним относятся: сиаллитизация; ферраллитизация; ожелезнение; оглеение; слитизация

4. Элювиальные ЭПП – группа процессов, связанных с разрушением или трансформацией почвенного материала в элювиальном горизонте, выносом продуктов разрушения или трансформации с нисходящим или латеральным током воды, в результате чего происходят относительное обеднение теми или иными соединениями и обогащение оставшимися на месте соединениями или минералами. К ним относят: выщелачивание; оподзоливание; лессивирование; сегрегацию; Al–Fe-гумусовый процесс.

5. Иллювиально-аккумулятивные ЭПП – группа процессов аккумуляции вещества в средней или нижней части профиля элювиально-дифференцированных почв. К ним относят: глинисто-иллювиальный, гумусо-иллювиальный, железисто-иллювиальный, алюмогумусо-ил-лювиальный, железисто-гумусо-иллювиальный, Al,Fe-гумусо-иллю-виальный, подзолисто-иллювиальный, солонцово-иллювиальный, карбонатно-иллювиальный процессы.

6. Деструктивные ЭПП – группа процессов, ведущих к разрушению почвы как природного тела и в конечном итоге к уничтожению ее. К ним относят: эрозию; дефляцию; стаскивание; погребение т.е. погребенная почва становится реликтом).

Формирование того или иного типа почвы является результатом действия многих разнокачественных, часто противоположно направленных почвенных процессов, дающих в совокупности основное доминирующее направление процесса почвообразования.

В природных условиях часто наблюдается сочетание нескольких типов почвообразования. Например, сочетание подзолистого и степного типов приводит к формированию типа серых лесных почв, подзолистого и болотного – типа болотно-подзолистых почв и т.д.

Почвообразовательный процесс слагается из следующих компонентов вещественно-энергетического баланса:

1) приток вещества и энергии в почву;

2) превращение веществ и энергии в почве;

3) перемещение веществ и энергии в почве;

4) отток веществ и энергии из почвы.

Все компоненты баланса теснейшим образом связаны между собой и взаимно обусловлены.

Баланс веществ определяется биоклиматическими условиями и положением почв в системе сопряженных геохимических ландшафтов. Баланс веществ может быть положительным, отрицательным или нулевым, причем по отношению к разным веществам в одной и той же почве его знак может быть различным.

Разнообразие факторов почвообразования и возможность их различного сочетания приводит к формированию огромного количества почвенных разностей, которые необходимо каким-то образом систематизировать и классифицировать. Эта задача систематики почв решается с помощью таксономических единиц, или уровней рассмотрения.

Таксономические единицы (таксоны) – это классификационные, или систематические, единицы, показывающие класс, ранг или место в системе каких-либо объектов, дающие степень детальности или точность их определения.

В почвоведении таксономические единицы – это последовательно соподчиненные систематические категории, отражающие объективно существующие в природе группы почв.

Почва с точки зрения классификации является очень сложным объектом, что связано: 1) с отсутствием четких естественных границ, так как почвенный покров непрерывен в пространстве; 2) с изменчивостью многих свойств почв (рН, t, W, количество растворимых солей) во времени и в пространстве; 3) со сложностью выделения ведущего компонента и ведущего свойства в многокомпонентной биокосной системе, какой является почва.

В настоящее время в мире существует ряд различных классификаций почв, разработанных в отдельных странах или международных организациях. Отечественные классификации почв традиционно строятся на генетических принципах. Основой такой классификации являются почвообразовательные процессы или их сочетания, которые приводят к формированию тех или иных конкретных почв. Разные процессы проявляются в комплексе почвенных признаков и свойств. При этом признаки и свойства почв анализируются не сами по себе, а в совокупности с факторами почвообразования.

Классификация почв

Объединение почв в группы по важнейшим свойствам, происхождению и особенностям плодородия называют классификацией почв.

Первая попытка по классификации почв была предпринята В.М.Фридландом (1982). Он реализовал субстантивно-генетический подход в виде системы таксономических единиц, систематики основных типов почв и надтиповых группировок.

Новая классификация 2004 года является субстантивно-генетической. Её теоретической основой являются учение о генезисе почв и неодокучаевская триада «факторы – процессы – свойства» и строится на основе ряда принципов:

1. принцип генетичности, предролагающий разделение почв в связи с оценкой их генетического профиля как совокупности (системы) горизонтов;

2. принцип историчности, в связи с которым неприемлима коренная немотивированная ломка номенклатуры почв;

3. принцип воспроизводимости ‑ оценка устойчивых почвенных признаков, обеспечивающих однозначность идентификации почв;

4. принцип открытости, который допускает включение в классификацию новых, ранее неизвестных или неизученных почв без нарушения целостности самой системы;

5. принцип изменчивости и стабильности отражает совершенствование, развитие почвоведения как науки;

6. принцип сочетания объективности и субъективности выражается в диалектической зависимости субъективного восприятия ряда генетических свойств почв в целом с формализацией механизма классификации почв, обеспечивающей объективность таксономических оценок. При этом важно совместить генетическую логику и формальную диагностику.

7. принцип иерархичности, который выражается в последовательно соподчиненной системе таксономических категорий (ствол, отдел, тип, подтип, вид), разделяющих почвы на различных уровнях по генетическим особенностям.