Биологические факторы почвообразования

Наиболее существенными факторами в почвообразовании являются животные и растительные организмы — особые компоненты почвы. Их роль заключается в огромной геохимической работе. В системе «почва—растение» происходит постоянный биологический круговорот веществ, в котором растения играют активную роль. Начало почвообразования всегда связано с поселением на минеральном субстрате организмов. В почве обитают представители всех четырех царств живой природы — растения, животные, грибы, прокариоты (микроорганизмы — бактерии, актиномицеты и сине-зеленые водоросли). Микроорганизмы готовят биогенный мелкозем — субстрат для поселения высших растений — основных продуцентов органического вещества. Высшим растениям и принадлежит ведущая роль в процессах почвообразования.

Флора. Фитомасса высших растений сильно зависит от типа растительности и конкретных условий ее формирования. Биомасса и годичная продуктивность древесной растительности увеличиваются по мере продвижения от высоких широт к более низким, а биомасса и продуктивность травянистой растительности лугов и степей заметно снижаются, начиная от лесостепи и далее к сухим степям и полупустыням.

В гумусовом слое Земли сосредоточено такое же количество энергии, как и во всей биомассе суши, причем аккумулируется энергия, ассимилированная в растениях благодаря фотосинтезу. Одна из наиболее продуктивных составляющих биомассы — опад. В хвойном лесу опад в силу специфики его химического состава очень медленно разлагается. Лесной опад вместе с грубым гумусом образует подстилку типа мор, которая минерализуется преимущественно грибами. Гумус имеет фульватный характер, а почвообразование идет по подзолистому типу. Почвы этого типа имеют высокую кислотность, не насыщены основаниями, малогумусирова-ны, с низким содержанием питательных элементов и уровнем плодородия.

Процесс минерализации ежегодного опада в основном совершается в течение годового цикла. В смешанных и широколиственных лесах в гумусообразовании большее участие принимает опад травянистой растительности. Освобождающиеся при минерализации опада основания нейтрализуют кислые продукты почвообразования; синтезируется более насыщенный кальцием гуматно-фульватный гумус типа модер. Формируются серые лесные или бурые лесные почвы с менее кислой реакцией, чем у подзолистых почв и более высоким уровнем плодородия.

Под пологом травянистой степной или луговой растительности основной источник образования гумуса — масса отмирающих корней. Гидротермические условия степной зоны способствуют быстрому разложению органических остатков. Гумификация и гумусообразование имеют более короткий цикл. Формируется мягкий гумус типа мюлль, насыщенный кальцием преимущественно гуматного состава. Этот процесс носит название дернового. Наиболее ярко дерновый процесс представлен в русском черноземе — типичном примере степного почвообразования. Черноземы в силу особых гидротермических условий степной зоны, способствующих интенсивному гумусообразованию и закреплению его в почвах, обладают чрезвычайно высоким естественным плодородием.

Взаимосвязь между растительными формациями, направлением почвообразовательного процесса и закономерностью пространственного распределения почв отчетливо прослеживается на самых разных уровнях, начиная с зональных проявлений и кончая микробиогеоценозом элементарной западины. Эта связь взаимообусловлена. Часто по смене растительных ассоциаций можно четко установить и смену отдельных почв.

Фауна. Наряду с высшими растениями огромное влияние на почвообразование оказывают многочисленные представители почвенной фауны—беспозвоночные и позвоночные, живущие в почве и на ее поверхности, активно участвующие в преобразовании органического вещества. Почвенную фауну можно разделить на четыре группы:

1. Микрофауна (менее 0,2 мм): простейшие — амебы, инфузории — до 1,5 млн в 1 г почвы, а также нематоды, живущие во влажной почвенной среде;
2. Мезофауна (0,2 — 4 мм): мельчайшие насекомые, черви, приспособленные к жизни в почве с достаточно влажным воздухом;
3. Макрофауна (4—80 мм): земляные черви, моллюски, насекомые (муравьи, термиты и др.);
4. Мегафауна (более 80 мм): крупные насекомые, крабы, скорпионы, кроты, сурки, змеи, черепахи, мелкие и крупные грызуны, лисы, барсуки и другие животные, роющие в почвах норы.

Среди почвенных животных абсолютно преобладают беспозвоночные, суммарная биомасса которых в 1000 раз больше, чем позвоночных. На фоне всего разнообразия фауны одними из самых важных почвообразователей считаются дождевые черви. Они составляют 90 % от всей зоомассы в почвах таежных и лиственных лесов и ежегодно пропускают через свой кишечник в разных зонах от 50 до 600 т мелкозема с площади 1 га, создавая в поверхностных гумусовых горизонтах почв мелкозернистую и комковатую структуру. Копролиты — продукты жизнедеятельности дождевых червей — по массе с площади 1 га составляют в среднем 25 т в год. Во влажно-тропических условиях почвообразования при благоприятных в течение года климатических условиях дождевые черви способны переработать в десятки раз больше почвенной массы относительно среднего показателя. Роющие животные (слепыши, сурки и др.) способны в огромных количествах перемещать почвенный материал из верхней части профиля почв в нижние, и наоборот. В результате такого многократного перемешивания создаются своеобразные перерытые профили, отличающиеся от окружающих фоновых почв. В частности, среди черноземов выделяется самостоятельный вид почв — карбонатные перерытые (сурчинные) черноземы.

Микроорганизмы (бактерии, актиномицеты, грибы, водоросли, простейшие). В поверхностном горизонте суммарная масса микроорганизмов — несколько тонн на 1 га, причем почвенные микроорганизмы составляют от 0,01 до 0,1 % от всей биомассы суши. Микроорганизмы предпочитают селиться на обогащенных питательными веществами экскрементах животных. Они участвуют в гумусообразовании и разлагают органические вещества до простых конечных продуктов: газов (диоксид углерода, аммиак и др.), воды

и простых минеральных соединений. Главная масса микроорганизмов сосредоточена в верхних 20 см почвы. Микроорганизмы (например, клубеньковые бактерии бобовых растений) фиксируют азот на ²/з из воздуха, накапливая его в почвах и поддерживая азотное питание растений без внесения минеральных удобрений. Роль биологического фактора в почвообразовании наиболее ярко проявляется в формировании гумуса. Гумусообразование — сложный процесс, в котором участвуют все компоненты биоты: от микроорганизмов до высших растений. Схематически это представлено на рис. 4.

Климат. Климат — главный количественный показатель состояния атмосферы и воздействующих на почву атмосферных процессов, прежде всего поступления в почву тепла и воды. С климатом связаны основные закономерности развития органического мира, почвенного покрова Земли, энергетики почвообразования. Климат — результат взаимодействия многих природных факторов, из которых главными являются:

1. Приход и расход лучистой энергии Солнца.
2. Атмосферная циркуляция, перераспределяющая тепло и влагу.
3. Влагооборот, неотделимый от атмосферной циркуляции.

Поверхности Земли достигает- около половины солнечной энергии, причем одна часть ее отражается от атмосферы, другая часть поглощается парами воды, пыли, а остаток достигает Земли в виде рассеянной радиации. В соответствии с поступлением тепла на поверхности Земли формируются термические пояса планеты (табл.). Для травянистой растительности активные температуры — выше 5°С, а для лесной растительности — выше 10 °С. Интенсивность выветривания, фотосинтеза и образования органического вещества, жизнедеятельность животных и бактерий неизмеримо увеличиваются в направлении от полярных областей к теплым тропическим и экваториальным. В этом же направлении нарастает поступление атмосферных осадков, которое в разных природных зонах сильно варьирует, особенно внутри континентов. Кроме того, возрастает интенсивность почвообразовательного процесса, выражающаяся в разрушении минералов, разложении органического вещества, выщелачивании, а также в синтезе новых минералов и органических соединений.

Планетарные термические пояса

Таким образом, для каждой конкретной территории характерны свои тепловой и водный режимы, зачастую нарушающие закономерность широтных поясов. Климат как фактор водного режима почв впервые обосновал Г. Н. Высоцкий. Им было введено понятие «коэффициент увлажнения территории» (К) как величина, показывающая отношение суммы осадков (Q, мм) к испаряемости (V, мм) за тот же период (К = Q/V). По его подсчетам, К для лесной зоны равен 1,38; лесостепной — 1,0; степной — 0,67; сухо-степной — 0,33.

В дальнейшем коэффициент увлажнения для каждой почвенно-географической зоны был установлен исследованиями Б.Г.Иванова. Он стал называться коэффициентом Высоцкого—Иванова (табл. 3). Главные группы почв соответствуют определенным соотношениям между осадками и температурой. При этом различают две основные категории почв:

1. Почвы, в которых биологические процессы более или менее подавлены. Это сероземы, почвы пустынь и тундр (все при низком увлажнении менее 500 мм в год), расположенные в самых разных термических поясах;

2. Почвы, тяготеющие к теплым и тропическим поясам, — бурые лесные, желтоземы, красноземы и ферраллитные. На формирование почв субтропических и тропических поясов в огромной мере влияла высокая температура, которая при достаточном увлажнении способствовала глубокой степени выветривания минералов почвы.

Время. Время как фактор почвообразования. С историей развития земной поверхности и временем почвообразования неразрывно связано формирование почв и почвенного покрова. В. В.Докучаев, его ученики и последователи — С. С. Неуструев, П. С. Коссович, В. В. Геммерлинг, К. К. Гедройц, В. Р. Вильяме и др. — уделяли проблемам эволюции и возраста почв большое внимание.

В работе «Почва и циклы эрозии» (1922) С. С. Неуструев выделял стадии почвообразования, связанные с геологическими эрозионными циклами на земной поверхности — эволюцией рельефа.

В. Р. Вильямс идею развития почв во времени воплотил в учение о едином почвообразовательном процессе. Все разнообразие почв он рассматривал как «отдельные, генетически связанные между собой стадии одной общей, грандиозной по своей протяженности во времени и пространстве истории воздействия биологических элементов природы на поверхностные слои земной суши». По В. Р. Вильямсу, почвы эволюционировали в такой последовательности: пустынный процесс—подзолистый—дерновый—степной— пустынный—подзолистый и т.д. Несмотря на то что идея Вильямса о бесконечном развитии почв не нашла подтверждения, она представляет бесспорную ценность.

Б. Б. Полынов, подводя итоги достижениям русского почвоведения в области эволюции почв, фактически создал новый раздел почвоведения — палеопедологию. При анализе почвенного профиля он предлагал особо выделять остатки горизонтов, образовавшихся в предшествующие фазы почвообразования.

А. А. Родэ, генерируя идеи предшественников и особенно идеи П. С. Коссовича, разработал концепцию саморазвития почвы. Саморазвитие почвы представляет собой совокупность тех изменений, которые почва претерпевает в данной физико-географической обстановке под влиянием циклических (суточных, годичных, вековых) внутренних почвенных процессов без изменения условий почвообразования. С каждым новым циклом развития в почве накапливаются определенные изменения, которые в совокупности приводят к ее поступательному развитию.

А. А. Розанов выделил три цикла в жизни почвы — малый, большой и геологический. В малом цикле почва саморазвивается при относительно неизменных биоклиматических условиях. Например, прогрессирующее засоление или рассоление почвы. Большой цикл почвообразования связан с изменением ландшафта — биогеоценоза вследствие геоморфологических, климатических, эпейрогенических процессов. Наиболее ярко эти процессы выражены на примере развития поименно-долинного комплекса рельефа, перехода аллювиальных пойменных почв в зональные на надпойменных террасах.

Геологический цикл почвообразования определяется новой геологической эпохой. Например, остаточные аллитные коры выветривания в Средней Азии свидетельствуют о том, что в третичном периоде здесь были субтропические и тропические леса с латеритами, красноземами и коричневыми почвами. Новый геологический цикл сменил тропическое почвообразование на пустынное.

И. А. Соколов и В.О. Таргульян, характеризуя время как фактор почвообразования, предложили термин «характерное время». Под характерным временем почвообразования понимается время, необходимое для того, чтобы то или иное свойство почвенного тела или вся почва полностью сформировались, т.е. пришли в равновесие с комбинацией факторов почвообразования

При этом эволюция почв не поспевает за изменением факторов почвообразования. Те же авторы предложили слабо изменяющиеся во времени свойства почв, например минералогический состав, унаследованный от породы, называть «почва-память», а быстро меняющиеся во времени динамические свойства почв — «почва-момент» (рис. 6).

Методы определения возраста почв. Существует много косвенных и прямых методов определения абсолютного и относительного возраста почв и почвообразующих пород (геоморфологический, палеокриологический и палеоботанический, фациально-стратиграфический, палеомагнитное датирование, палеопедологический анализ и др.). Некоторые из них будут изложены ниже.

В. В. Докучаев (1883) одним из первых создал прямой метод определения возраста почв, исследуя известковые плиты Староладожской крепости. Он установил, что для образования почвы на плитах потребовалось 760 лет. В то же время, по заключению Тамма, для образования подзола с грубогумусовым (А1 = 10 см), подзолистым (А2 = 10 см) и иллювиально-железистым (В1 = 25 см) горизонтом требуется 1000—1500 лет.

В почвоведении общепринят радиоуглеродный метод датирования возраста почв. Он основан на определении в образце почвы соотношения изотопов углерода ¹⁴С/¹²С.

Развитие почв во времени. Для понимания эволюции почв и почвенного покрова важную роль играют исследования погребенных почв, реликтовых признаков почвенных горизонтов и почв в целом. Изучение ископаемых почв (палеопочв) дает очень ценный материал для суждения о географической обстановке минувших эпох. Ископаемые почвы существуют почти везде, где происходили резкие изменения в осадконакоплении, связанные с тектонической деятельностью, оледенением, миграциями пойм и дельт и т. п. железистых, карбонатных и других аккумулятивных горизонтов в почвах, наличие кротовин несовременного происхождения и т.д.

Наиболее часто реликтовые признаки свидетельствуют о сменах гидрологического режима (палеогидроморфизм) обычно под влиянием смены климата.

К реликтам гидроморфизма можно отнести следующие признаки: 1) прослои гальки, гравия, песка в почвах, особенно часто встречающиеся на пролювиальных равнинах; 2) слоистость; 3) оглеенные горизонты в средней и нижней частях профиля; 4) горизонты аккумуляции гипса и легкорастворимых солей в почвах (если они развиты на первоначально незасоленных породах).

В целом можно отметить, что в процессе эволюции почвы сохранили в себе все свойства, приобретенные на прежних этапах развития. Причем сами почвы, как правило, не адекватны современным условиям почвообразования. Они не поспевают за изменениями почвообразующих факторов (см. рис. 5) и это запаздывание охватывает целые эпохи в эволюции почв. Приведем пример эволюции почв на суглинках в голоцене за 10—12 тыс. лет (по В.О.Таргульяну и А.Л.Александровскому).

1. Позднеледниковье. Слабодифференцированные почвы с признаками гидроморфизма и солифлюкционных деформаций.

2. Ранний голоцен. Гумусонакопление, оглеение и выщелачивание, отличавшиеся малой интенсивностью.

3. Теплый и влажный раннеатлантический период. Глубокая текстурно-химическая дифференциация почвенных профилей.

4. Позднеатлантическое время с увеличением засушливости климата. Темноцветное лугово-степное почвообразование.

5. Последняя треть голоцена с похолоданием. Деградация темноцветного горизонта, кислотный гидролиз и элювиально-глеевый процесс.

Развитие почв во времени в разных трендах педолитогенеза приводит к разным результатам. В зависимости от соотношения скоростей аккумуляции (Va) и денудации (Vd) твердого материала на поверхности почвы и скоростей почвообразования и выветривания (Vpw) выделяют три основных тренда педолитогенеза (рис. 7).

1. Автохтонный, или нормальный: Va или Vd « Vpw, Vd = 0. Почвообразование идет при фиксированном объеме и конечном запасе веществ исходной породы на стабильной дневной поверхности, почва «растет» в глубь породы. В стабильных условиях почвообразовательный процесс направлен на формирование климаксной почвы равновесной со средой. На это указывали В.В.Докучаев, А. А. Роде, Г.Иенни и др.

2. Аллохтонно-аккумулятивный: Va > Vpw. Почвообразование происходит при регулярном поступлении на дневную поверхность твердого материала извне (эолового, аэрально-вулканического, флювиального). Почва как бы «скользит» вверх по растущей толще породы, оставляя в глубине погребенные профили. В таких условиях образование климакснои почвы маловероятно.

3. Денудационный: Vd > Vpw. Почвообразование идет при регулярном удалении твердого материала с дневной поверхности. В результате образуются постепенно срезаемые денудацией и «прирастающие» снизу омолаживаемые почвы, которые не только растут вглубь, но и как бы «скользят» в глубь породы всем профилем. Образование климаксного профиля невозможно.

Кроме трех основных выделяются также: турбационный (по А.Л. Александровскому), в котором происходит процесс направленных зоотурбаций с выносом материала на поверхность почв; гидрогенно-аккумулятивный (по Н. А. Караваевой), в котором наблюдается саморазвитие почв при заболачивании.

В каждом из указанных трендов саморазвитие почв существенно отличается. В автохтонном тренде идет непрерывное саморазвитие, т. е. образование почвы во времени при стабильном состоянии абиогенных факторов среды и развитии биотических факторов. Саморазвитие обычно подразделяют на два последовательных этапа:

1. Развитие от нуль-момента (неизменной материнской породы) до образования зрелого профиля, в какой-то мере равновесного со средой (начальный период саморазвития по А. А. Роде, малый цикл жизни почвы по А. Г. Розанову, направленное саморазвитие по В. О. Таргульяну и А. Л. Александровскому).

2. Квазиравновесное или равновесное существование зрелого профиля. При этом состоянии характеристики почвы не меняются или колеблются около среднего значения.

Эволюция почв (по В. О. Таргульяну и А. Л.Александровскому) — это развитие, при котором почва претерпевает более чем один период саморазвития. При этом почва трансформируется вслед за изменениями факторов почвообразования. Почвы, пережившие одно состояние (один период саморазвития), считают моногенетичными, несколько состояний — полигенетичными.

Различают также почвы погребенные, т. е. перекрытые наносами. В противоположность им почвы непогребенные иногда именуют экспонированными, или дневными.

Методы, используемые для изучения эволюции почв, следующие. Первая группа методов — профильные, заключающиеся в реконструкции последовательности изменения почв путем изучения статичных состояний профилей. Во вторую группу входят методы межпрофильных сравнений: сравнение почвенных профилей в пространстве (сравнительно-географические методы) и сравнение во времени (сравнительно-хронологические, или метод хронорядов почв). Третью группу методов изучения эволюции почв составляют палеогеографические методы, которые заключаются в реконструкции трансформации почвообразования по данным палеогеографии об изменениях природной среды (спорово-пыльцевой, фитолит-ный и др.). Четвертая группа — комплексные методы: исторический, почвенно-археологический и биогеоценотический.