Значение выветривания для почвообразования

Почвообразовательный процесс — развитие почвы из горной породы совершается под влиянием одновременно протекающих на земной поверхности процессов выветривания и почвообразования.

При выветривании горная порода из сплошной превращается в рыхлую породу, представляющую собой пористое тело, обладающее большой проницаемостью и ничтожной влагоемкостью. Выделяющиеся в процессе выветривания растворимые соединения элементов минерального питания растений поступают в большой геологический круговорот веществ в природе (между сушей и океаном) и уносятся вместе с атмосферными осадками в реки и моря. Таким образом, конечный продукт выветривания — так называемая почвообразующая, или материнская, порода — не обладает большой и устойчивой влагоемкостью, элементы зольной пищи растений из нее совершенно вымыты, кроме того, там нет азота.

Процесс почвообразования — это биологический процесс, возникающий и развивающийся только под воздействием живых организмов, главным образом высших растений и микроорганизмов.

Корни поселившихся в горной породе растений, проникая на значительную глубину и охватывая большой объем, извлекают из почвы рассеянные элементы зольного питания (фосфор, серу, кальций, магний, калий и др.) и азот, появление которого в породе вызвано результатом жизнедеятельности микроорганизмов. Используя углекислоту воздуха, воду, зольные элементы, азот и лучистую энергию солнца, растения синтезируют органическое вещество. Остатки отмерших растений, содержащие зольные элементы, откладываются на поверхности породы и в ее верхнем слое. Они служат источником пищи и энергии для микроорганизмов.

В процессе микробного разложения одна часть органических остатков превращается в новые органические вещества — гумусовые, которые медленно разрушаются микроорганизмами, накапливаясь в верхнем слое породы, другая часть минерализуется, освобождая элементы азотного и зольного питания. Последние переходят в раствор, образуя новые, менее подвижные соединения с минеральной частью породы и гумусовыми веществами, и поглощаются корнями новых поколений растений.

Таким образом, в результате почвообразовательного процесса рассеянные в породе зольные элементы, а также азот под воздействием высших растений и микроорганизмов концентрируются, проходят ряд биохимических превращений и в новой, менее подвижной форме накапливаются в верхнем слое породы. Следовательно, между растениями и горными породами, превращающимися в почвы, возникает круговорот зольных элементов и азота, вследствие которого в верхнем слое породы происходит постепенное накопление одного из факторов почвенного плодородия — элементов минерального питания Данный круговорот веществ В. Р. Вильяме предложил называть малым биологическим круговоротом. В отличие от геологического здесь растворимые продукты выветривания и минерализации органических веществ перехватываются растениями в качестве пищи и тем самым частично или полностью задерживаются в породе, концентрируясь в ее верхнем слое. Накопление в верхнем слое породы биологически активных или жизненно необходимых элементов питания растений обусловлено присущей растительным организмам избирательной поглотительной способностью. почва выветривание горный Малый биологический круговорот не является полностью замкнутым или сбалансированным циклом. Некоторая часть питательных элементов, освобождающихся при разложении минеральных и органических веществ, которые не использованы растениями, могут вымываться из почвы и поступать в геологический круговорот.

В процессе почвообразования верхние слои породы обогащаются не только минеральными веществами, но и органическими, богатыми химической энергией, которая представляет собой превращенную в процессе фотосинтеза лучистую энергию солнца. При разложении органических веществ отмерших растений химическая энергия расходуется на развитие процессов, которые не могли бы возникнуть без органического вещества в горной породе.

Однообразная вначале минеральная масса горной породы постепенно приобретает новый состав, строение, водно-воздушные, тепловые и другие физические свойства и обособляется в особое природное тело — почву.

Основные процессы, способствующие превращению горной породы в почву, следующие:

выветривание горной породы и минералов, приводящее к образованию новых минералов и освобождению в доступной форме элементов зольного питания растений;

извлечение из материнской горной породы, а в дальнейшем из почвы элементов питания;

синтез и накопление в верхних слоях породы остатков растений и животных, минерализация и превращение их в гумусовые вещества (гумификация), сопровождающиеся освобождением и аккумуляцией элементов зольного и азотного питания;

взаимодействие минеральных и органических веществ, образование органоминеральных соединений разной степени подвижности;

перемещение и осаждение минеральных, органических и органоминеральных продуктов почвообразования в почвенной толще.

Между продуктами выветривания минералов, минерализации и гумификации органических остатков непрерывно протекают сложные процессы взаимодействия, в результате чего образуются новые соединения, совершенно не характерные для рыхлой горной породы, не затронутой почвообразовательным процессом. Они играют важную роль в формировании почвы и ее плодородия. Такие соединения получаются главным образом результате взаимодействия минеральных веществ и гумиковых кислот.

Основы учения о факторах почвообразования заложил В. В. Докучаев. Он установил, что почва формируется в результате взаимодействия климата, растительности, почвообразующих пород, рельефа местности и возраста страны (времени). В дальнейшем был выделен еще один фактор почвообразования — производственная деятельность человека.

Климат. С этим фактором почвообразования связано поступление в почву воды, необходимой для жизни растений и для растворения минеральных питательных веществ. От климата зависит активность биологических процессов. Количество солнечной энергии, попадающей на земную поверхность, возрастает от полюсов к экватору.

Большое значение имеют такие элементы климата, как атмосферные осадки, испарение и температура. Атмосферные осадки, выпадающие на земную поверхность, расходуются на испарение, фильтрацию в нижние горизонты, стекание по склонам, рост и развитие растений. При этом растворенные вещества и механические частицы передвигаются с водой, как по поверхности почвы, так и по ее вертикальному профилю.

В процессе обмена тепла и влаги между почвой и атмосферой устанавливается определенный гидротермический режим почвы. В каждой природной зоне климат характеризуется температурными условиями и увлажнением (это подробнее рассмотрено в части II). Выделение термических групп климатов основано на показателях суммы температур выше 10 °C за вегетационный период: холодные — 600 °C, холодно-умеренные — 600…2000 °С, тепло-умеренные — 2000…3800 °С, теплые — 3800…8000 °С, жаркие — более 8000 °C. Эти группы климатов располагаются в виде широтных поясов.

По условиям увлажнения выделяют шесть групп климатов: очень влажные — коэффициент увлажнения более 1,33, влажные — 1,33…1,00, полувлажные — 1,00…0,55, полусухие — 0,55…0,33, сухие — 0,33…0,12, очень сухие — менее 0,12.

Коэффициент увлажнения — это отношение среднемноголетнего количества осадков за год, мм, к испаряемости (испарение с открытой водной поверхности), мм.

От температуры и условий увлажнения зависят скорость химических и биохимических процессов, выветривания, биологическая продуктивность растений и др. На формирование почв влияет распределение осадков по сезонам года, а также континентальность климата. Суровость зимы, мощность снегового покрова и сила ветра оказывают влияние на почвообразовательный процесс преимущественно через растительность и биологические почвенные процессы.

Роль ветра как одного из элементов климата проявляется в его воздействии на рельеф и растительность. На открытых выровненных пространствах ветром выносятся пылеватые и песчаные частицы, часто сносится почвенный слой, создаются бугристые и наносные формы рельефа. В условиях засушливого климата ветер (суховей) вызывает выгорание посевов и естественной растительности. Ветер влияет на распределение снега по поверхности, обусловливая неравномерность промерзания и увлажнения почвы.

Рельеф. Роль рельефа в почвообразовательном процессе проявляется в перераспределении и различном количестве тепла, поступающего на склоны разной экспозиции. Рельеф влияет на относительный возраст почв, так как в различных условиях почвообразовательный процесс может протекать с разной скоростью. Так, в лесостепной зоне, а также в горах на северных склонах часто растет лес, и образуются дерново-подзолистые или серые лесные почвы. На южных склонах, покрытых травянистой растительностью, формируются степные черноземы или даже каштановые почвы. Южные склоны всегда более теплые и сухие, чем северные, поэтому на склонах разной экспозиции создаются неодинаковые условия почвообразования.

Почвообразующие породы. В одних и тех же природных условиях, но на различных материнских породах могут формироваться разные почвы. Это обусловлено тем, что почва наследует от почвообразующей породы гранулометрический, минералогический и химический составы, а также физические свойства. От материнских пород зависят биологическая продуктивность, скорость разложения растительных остатков и образование гумуса. Так, в таежно-лесной зоне на алюмосиликатной морене формируются малоплодородные подзолистые почвы, а на карбонатной морене — почвы с высоким плодородием, имеющие хорошо развитый гумусовый горизонт. В южных зонах на засоленных породах образуются солончаки и солонцы.

Биологический фактор. Ведущая роль в образовании и формировании плодородия почв принадлежит трем группам организмов — зеленым растениям, микроорганизмам и животным. Каждая из этих групп организмов выполняет свои функции, но только при их совместной деятельности материнская горная порода превращается в почву.

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 накапливаются элементы питания, образуется и разрушается органическое вещество. Вместе с биомассой в почвах аккумулируется солнечная энергия.

Распределение растительности подчиняется закону широтной зональности. В каждой природной зоне продуктивность растительных сообществ зависит от климатических и почвенных условий.

В лесах общая биомасса наибольшая, однако, ежегодный прирост в них значительно меньше, чем в луговых степях. Ежегодный опад в лесах, особенно хвойных, составляет незначительную часть, что является причиной низкого плодородия лесных почв. В травянистых сообществах луговых степей ежегодный прирост больше, чем в лесах, и почти вся биомасса ежегодно возвращается в почву, формируя мощный гумусовый горизонт и создавая высокое плодородие. Таким образом, от типа растительности и интенсивности биологического круговорота зависят почвообразовательный процесс и свойства почв.

В почве и на ее поверхности находится огромное количество микроорганизмов: бактерий, грибов, актиномицетов, а также водорослей и лишайников. В верхних слоях их количество колеблется от миллионов до миллиардов в 1 г почвы, а общая масса составляет 3…8 т/га. Наименьшее содержание микроорганизмов характерно для почв тундры и северной тайги, а наибольшее — для черноземных и сероземных почв.

Содержание микроорганизмов в почвах варьирует в течение года, что связано с изменением гидротермического режима и многократными генерациями микроорганизмов. Жизнедеятельность микроорганизмов активнее всего летом при благоприятной влажности почвы. В жаркое время, когда почва высыхает, жизнедеятельность микроорганизмов приостанавливается. Оптимальная температура для микроорганизмов 20…35 °С. Бактерии лучше развиваются в нейтральной или слабощелочной среде, грибы — в кислой.

Бактерии — наиболее распространенные в почве микроорганизмы. Больше всего их в верхних горизонтах, особенно в пахотном слое, где создаются лучшие условия аэрации.

По потребности в свободном кислороде воздуха бактерии подразделяют на аэробные, анаэробные и факультативные. Аэробные бактерии живут при наличии кислорода воздуха, анаэробные — без доступа воздуха, а факультативные — как в присутствии воздуха, так и без него.

По способу питания бактерии бывают автотрофные и гетеротрофные. Автотрофные бактерии по способу добывания энергии делятся на фотосинтезирующие и хемосинтезирующие. К фотосинтезирующим относятся цветные, зеленые и пурпурные бактерии. Для превращения углерода СО 2 в органические соединения своего тела они используют солнечную энергию (фотосинтез). К хемосинтезирующим относятся нитрифицирующие бактерии, серобактерии и железобактерии.

Нитрифицирующие бактерии окисляют аммиачные соли до нитратов. При благоприятных условиях аэрации на 1 га в рыхлых пахотных почвах за вегетационный период может накопиться до 300 кг нитратов, которые необходимы растениям в качестве источника азотного питания.

Серобактерии окисляют сероводород и серу до серной кислоты, соединяющейся с основаниями с образованием сульфатов, которые могут усваивать растения.

Железобактерии превращают закисные соединения железа в оксиды. Этот процесс протекает в заболоченных почвах.

Гетеротрофные бактерии для питания используют готовое органическое вещество. Они участвуют в таких важнейших процессах почвообразования, как разложение растительных остатков и образование гумуса.

Актиномицеты — это группа бактерий, образующих ветвящиеся клетки, или гифы. Они широко распространены в почве, воде, навозе и других средах. В 1 г почвы их число может достигать 15…36 млн, а масса в пересчете на 1 га — 500…700 кг. Они разлагают клетчатку, лигнин и активно участвуют в образовании гумуса.

Грибы — это гетеротрофные организмы, питающиеся остатками растений и животных. Их можно считать «всеядными», азот они усваивают из минеральных и органических соединений. Углерод грибы потребляют из крахмала, пектина, клетчатки, лигнина и даже амидов. Им необходимы также минеральные вещества (фосфор, калий, магний, сера, железо, марганец и др.).

Многие виды грибов выполняют важную функцию — обеспечивают растения питательными веществами. У некоторых древесных пород (дуб, береза, осина, сосна и др.) окончания корней окутаны грибной микоризой, которая выполняет функцию всасывающего аппарата.

Грибы принимают активное участие в почвообразовательном процессе, в разложении грубых остатков, поступающих в почву, и в образовании гумуса.

Водоросли — автотрофные фотосинтезирующие микроорганизмы, распространенные преимущественно на поверхности почвы.

В их клетках содержится хлорофилл, с помощью которого происходит фотосинтез — образование из СО 2 и воды органического вещества.

Зеленые водоросли обитают в районах с холодным климатом, сине-зеленые — в районах с теплым климатом. Водоросли участвуют в процессах выветривания и в первичном почвообразовательном процессе. На рисовых полях водоросли насыщают воду кислородом, без которого растения риса не могут развиваться.

Лишайники — симбиотические организмы, состоящие из двух компонентов: гриба и водорослей. Гриб обеспечивает водоросли водой и минеральными элементами питания, а водоросли синтезируют углеводы, которые потребляет гриб.

По внешнему виду различают накипные, листоватые и кустистые лишайники. Одни из лишайников обильно покрывают почву, другие — деревья в лесотундре и в заболоченных местах средней полосы. В горах распространены литофитные лишайники, живущие на камнях и скалах. Своими гифами лишайники внедряются в горные породы, разрушая их. В результате биологического выветривания образуются примитивные почвы, находящиеся в зачаточном состоянии.

Микроорганизмы участвуют в трансформации органических веществ, образовании простых солей из минеральных и органических соединений почвы, в разрушении и новообразовании почвенных минералов, в передвижении и аккумуляции продуктов почвообразования. Микроорганизмы являются важным звеном биологического круговорота веществ. Их жизнедеятельность сильно влияет на биохимические процессы, питательный и воздушный режимы почвы и на развитие почвенного плодородия.

Почва — среда обитания многих представителей простейших, беспозвоночных и позвоночных животных.

Простейшие — это микроскопические одноклеточные организмы, к которым относятся жгутиковые, амебы, корненожки и инфузории. Они питаются бактериями, водорослями и более мелкими видами простейших. Большинство простейших живут в поверхностном 15-сантиметровом слое почвы в аэробных условиях и участвуют в разложении органических веществ.

Беспозвоночные животные (дождевые черви, членистоногие — клещи, ногохвостки и др.) принимают активное участие в почвообразовании. Дождевые черви улучшают физические свойства почвы: проделывают многочисленные ходы, повышают пористость, аэрацию и водопроницаемость почвы. Продукты жизнедеятельности дождевых червей (копролиты) увеличивают содержание гумуса и емкость поглощения почвы, способствуют образованию водопрочной структуры. Дождевые черви улучшают и химические свойства почвы, снижают ее кислотность. Насекомые (жуки, муравьи и др.) разрыхляют почву, улучшают ее физические свойства, участвуют в минерализации растительных остатков и обогащают почву гумусом.

Позвоночные животные (кроты, суслики, мыши и др.) проделывают в земле различные ходы, смешивают растительные остатки с породой и почвой. Растительность, переработанная в пищеварительных органах животных, попадая в почву, превращается в гумус.

В зоне каштановых почв сурки нередко создают бугристый рельеф, сурчины ухудшают качество почвенного покрова за счет выброшенных на поверхность пород. Массы пород, извлекаемые с глубины, могут вызывать засоление верхних почвенных горизонтов. Землерои часто улучшают водные, воздушные и физические свойства почв. В степях перерытость почвы землероями бывает настолько велика, что почву называют перерытый «кротовинный» чернозем, а в зоне сухих степей — перерытая каштановая почва.

Возраст почв. В развитии почвы различают абсолютный и относительный возраст.

Абсолютный возраст определяется временем, прошедшим от начала возникновения почвы до современной стадии ее развития. Чем раньше территория освободилась от моря или ледника, тем больший возраст имеет почва. Это обусловлено суммарным проявлением биологических процессов.

В южных зонах, где на земную поверхность поступает много солнечного света и тепла, биологические процессы протекали более длительный период, чем в северных зонах, поэтому на юге почвообразование наиболее древнее. К старым почвам нашей страны относятся каштановые почвы и черноземы. На севере на поверхность земли поступает меньше солнечной энергии, биологические процессы в зимний период замедленны, кроме того, в ледниковые периоды почвы были разрушены материковыми льдами, абсолютный возраст почв определяется временем последнего ледникового периода (10…25 тыс. лет). Поэтому в таежно-лесной зоне почвы более молодые, чем в степной зоне.

Еще меньший абсолютный возраст имеют почвы тундровой зоны, где территория освободилась от ледника и морских вод в наиболее поздний период.

Относительный возраст зависит от рельефа и свойств почвообразующих пород. Эти факторы влияют на интенсивность почвообразовательных процессов. Так, в Черноземной зоне на песках под сосновым лесом наблюдается более ранний подзолистый период почвообразования, а на суглинистых породах уже давно сформированы лугово-степные черноземные почвы. О влиянии рельефа на относительный возраст почв было сказано выше. Различия в рельефе создают разные направления и скорости биологических процессов на участках, имеющих одинаковый абсолютный возраст.

Производственная деятельность человека. Освоенная почва подвергается сильному воздействию обрабатывающих орудий, на ее состав и свойства влияют вносимые удобрения, мелиоративные мероприятия и др. При этом ее свойства изменяются значительно быстрее, чем это происходит в природных условиях. Действие природных факторов продолжается, но сильно видоизменяется. Влияние климата на обрабатываемую почву становится иным, в особенности в условиях мелиорации — орошения и осушения. С заменой природной растительности на культурную, изменяются состав почвенных микроорганизмов и характер биохимических процессов.

В результате правильной агротехники, применения высоких доз органических удобрений, фитомелиорации и других приемов создаются окультуренные и культурные почвы.

Знание законов развития почв необходимо для целенаправленного расширенного воспроизводства почвенного плодородия. Проект землеустройства, составленный с учетом взаимосвязей всех факторов почвообразования в ландшафте, — важная предпосылка для применения системы земледелия, обеспечивающей формирование почв с более высоким уровнем эффективного и потенциального плодородия. Если же производственная деятельность осуществляется без учета условий развития почв и их свойств, то возникают такие отрицательные последствия, как эрозия, засоление, заболачивание, загрязнение, дегумификация, разрушение структуры почв и др.