Тема1.2. Факторы почвообразования

Учение о факторах почвообразования, по выражению В.В. Докучаева, является краеугольным камнем почвоведения как науки. К пяти факторам почвообразования, установленным ученым – почвообразующим породам, растительным и животным организмам, климату, рельефу и времени – позже были добавлены воды (почвенные и грунтовые) и хозяйственная деятельность человека. С учетом этих добавлений определение почвы можно выразить в виде формулы, показывающей функциональную зависимость почвы от почвообразующих факторов во времени:

П=f (П.П., Р.О., Ж.О., Э.К., Р., В., Д.Ч.) t,

где П – почва; П.П. – почвообразующие породы; Р.О. – растительные организмы; Ж.О. – животные организмы; Э.К. – элементы климата; Р. – рельеф; В. – воды; Д.Ч. – деятельность человека, t – время.

Кратко рассмотрим особенности отдельных факторов почвообразования.

1. Почвообразующие породы служат источником образования минеральной части почвы, а также источником связанной с ними энергии (химической, поверхностной, тепловой), принимающей участие в почвообразовании. Почвообразующие породы представляют собой тот субстрат, на котором происходит формирование почвы. Характер и степень выраженности почвообразовательного процесса в тех или иных гидротермических условиях в известной мере предопределяется химическим и механическим составом горных пород. Материнские породы обуславливают следующие важнейшие свойства почв: 1)гранулометрический (механический) состав почв; 2) химический и минералогический составы почв; 3) физические и физико-химические свойства почв; 4) водно-воздушный, тепловой и пищевой режимы почв. В то же время почвообразующие породы, определяя строение почв, характер их эволюции, пестроту почвенного покрова, существенно влияют на многие факторы и процессы почвообразования:

1. на скорость почвообразовательного процесса, обуславливающую разную мощность почвенных профилей;
2. на уровень плодородия, прямо зависящий от исходного состава пород, богатых или бедных химическими элементами, разной степени устойчивости в зоне формирования почв – в зоне гипергенеза;
3. на характер орошаемого земледелия и осушительных мелиораций;
4. на структуру почвенного покрова, определяющую разную мозаичность, сложность и контрастность почвенного покрова.

По своему составу почвообразующие породы чрезвычайно разнообразны. Как правило, они делятся на группы пород разного генезиса, физико-механических и химических свойств и потенциального плодородия.

Массивно-кристаллические породы магматического и метаморфического генезиса. Магматические породы по своему составу достаточно стабильны и содержат главным образом соединения кремния, алюминия, железа, щелочей, магния и кальция. По содержанию Si02 магматические породы подразделяются на четыре группы: кислые (>65%), средние (52 — 65%), основные (40—52%) и ультраосновные (<40 %). Наиболее представительны две большие группы: кислые и основные породы. Как будет видно в дальнейшем, при характеристике многих типов почв именно этот фактор приуроченности почв к кислым или основным магматическим почвообразующим породам является решающим в отношении генезиса, эволюции и свойств почв.

Кислые магматические породы — граниты, пегматиты, риолиты, дацит и другие — обычно имеют светлую и буроватую окраску с выраженными кристаллами кварца, полевых шпатов, слюд. Содержание Si02 в них высокое (более 65 %) при заметном количестве калия и натрия. В то же время железа немного, а кальция и магния ничтожно мало. Почвы на кислых магматических породах, например на гранитах, отличаются на ранних стадиях выветривания рыхлостью, гравийным характером исходного материала. При выветривании в гумидных условиях они легко теряют щелочноземельные элементы, вследствие чего почвы на таких выветрелых субстратах (элювии пород) чрезвычайно бедные, малоплодородные.

Основные магматические породы — базальт, габбро и др., как правило, имеют темную (до черной) окраску. Для них характерно более низкое по сравнению с кислыми породами содержание SiOj. Основные магматические породы относительно богаты соединениями железа, марганца, хрома, кобальта, цинка, титана, никеля, меди. Продукты их выветривания довольно быстро приобретают глинистый характер, длительно сохраняют щелочную и нейтральную реакцию, отличаются повышенным содержанием гумуса и глинистых минералов. Почвы на таких породах более плодородны.

Кроме кислых и основных пород нередко встречаются магматические породы переходного типа (средние) — интрузивные породы группы диорита и их эффузивные аналоги — андезиты. Соответственно и почвы на этих породах приобретают черты, сходные с почвами, приуроченными к кислым или основным породам. Значительно реже распространены ультраосновные породы: перидотиты и пикриты, у которых содержание Si02 самое низкое.

Метаморфические породы — переходные между массивно-кристаллическими и осадочными породами. Древние осадочные породы при погружении, высоком давлении и температурах метаморфизируются, образуя гнейсы, серпентиниты, мрамор, кварциты, глинистые сланцы. Гнейсы по своему составу особенно близки к гранитам. Почвы, формирующиеся на таких породах, имеют сходные черты с почвами на собственно кислых магматических породах.

Осадочные почвообразующие породы преобладают на земной поверхности и по своему генезису делятся на породы морского и континентального происхождения. По объемной массе они легче магматических пород и разнообразнее по сложению, цвету, структуре. Доминируют глинистые сланцы (77 %), песчаники и известняки встречаются значительно реже (11,3 %). Среди осадочных пород морского происхождения наиболее типичны известняки, конгломераты, кварциты, песчаники, глинистые сланцы, глины. Континентальные осадочные породы представлены конгломератами, галечниками, песчаниками, песками, глинами, суглинками, солями и другими отложениями. Они плащом покрывают изверженные магматические породы и древние морские осадочные породы, образуя покровы на горных хребтах, в конусах выноса и дельтах рек. Возраст осадочных пород сильно варьирует от древних (десятки и сотни миллионов лет) до молодых — четвертичных (десятки и сотни тысяч лет). Четвертичные отложения, как правило, более рыхлые и территориально тяготеют к регионам четвертичных оледенений.

По происхождению и химизму осадочные породы делятся на следующие группы.

Механические наносы: а) грубообломочные (> 1 мм) — каменистая морена, галечники, отложения щебня, дресвы, гравия; б) пески (1—0,1 мм) — прибрежные, ледниковые, речные (флювиальные), эоловые; в) суглинки (0,1 — 0,01 мм) — ледниковые, флювиальные (среди суглинистых осадочных пород особенно важны лессы и лессовидные породы, распространенные в Центральной Азии, Восточной и Западной Европе, США, Аргентине, Уругвае); г) глины (<0,01 мм) — осадки стоячих водоемов, рек, озер, лагун, эстуариев, заливов и т.д.

химические осадки: пресноводный мергель (известковая порода, содержащая 20 —30 % углекислого кальция), гипс, мирабилит, поваренная соль, кремнезем, окислы железа и др.

Осадочные породы биогенного происхождения: торф, сапропель — органический ил на дне пресноводных озер, некоторые известняки, трепел (скопление кремневых панцирей диатомовых водорослей.

Покровные суглинки, флювиогляциальные пески, морены и лессы — наиболее распространенные породы на территории России. Их происхождение связано с эпохами оледенений четвертичного периода. Покровные суглинки различного механического состава сплошным чехлом перекрывают отложения морены на водоразделах.

Лёсс — тонкозернистая карбонатная осадочная порода пылевато-суглинистого механического состава. Существует несколько гипотез лёссообразования: эоловая (В.А. Обручев), водно-ледниковая (В. В.Докучаев) и почвенная (Л. С. Берг). Эоловая гипотеза базируется на процессах фенового развевания пыли морен и зандровых отложений в ледниковый период или из пустынных областей в послеледниковый период. Водно-ледниковая гипотеза связывает происхождение лессов с осаждением пылевато-суглинистого материала из водно-ледниковых потоков в приледниковых районах. Почвенная гипотеза рассматривает лесс как продукт выветривания и почвообразования делювиальных, аллювиальных и флювиогляциальных наносов в условиях сухого климата и при наличии карбоната кальция.

Однозначного решения в пользу только одной из гипотез нет. В каждом конкретном случае можно найти аргументы «за» и «против». Вместе с тем с позиций почвообразования это не столь важно, как казалось бы. Важнее знать региональные физико-химические свойства лессов, определяющие даже при незначительных различиях в них характер почвообразования, и, следовательно, свойства почв.

2. Организмы. Роль биологической деятельности в почвообразовании колоссальна. Почвообразование на Земле началось только после появления жизни. Любая горная порода, как бы глубоко разложена и выветрена она ни была, еще не будет почвой. Только длительное взаимодействие материнских пород с растительными и животными организмами в определенных климатических условиях создает специфические качества, отличающие почву от горных пород.

Почва является открытой живой системой. Однако при оценке ее плодородия и бонитировке показатели биологических свойств практически не используются. Как правило, употребляются параметры, характеризующие статичность почвы, запасы отдельных компонентов. Но, даже при идеальной физико-химической характеристике почвенных свойств почва может быть практически “мертвой”. Биологический круговорот не будет осуществляться. Следовательно, это уже будет не почва, а субстрат, утративший жизнь.

Живое вещество (по В.И. Вернадскому) – есть совокупность всех растительных и животных организмов, выступающая в истории развития биосферы, как мощная геологическая сила. Состав этого «живого вещества» почв, его неделимых частей – организмов, их популяций и сообществ, работу и результаты их деятельности как раз и изучает наука биология почв.

Живое вещество, вошедшее в состав почвы, обусловливает в ней самые разнообразные изменения свойств: создает мелкоземистость и рыхлость, влияет на физические свойства, химические процессы, приводит к «смешению химических элементами силами жизни». Благодаря деятельности живого вещества была создана азотно-кислородная атмосфера на Земле.

В почвенной системе выделяют три подраздела с разными условиями жизни для микробиоты (по Г.А. Заварзину, 2003): а) первичные продуценты – растения с их корневой системой, населенной консорциумом микроорганизмов, включающим микоризу, бактерии ризосферы; б) микробное сообщество, осуществляющее деструкцию мортмассы, конечным продуктом которой является гумус; в) микробное сообщество, взаимодействующее с минеральной частью, конечным результатом чего является превращение минералов материнской породы в почвенные минералы с наиболее характерной группой глинистых минералов.

Общая закономерность развития теоретического почвоведения – постоянное повышение статуса организмов в почвообразовании (Ярилов, 1937). По В.В.Докучаеву, организмы (живая фаза) один из факторов почвообразования.

Познание роли организмов в формировании почв происходило сложными и извилистыми путями. Одна из сложностей заключалась в том, что общее признание роли организмов и получение конкретных данных о такой роли были очень разными вопросами (Иванов, 2003).

Почвы и растения. Известно, что растения в результате фотосинтеза служат основным поставщиком органического вещества в почвы. Высока их роль в образовании гумуса. При изучении почв обнаружилась связь в распространении почв и растений. Эти знания использовались и применяются до сих пор в фитоиндикации (распознавание свойств по растениям). Например, такие растения, как кошачья лапка, звездчатка злачная (мокрица), хвощ полевой, подорожник указывают на кислую реакцию среды (рН) в почве. Проблемы фитоиндикации подробно рассмотрены в работах Л.Г. Раменского (1956, 1971); С.В. Викторова (1974, 1985).

При исследовании фитоценозов, лесов и пастбищ важным направлением стало познание биологической продуктивности в целом, ее структуры, количественного, в том числе весового, соотношения надземной и подземной частей, опада, подстилки (мортмассы). Большое значение для почвоведения России приобрели исследования наземной и подземной частей растительности. Они показали резкое преобладание в степях подземной фитомассы над наземной. Таким образом, основные функции растений: 1) продуценты органического вещества почвы; 2) индикаторы биогеоценозов; 3) фиксаторы солнечной энергии; 4) принимают участие в регулировании водного и температурного режима почвы; 5) корневые выделения оказывают существенное влияние на биохимические процессы в почве.

Почвы и микроорганизмы, почвенная микробиология. Исследование роли микроорганизмов в почвообразовании стало возможным в результате работ Л. Пастера. Начало становления микробиологии почв в мире и в России как самостоятельного раздела почвоведения приходится на тридцатые годы двадцатого века. Оно связано с именами С.А. Ваксмана (США), а в нашей стране – Н.Г. Холодного, С.П. Костычева, Д.М. Новогрудского, Н.Н. Худякова, Е.Н. Мишустина, Н.М. Лазарева, Н.А. Красильникова. Их работами были установлены первые микробиологические различия между почвами разных природных зон, гранулометрического состава и неодинакового землепользования. На кафедре биологии почв МГУ во второй половине двадцатого века установлены основные принципы строения и функционирования комплекса почвенных микроорганизмов. Определено значение адгезии клеток в жизнедеятельности почвенных микробов. Впервые было обосновано положение о том, что разные уровни антропогенных нагрузок на микробную систему почвы вызывают разные типы ее изменчивости.

Основные функции микроорганизмов: 1) деструкция и синтез органического вещества; 2) определяют интенсивность биологических процессов в почве; 3) влияют на пищевой режим; 4) могут быть индикаторами экологического состояния почв.

Зоология почв. Общие соображения о роли животных в образовании почв высказывались, начиная с эпохи Возрождения. Докучаев и Костычев отмечали активную жизнь животных в черноземе. Первый фундаментальный труд о роли дождевых червей в образовании почв принадлежит Ч. Дарвину. Систематические исследования по зоологии почв начались в конце 1930-х гг. опубликованием работы М.С. Гилярова «Почвенная фауна и жизнь почвы».

Масса органического вещества создаваемая растениями и водорослями, т.е. первичными продуцентами, поступает далее в биологический круговорот к следующему звену – потребителям растительной продукции. Часть этой массы отчуждается (поедается) непосредственно «на корню» животными фитофагами, другая часть поступает в сапротрофный ярус, в котором происходит потребление и разложение мертвых растительных остатков. В этой части цикла животные - преобразователи органической массы, хотя их роль как разлагателей менее значительная, чем роль грибов и бактерий.

Сейчас установлено, что практически все природные почвы заселены животными, состав и обилие которых определяется особенностями гидротермического режима, физико-химическими свойствами минеральной массы, составом и структурой растительного покрова и микробного населения.

Функции почвенных животных: 1) влияют на формирование почвенного профиля; 2) определяют динамику содержания гумуса, химизм почв, структуру; 3) обуславливают темпы деструкционных процессов и биологическую активность; 4) питаясь живыми и отмершими растительными тканями, создают органогенный слой, в котором почти 90 % массы составляют их экскременты; эта масса составляет основу гумусового горизонта, состав и структура которого постепенно усложняется и дифференцируется в ходе растительной сукцессии и накопления мелкозема, растительного опада и отмершей корневой массы.

Общая характеристика животного населения почвы складывается из оценки размеров, численности, зоомассы и суммарного метаболизма почвенной фауны. Подробно данные об этих показателях можно найти у М.С. Гилярова (1965), Б.Р. Стригановой (2003).

Информацию о распространении почвенных животных можно использовать для целей зооиндикации во время биодиагностики почв. Зооиндикация – это распознавание на основе почвенной фауны. Для правильной диагностики необходимо знать экологию почвообитающих организмов (Бабьева, Зенова, 1989). Каждый вид в пределах своего ареала занимает определенные местообитания, совокупность условий в которых отвечает исторически выработавшимся требованиям данного вида. Условия, отвечающие требованиям того или иного комплекса организмов, приводят к формированию определенных типов почв.

Изучение биологического круговорота и биогеохимических циклов занимает особое место в почвенной биологии в последние годы. Интерес связан с тем, что именно через почву и почвенный покров проходят сложнейшие процессы обмена веществом и энергией между земной корой, атмосферой и гидросферой со всеми обитающими на земле организмами. К настоящему времени известно не менее 65 элементов периодической системы, которые подвергаются микробному воздействию, вызывающему, по образному выражению В.И. Вернадского, «вихрь миграции элементов».

Микробные системы играют первостепенную роль в биологическом круговороте и определяют гомеостаз (устойчивость) экосистем. Почвенные микроорганизмы в естественных биогеоценозах поддерживают на постоянном, характерном для данного типа почвы уровне органическое вещество (гумус), содержание подвижного азота, фосфора, скорость разрушения минералов и т.д. Современные исследования направлены на поиск оценочных показателей, с помощью которых можно было диагностировать и документировать потенциальный риск изменения устойчивости почв в результате влияния внешних воздействий (Ананьева, 2003). Важнейшей составляющей почвы является микробная биомасса (МБ). Доля этого компонента в составе органического вещества незначительна (до 5%). Однако, считается, что круговорот веществ и энергии не может осуществиться, не пройдя через микробную биомассу. МБ – живая часть органического углерода почвы и более чувствительная к различным воздействиям и нарушениям, чем органическое вещество в целом.

Хозяйственная деятельность человека, в частности в сельском хозяйстве, приводит к интенсификации процессов, осуществляемых почвенными микроорганизмами. В результате происходят чрезмерно быстрое разрушение органического вещества, превращение внесенных азотных удобрений в нитраты с последующим их вымыванием в грунтовые воды и реки, развитие процесса денитрификации и т.д.

Таким образом, общий тезис, часто применяемый в почвенной микробиологии, «чем больше, тем лучше» (в отношении количества микроорганизмов, ферментативной активности почв, скорости разложения клетчатки на зарытых в почву кусках ткани, дыхания почвы и т.д.), кажется все более сомнительным (Звягинцев, 2003). Отличие микроорганизмов от высших организмов состоит в том, что их количество может быть совсем непропорционально их реальному воздействию на экосистему и не пропорционально интенсивности проводимых ими процессов. Количество же животных и растений, а также их биомасса в гораздо большей степени пропорциональны их вкладу в круговорот вещества и энергии в экосистеме.

3. Рельеф в отличие от почвообразующих пород в большей степени выполняет косвенную функцию в почвообразовательном процессе, перераспределяя те компоненты географической среды, которые определяют энергетику почвообразования. К ним относятся теплота, влага и растворы, а также твердые вещества. Рельеф характеризуется рядом количественных (форма и размеры), а также генетических параметров, которые играют дополнительную и определяющую роль в почвообразовательном процессе. К ним относятся поименно-долинный комплекс рельефа, абразионная равнина, аллювиальные равнины и равнины морской аккумуляции, карстовые тропические комплексы рельефа, эрозионные, эоловые и водные формы рельефа и др. Каждому из этих генетических типов рельефа соответствует свой набор почв.

Подчеркивая роль рельефа как фактора почвообразования, В.В.Докучаев в своей первой генетической классификации почв разделил их по способу залегания на нормальные, переходные и анормальные. Н. М. Сибирцев в попытке увязать рельеф, почвенный покров и конкретные ландшафтные условия предложил выделять зональные (на водоразделах), интразональные (в депрессиях) и азональные (неполноразвитые, рыхлопесчаные) почвы. П. С. Коссович видел роль рельефа в характере соподчиненности почв, выделяя среди них генетически самостоятельные (на плакорах) и генетически подчиненные (в понижениях).

Наибольший вклад в изучение рельефа и его роли в почвообразовании внес С. С. Неуструев, который сформулировал главный тезис о косвенном влиянии рельефа как почвообразователя посредством перераспределения климатических параметров: теплоты, влаги и света. Он предложил также широко используемые и в настоящее время понятия «автоморфные (водораздельные) почвы» и «гидроморфные почвы», отражающие соподчиненность почв, генетическую взаимосвязь между ними и специфическое проявление вертикальной зональности.

С. С. Неуструев первым в начале XX в. предложил ставшие базовыми понятия, относящиеся к географии почв, — комбинация, а также сочетания и комплексы почв. Сочетания и комплексы почв связывались им с определенными формами рельефа: сочетания — с мезоформами, а комплексы — с микроформами рельефа.

Независимо от Неуструева и значительно позже, в 1935 г., английский исследователь Дж. Милн предложил более широкий аналог сочетания почв, назвав его катена. Катена — сочетание почв, обусловленное не только формами мезорельефа, но и возрастом этих форм и составом почвообразующих пород. В почвенном покрове определенным формам рельефа соответствуют и определенные комбинации почв, различающиеся генезисом, сложностью и контрастностью почвенного покрова. Деление рельефа на мега-, макро-, мезо-, микро- и наноформы получило большое распространение в практике почвенно-географических исследований.

В отечественной терминологии, как предлагал С. С. Неуструев, сопряжение почв с определенными формами рельефа принято называть комбинацией почв, а почвенный покров, состоящий из многочисленных и разнообразных комбинаций, обусловленных рельефом, — комплексным.

Независимо от формы и уровней дифференциации рельефа его роль в почвообразовании заключается в перераспределении на земной поверхности в той или иной степени следующих факторов:

1. теплоты — радиационной энергии Солнца (влияние экспозиции склонов в разных широтах);

2. влаги и растворенных в ней веществ в форме водных молекулярных или коллоидных растворов, а также в форме твердых взвесей при плоскостном поверхностном стоке, солифлюкции и т.д.; следствие таких миграций — различный водный режим и генетическое разнообразие типов почв;

3. твердых веществ; результат — различная мощность почв в зависимости от степени выноса и аккумуляции выносимого материала, а также обновление субстрата с доминантой синлитоген-ного почвообразования, почвообразования на постоянно обновляемом субстрате.

4. Климат

Почва — сложная динамическая система, в которой постоянно изменяются состав, свойства и энергия. Эти изменения составляют почвообразовательный процесс. В. В. Докучаев выделил следующие факторы почвообразова­ния: климат, рельеф, материнские породы, животный и раститель­ный, мир и возраст страны. Ведущую роль в почвообразовании В. В. Докучаев отводил климату.

В дальнейшем в его работах подчеркивается значение биологического фактора, действующего совместно с другими фак­торами. В. Р. Вильямс в почвообразовательном процессе выдвинул на первое место биологический фактор и деятельность человека. Живые организмы создают в почве органические вещества, структурные агрегаты, изменяют состав минералов и почвенного раствора, а человек переделывает природные почвы в культурные путем обработки, внесения удобрений, возделывания растений. Количество выпадаю­щих осадков оказывает влияние на влажность почвы, т. е. на со­здание условий для жизнедеятельности растений и микроорганиз­мов, населяющих почву. Часть воды, выпадающая в форме осадков, испаряется, часть стекает по склонам и, наконец, часть задерживается в почве. Поч­венная влага, так же как и стекающая с поверхности почвы и ис­паряющаяся, участвует в почвообразовательном процессе. Первая растворяет и перемещает по профилю почвы минеральные вещест­ва, влияет на воздушный режим, вторая перемещает минеральные и органические частицы почвы по склонам, производя снос или нанос мелкозема, третья увлажняет окружающий воздух, охлаж­дает почву. Количество осадков и их характер зависят от географического положения, удаленности от морей и океанов. Во время обильных дождей, особенно ливневых, значительная часть минеральных и органических веществ перемещается на нижние элементы релье­фа при этом часто образуются промоины, смывы, овраги и на­мывы.

Выпавший снег утепляет почву, удлиняя период деятельности микроорганизмов. При сдувании снега и образовании сугробов создаются неравномерные условия увлажнения почвы талыми водами, что также влияет на почвообразовательный процесс. Грунтовые воды при сильной их минерализации могут вызвать засоление почвы. Их близкое залегание к поверхности создает избыточное увлажнение и ведет к заболачиванию. От температуры воздуха и почвы зависит скорость химических и биохимических реакций в почве. Температура влияет на интен­сивность испарения влаги и на влажность почвы. С повышением температуры примерно до 20-35°С усиливается жизнедеятельность микроорганизмов и растений. Если температура почвы превышает 40 °С, то жизнедеятельность организмов уменьшается или же пре­кращается.

При температуре, близкой к нулю, деятельность орга­низмов также прекращается. Велика роль и ветра, особенно на открытых выровненных про­странствах, например в пустынях, степях и тундрах. Выдувая с поверхности почвы пылеватые и песчаные частицы, ветер часто изменяет почвенный профиль так, что он теряет свои первона­чальные генетические признаки. Иногда на поверхности остаются лишь слабо измененные почвообразовательным процессом выступы материнских пород. Ветер выравнивает отрицательные элементы рельефа, а места­ми создает бугристые, наносные формы и тем самым изменяет вообще почвообразовательный процесс. Ветром со стороны морей и океанов переносятся растворимые в воде и поднятые брызгами волн соли, способствуя тем самым накоплению соли в приморских почвах.Сухие ветры (суховеи) вызывают гибель посевов, а местами от них выгорает и естественная растительность.

Контрольные вопросы

1. В чем сущность почвообразовательного процесса?
2. Какова роль климата, рельефа, почвообразующих пород как факторов почвообразования?
3. В чем сущность почвообразовательного процесса?
4. Почему растительность – ведущий фактор почвообразования?
5. Каково влияние деятельности человека на свойства почв?
6. Почему элементарные процессы называются элементарными?
7. В чем разница между дерновым и черноземным почвообразовательными процессами?
8. Назовите основные черты микропроцессов?