Лекція 2.

ПОХОДЖЕННЯ, СКЛАД, ВЛАСТИВОСТІ,

БІОГЕОХІМІЯ ГРУНТІВ, ҐРУНТОВО-ЕКОЛОГІЧНІ РЕЖИМИ

План:

1. Загальна схема грунтогенезу

2.2. Фактори та умови ґрунтогенезу

2.3. Біогеохімія, енергетика, інформативність, типи ґрунтогенезу

2.4. Еколого-біогеохімічні типи ґрунтогенезу

Загальне ґрунтознавство вивчає поступове перетворення на земній поверхні абіогенних компонентів літосфери на родючий ґрунт, органо-мінеральне (за В.В. Докучаєвим), біокосне (за В.І. Вернадським) природно-історичне тіло з важливими загальнобіосферними, господарськими, екосоціальними функціями, унікальними властивостями та ґрунтово-екологічними режимами. Ґрунт, як біосферний феномен, утворений в результаті природного ґрунтогенезу (грунтотворчого проце-су), водночас є об'єктом землекористування та господарювання, що еволюціонує нині під їх впливом в антропотехногенні продукти.

1. Загальна схема грунтогенезу

Ґрунтотворний процес - це складний комплекс притаманних винятково приповерхневим горизонтам земної суші явищ, реакцій, взаємодій, ініційованих у біосфері земним екзогенезом і космічною енергією Сонця, трансформованою фотосинтезом у біоенергію «живої речовини», а в подальшому - в органо-мінеральні сполуки ґрунту. Він характеризується певними моделями ґрунтогенезу та породжених ними ґрунтів.

Геоекологічна модель репрезентує ґрунт гетерогенним, анізотропним, органо-мінеральним, біокосним утворенням, ієрархічно вмонтованим разом з фітоценозами суші в природно-антропогенні ландшафти, біогеоценози (БГЦ), біосферу загалом. У такій моделі концентрується уявлення про ґрунт як природно-історичне тіло, породжене екзогенним розвитком земної суші, енергетикою Сонця його трансфор-мованою біоенергією. Екзогенез постійно удосконалює найвпливовішу з підсистем біосфери, якою є ґрунт; віддзеркалюючи її ландшафти, він є найважливішим засобом суспільного виробництва (в сільському господарстві - незамінний).

Загальноприйнято моделювати ґрунт у вигляді чотирифазної екологічної системи (системою умовно вважатимемо певне тіло визначених розмірів) – тверда, рідка, газова фази і біофаза – специфічна, організована, біосферна фаза, «жива речовина» (за В.І.Вернадським), яка, крім грунту - ґрунтосфери планети, трапляється в її акваторіях (гідросфері). Фазовий склад ґрунту, виходячи з правила фаз Гіббса, є X надзвичайно багатим і різноманітним. Фаза є однорідною частиною - грунту, яка виділяється з його найближчого оточення різкою зміною властивостей на межі з іншими фазами. Фаз у ґрунті значно більше від умовних чотирьох, і всі вони постійно взаємодіють між собою. Серед них найбільший (близько 50%) об'єм займають тверді фази, які вважають матрицею (каркасом) ґрунту, яка багато в чому визначає властивості та габітус його профілю й окремих генетичних горизонтів, суттєво впливає на властивості газової, рідкої та біогенної фаз.

Твердофазні продукти ґрунтогенезу складаються з органічної (горючої) та неорганічної (мінеральної) частин. Остання займає в грунті приблизно 90 - 97% за масою або 50% за об'ємом (і навіть більше - у піщаних ґрунтах). Дрібноземиста гетерогенна мінеральна маса ґрунту суттєво відрізняється від монолітно-однорідної (гомогенної) геологічної породи (граніту, базальту, мармуру, вапняку, крейди, кварциту). Відомі також і випадки, коли, навпаки, кількість мінеральних речовин знижується до 1% в низинних, а то й до 1–2 % у верхових малозольних сфагнових торф'яниках, але загалом констатується факт абсолютної масової переваги мінеральних речовин над органічними в більшості ґрунтів України та інших держав.

Рідкофазні компоненти ґрунту представлені ґрунтовим розчином органічних, мінеральних, органо-мінеральних сполук, кількість яких залежить від типу ґрунтогенезу (ґрунтовий розчин чорноземів, підзолів, солонців, червоноземів, інших ґрунтів якісно відрізняються).

Газова фаза ґрунту є набором газів, які надходять з атмосфери та утво-рюються під впливом ґрунтогенезу.

Біофаза - це сукупність «живої речовини», сформованої в результаті життєдіяльності вищих рослин та макро-, мезо-, мікро-, нанофауни ґрунтів.

Ще одна віртуальна модель логічно доповнюється уявленням про термо-динамічну відкритість ґрунту (як і самої біосфери та ландшафтної сфери Землі, яким він ієрархічно підпорядковується), класично структурованого в три взаємопов'язані на земній поверхні блоки: речовина + енергія + інформація.

Речовинний блок ґрунту комплектується з неживої (косної), живої (біоорганічної) і біокосної речовин. Суто ґрунтова унікальність такого комплекту зумовлена не його елементним складом, а генетично (еволюційно) встановленими пропорціями між хімічними елементами. Для рослин-ґрунтотворників вони задаються фотосин­тетично - фізіобіохімічною вибірковістю, а для самого ґрунту - біо­геохімією ґрунтогенезу.

Енергетичний блок грунту формується за рахунок:

• соняч­ної радіації (основна частина її витрачається на випаровування во­ди і на формування клімату, а 0,5 - 5,0% засвоюється фотосинтезуючими організмами і через їх посередництво надходить у ґрунт);

• гравітаційної енергії рельєфу;

• енергії радіоізотопного розпаду (ендогенного тепла);

• енергії мінеральної частини ґрунту, з її коло­сальною поверхнею;

• технохемогенної енергії (в окультурюваних ґрунтах). Унікальність ґрунтової енергії полягає у тому, що її кіль­кість, необхідна для нормального функціонування екосистем і під­тримання біогеохімічного колобігу речовин, зосереджена в гуму­сі - універсальному земному акумуляторі вкрай необхідної для життєпроявів біоенергії.

Інформаційний блок ґрунту (і самого ґрунтогенезу) не до­сить вивчений. Ґрунтогенна інформація є «записаною» на мінеральній матриці материнських порід, завдяки дії абіотичних, а головне - біотичних чинників ґрунтотворення. Інформацією тут є сенс вважати порушене одноманіття, або його віддзеркалення ґрунтово-екологічних режимів, ґрунтово-ценотичне біорізноманіття, пам'ять ґрунту (загалом геоекоінформацію).

Матрична модель ґрунту виводиться, виходячи з уявлення Л.О. Кар-пачевського про ґрунт, як пограничне тіло, сформоване екзогенезом (за В.О. Таргульяном) під час взаємодїї матричних твердих поверхонь літосфери з повітрям, водою, фітобіотою. Поверхневий шар ґрунтових частинок (з притаманною йому неврівноваженістю молекулярних зарядів і наявністю на верхніх шарах кристалічних решіток туманоподібного згустку протиіонів) вимірюється ангстрема­ми (десятими частками нанометра) і має співвідношення своєї тов­щини до діаметра колоїдів 1:10⁴ (10⁶). Відповідність цієї величини співвідношенню ґрунтосфера : літосфера (1:10⁶) дає підстави називати поверхневий шар частинок ґрунту грунтовою мінераль­ною матрицею (М.К. Крупський, Д.Г. Тихоненко, Л.О. Карпачевський, А.П. Травлєєв). Л.О. Карпачевський приписує матричним процесам роль постійно діючого в живій та неживій (абіотичній) природі тоталізатора, який змушує будь-яке тверде тіло або його фрагмент формувати в цілком певній орієнтації адсорбований шар речовини, в якому і проявляються найбільш виразні власти­вості самої матриці. Максимальний (100%) матричний ефект вияв­ляється при продукуванні ДНК і клітин у живому організмі, проте і в більшості інших випадків він продовжує залишатися достатньою мірою високим. Наприклад, при лабораторних імітаціях ґрунтових процесів він лише на 10 - 20% перекривається впливом сторонніх (позаматричних) чинників, а в разі розростання кристалів і матриці не знижується за межі 60 - 80%, коригуючись впливом температури та інших чинників ґрунтогенезу.

Ґрунтова мінеральна матриця визначає вологоємність, ємність вбирання, склад обмінно-увібраних катіонів, взаємодію ґрунту з во­дою, форму та міцність структурних агрегатів та багато інших дуже суттєвих властивостей ґрунту.

Органічна матриця грунту представлена гумусом, детритом, ферментами та іншими речовинами, які взаємодіють з мінеральною матрицею, формуючи суто ґрунтову органо-мінеральну матрицю на основі мінеральної, з якою постійно реагує органічна матриця, набуваючи притаманних лише їй специфічних рис (винятково завдяки матричному ефекту мінералів ґрунту). Ділянки мінеральної матриці, які взаємодіють з органічними речовинами, називаються активними центрами (кластерами), роль яких виконують атоми, іони, різні функціональні групи, молекули, особливо показові в новоутворюваних на поверхні ґрунтових мінералів феро -та парамагнетиків, оксидів, гідрооксидів, солей тощо.

Грунтогенез має межу в оформленні багатьох його властивостей. Так, верхні горизонти підзолистих ґрунтів не накопичують більше ніж 1,5 - 3,0% гумусу, чорноземи - 5 - 12, сіроземи - 1,0 - 3,5%. Ця межа якраз і задається розмірами матриці - в ґрунтах з повноцінною матрицею вміст гумусу завжди більший. Формування гумусу відбувається на ґрунтовій матриці з участю мінеральних каталізаторів (металів, силікатів, глинистих мінералів тощо). Вплив матриці проявляється в утворенні адсорбційних шарів і структур, адгезії мікроорга­нізмів на твердих ґрунтових частинках, іммобілізації ферментів, формуванні в профілі новоутворень та матричного гумусу, його ста­рінні (О.Н. Соколовський), каталітичних реакціях, структуроутво­ренні (зерниста, горіхувата, призматична, пластинчаста типи структур, що є наслідком матричних взаємодій, зумовлених розмаїтим «спектром активних центрів). Матричні взаємодії стимулюють утворення позаматричних кластерів - в адсорбційному шарі (сполуки заліза, фосфору, інших солей. Промивання останніх сприяє виді­ленню сольових кластерів з поверхонь ґрунтових частинок, залишаючи там лише суто матричні кластери (їх взаємодія з водою відбувається не так, як із сольовими кластерами).

Матрична модель грунтогенезу враховує визначальну роль матриці в гумусоутворенні, оструктурюванні, іммобілізації ферментів, а загалом - усіх біосферно значущих екологічних функцій ґрунту Передусім у формуванні екологічних ніш - порового простору). Через це матричну модель ґрунтогенезу вважають перспективним об’єктом дослідження молекулярного грунтознавства, яке вивчає роль мікропроцесів (взаємодій на рівні молекул та іонів) у формуванні мікровластивостей, які потім виявляються на макрорівні (механічна міцність агрегатів залежить від кількості активних центрів на мі­неральній матриці, яка є базовою для агрегатоутворення).

Модель ґрунту як екологічної ніші біосфери враховує його меш­канців:

- рослини - типові автотрофи-фотопродуценти з ризо -та філосферою, яка забезпечує біоциклічність кругообігу N. О, СО2, Н₂0 тощо;

- мікробні ценози - редуценти (авто -і гетеротрофи) з фермент­ними системами;

- тваринний світ гетеротрофів - споживачів фотосинтезованої продукції (у тому числі ентомофауна, найчисленніший його загін) - без ґрунту існувати не може.

Така модель тісно пов'язана з поняттям біому, яким Ф. Клементс позначив сукупність біоценозів великих територій (зона, об­ласть, регіон). Цей термін має неоднозначне смислове наповнення і трактування у різних авторів. Біом, за Ю. Одумом - це велика ре­гіональна або субконтинентальна екосистема з певним основним типом рослинності, ґрунтогенезу, або іншою специфічною ри­сою ландшафту. Основною ознакою, яка об'єктивує розмежування й діагностику біомів, є фізіономічно виражена життєва форма рослин кліматичного (зонального) клімату (трава, чагарник, листопадне чи хвойне дерево тощо), а також його едафічні складові - стадії розвитку рослинності, в яких домінують значущі для ґрунтогенезу інші її життєві форми, а також (що не менш суттєво) тварини. За цими ознаками розрізняють такі наземні біоми:

- тундра (арктична та альпійська);

- бореальні хвойні ліси;

- листяний ліс суббореального (помірного) клімату;

- степ злаковий помірної зони;

- тропічний грасленд і савана;

- чапараль (зимово-дощові та сухолітні регіони);

- пустеля (трав'яна та чагарникова);

- тропічний напіввічнозелений ліс (з вологими і сухими сезонами);

- тропічний вічнозелений дощовий ліс.

До них додають прісноводні (озера, ставки, ріки та інші потоки, болота і болотисті ліси та морські екосистеми, в тому числі важливі для ґрунтогенезу води естуаріїв, прибережних бухт, проток, річко­вих гирл, солоних маршів). Територіальне розташування означених біомних екосистем з притаманними їм структурами ґрунтового по­криву чітко корелює із загальнопланетарним розподілом середньо­річних температур і сумою опадів. У вітчизняній науковій літературі біом синонімізується з природною (фізико-географічною) зоною та притаманною їй складною взаємодією клімату, живих організмів та грунтів. Це біоми тундри, степу, мішаних лісів, середземноморських (склерофільних) лісів, а також складні гірські біомні екосистеми. При цьому, вживання терміна «біом» зазвичай супроводиться позначенням ним лише територіальної сукупності живих істот (рослинних і тваринних організмів - біоти) при ігноруванні її (сукупності) біогеохімічної (у тому числі грунтогенної), трансформаційної, матеріально-енергетичної, екоінформа-ційної сутності. Цей недолік усувається в екосистемній дефініції біому.

Біом є сукупністю провінційних екосистем з комплектом ландшафтних екосистем у межах фізико-географічної провінції, тобто екологічною системою, просторово адекватною межам провінції, яка територіально збігається з фізико-географічною зоною, залежить від інтенсивності надходження сонячної радіації до земної поверхні (макроклімат) і характеризується певним типом рослинності (деревним, чагарниковим, трав'яним) та сформованим під її впливом ґрунтовим покривом.

За природним статусом біомні екосистеми є ієрархічно найвищими фор-муваннями біосфери, які мають глобальний прояв своїх грунтово-екологічних функцій і такий самий глобальний вплив на функціональну організацію цієї унікальної і неповторної екосистеми з найскладнішою будовою, не потребуючи виділення в їх ме­жах менших структурних блоків, роль яких стає неістотною.

Біомна диференціація біогеоценотичного (з ґрунтами) покриву планети та її біосфери однозначно задається відомою сферичною (геоїдною, кардоїдною) формою Землі та її розташуванням щодо Сонця при різному куті надходження сонячних променів до земної поверхні та різною інтенсивністю сонячної радіації на різних географічних широтах. Горизонтальні межі біомних екосистем збігаються з фізико-географічними зонами, їх верхня межа - з межею тропос­фери, де формується їх гідротермічний режим, а нижня - проходить по глибоких горизонтах підземних вод. Рівнинна частина України розподілена між трьома біомними екосистемами (мішаних лісів, лісостепової та степової рослинності), а її висотні зони (пояси лісів, ґрунтів, біоти) не є тотожними широтній зональності, а генетично, еволюційно та просторово пов'язані з тими біомами, в межах яких розташовані Карпатська, Кримська, а поза Україною - Альпійська, Кавказька, Памірська, Гімалайська та інші гірсько-країнні екосистеми. Основною функцією біомних екосистем є збере­ження зональної специфіки і просторової структури екологічних комплексів відповідно до широтного розподілу енергетичних ресурсів, а також зональної ґрунтово-ценотичної біорозманітності, внутрішньо-біомного та міжбіомного речовинно-енергетично-інформаційного обміну, від якого, власне, й залежать цілісність і стабільність біосфери з її ландшафтами, ґрунтами, БГЦ тощо.

Катенарна модель ґрунту. Розмаїття кліматів, біоти, літогенетичних чинників, рельєфу, віковий диктат, антропогенна корек­ція зумовлюють велику різноманіт-ність ґрунтів. Географічні закономірності розподілу цього ґрунтово-екологіч­ного (загалом ландшафтно-біокліматичного) розмаїття проявляються в горизонтальній і вертикальній зональності ґрунтів. Зміни ж ґрун­тів на невеликих територіях пов'язані із впливом на ґрунтовий клі­мат і рослинність (а отже, і ґрунтотворення) рельєфу і літогенетичним впливом гірських порід. Найбільш типовою комбінацією ґрунтів виявляється катена, компоненти якої, хоч і називаються в різних країнах по-різному, є однаковим рядом пере­ходів, зумовлених зміною ступеня дренованості, а відповідно, і гід­ротермічного режиму (С.О. Захаров, В.А. Ковда, М.А. Глазовська, Д.Г. Тихоненко та ін.).

Ґрунтова (початкова) ланка екологічного ланцюга трофності моделюється етапами біогеохімічної міграції хімічних еле­ментів, поживним середовищем для рослин. Для людини ґрунт є базисом існування, з яким пов'язано зародження світових цивілізацій - на основі використання родючості - унікальної біосферної функції ґрунту. Ґрунтовий покрив, найтонша з геосфер, є транзитною ланкою життєво важливих потоків речовини, енергії та інформації, які пов'язують в єдине біосферне ціле літосферу, гідросферу і соціальну сферу. Ґрунти за ба­гато тисячоліть накопичили значні запаси біоенергії та біогенних елементів, створивши цим репродукційну першооснову біоресурсів планети. Без ґрунту не може стабільно функціонувати біосфера та її зональ­норегіональні підсистеми, у тому числі й агроценози. Саме тому спад родючості ґрунту через його забруднення та деградацію в разі неправильного господарювання викликає занепокоєння суспільства і спонукає до пошуку шляхів раціонального, екологічно орієнтова­ного використання цього головного національного багатства.

У 70-х роках XX ст. після публікації праць В.І. Вернадського, лек­цій М.В. Тимофеєва-Ресовського, ініціатив Римського клубу та ЮНЕСКО, обчислювальним центом АН СРСР активно розробляла­ся модель «Гея» з метою вирішення проблем глобального масштабу (у тому числі ґрунтово-екологічних, аграрних, продовольчих, мож­ливих станів біосфери тощо). До того ж моделями є й періодична таблиця хімічних елементів Д.І. Менделєєва і вперше запропонована В.В. Докучаєвим тріада індексів АВС для генетичного профілю тощо. Такі моделі не мають тієї суворості, яка притаманна математичним моделям, однак вони наділені яскра­вою прогностичністю, оскільки мобілізують такі методи пізнання грунтово-екологічної реальності, як логіка, асоціації, аналогії тощо.

Система будь-яких моделей, у тому числі і в грунтознавстві, ніколи не досягає завершеності, постійно проявляючи на певному етапі свою недосконалість. Проте саме робота над подібними моделями є одним із найважливіших етапів розвитку будь-якої теорії, здатної «зазирнути за горизонт», попередити про можливість іс­нування екоситуацій, про які ми ще навіть не здогадуємося (спад родючості ґрунту внаслідок його антропогенного забруднення та деградації, загроза голоду тощо), вказати на «фатальну риску» - міру екологічно дозволеного, за межею якого імперативно діє закон екологічного табу. Створюючи вербальні, віртуальні та математичні моделі й опрацьовуючи на них сценарії ноосферного майбуття біосрери з недеградованими ґрунтами та високоврожайними агрофі­тоценозами, ми не наражаємося при цьому на той ризик, що супро­воджує, зокрема, осушувальні, зрошувальні, хімічні та інші не завжди вдалі меліорації тощо.

Вивчення закономірностей перетворення абіогенних геологічних порід на родючий ґрунт (тобто його генезис, походження) традицій­но розпочинається з докучаєвського вчення про чинники ґрунтогенезу, взаємодія яких під час ґрунтогенезу формує профіль ґрунту та його властивості, серед яких родючість є найважливішою загально біосферною, генетичною та агроекологічною сутністю.