ОБРАЗОВАНИЕ ПОЧВ

ФАКТОРЫ ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ

Методология системного подхода к изучению почв

Величайшие достижения естествознания – разработка учения о системном подходе к познанию явлений природы. В полной мере эта концепция была представлена на рубеже XIX и XX вв. Основа системного подхода в естествознании вообще и к географическим объектам в частности впервые была разработана В.В. Докучаевым. Главная сущность этого подхода заключается в следующем: любой объект или явление природы рассматривается не изолированно, а во взаимосвязи и взаимообусловленности с окружающими его системами и явлениями.

Современная природа поверхности Земли представляет собой сложную материальную систему, в которой все её части взаимодействуют друг с другом, взаимообусловлены и существовать отдельно друг от друга не могут.

В первую очередь именно В.В. Докучаев, основоположник генетического почвоведения, доказал эту взаимообусловленность. Для В.В. Докучаева было характерно понимание материального единства природы (целостности) и взаимосвязи её тел и сил. В связи с этим он писал, что важнейшей задачей должно быть познание тех соотношений и взаимодействий, той закономерной связи, которые, несомненно, существуют между всеми силами, явлениями и телами природы.

Представления В.В. Докучаева о взаимосвязи и взаимообусловленности явлений и природных тел сейчас воспринимаются как обычные, само собой разумеющиеся. Но для современников ученого его открытие явилось необычайным откровением, было встречено восторженно, сравнивалось с открытием Дарвина в биологии и Лайеля в геологии.

Воззрения В.В. Докучаева нашли последователей во многих отраслях естествознания. Достаточно назвать А.И. Воейкова в климатологии, А.Е. Ферсмана в минералогии, В.Н. Сукачёва в биоценологии, и, наконец, венцом системного подхода становится учение В.И. Вернадского о биосфере и ноосфере.

Воззрения о системном подходе позволили В.В. Докучаеву разработать основной метод исследования в почвоведении, который получил название «сравнительно-географического». Этот метод со времён В.В. Докучаева до настоящего времени является главным инструментом познания почв, их природы, генезиса. Главная сущность метода заключается в том, что почва изучается не изолированно, а во взаимосвязи с окружающими её условиями и факторами почвообразования, что вытекает из методологии системного подхода к познанию объектов естествознания. Метод применяется не только при изучении почв в полевых условиях, но и при интерпретации экспериментальных данных, полученными любыми способами. Величайшая прелесть метода: зная один какой-нибудь компонент окружающей среды, естествоиспытатель может воссоздать всю природную обстановку той или иной территории. Например, зная климатические условия, можно воссоздать облик растительности, животного мира, коры выветривания, почв, грунтовых вод и т.д.

Для почв характерен обмен материей и энергией как внутри компонентов почвы, самостоятельного природного образования, так и между почвой и внешней средой. Внешней средой для почвы становятся: атмосфера, материнские породы, гидросфера, живые организмы, рельеф и др.

Обмен веществ и энергии происходит между почвой и растительными организмами. Растительные остатки с массой разнообразных органических веществ, образованных в процессе фотосинтеза, вместе с накопленной в них солнечной энергией, поступают в процесс почвообразования. При этом в почве формируется её самостоятельная органическая система, – гумусовые вещества почвы. Значительная часть энергии солнечных лучей из растительных остатков переходит и закрепляется в почвенном гумусе. В то же время почвенная масса возвращает в окружающую среду, в том числе и для жизнедеятельности фитоценозов, различные минеральные вещества, образующиеся при минерализации растительных остатков и гумуса почвы, а также углекислый газ, столь необходимый для процессов фотосинтеза. Эти явления, безусловно, не могут протекать без непосредственного участия животных как наземных, так и почвенных, бактерий, грибов и других живых существ.

Энергетический вещественный обмен происходит между почвой и материнской породой. Первичная минеральная часть почвы достаётся ей в наследство от материнской породы. В процессах почвообразования образуются новые минеральные соединения, которых не было в первичной литосфере. Это вторичные глинистые минералы, типа каолинита, монтмориллонита, гидрослюд и др. Материнская порода и вся кора выветривания испытывают на себе влияние почвенного покрова: фильтрация почвенной влаги с растворёнными в ней минеральными и органическими веществами, проникновения газов, тепловой энергии, перемещения почвенной массы животными и многое другое.

Интенсивен обмен между почвенным и атмосферным воздухом. Животные и микроорганизмы почвы выделяют в атмосферу громадное количество углекислого газа, поддерживая стабильный состав земной атмосферы вот уже многие миллионы лет. Нагревание почвы, её охлаждение, увлажнение, высыхание постоянно способствуют обмену газами между земной и почвенной атмосферами.

Впечатляет также влагообмен между почвенной влагой и гидросферой в целом. Вода атмосферных осадков преобразует свой химический состав в соответствии с зональными особенностями почвенного покрова и биосферы в целом. Грунтовые воды, формируясь в почвенных горизонтах, имеют свои зональные особенности, которые передаются рекам, озёрам и другим водоёмам. Грунтовые воды, родники, озёра таёжной зоны с кислыми подзолистыми почвами мало минерализованные, большей частью содержат закисные формы двухвалентные растворимые соединения железа. Это характерно для курорта Марциальные Воды в Карелии, Ладожского и Онежского озёр, озера Байкал. Родники, питаемые этими водами, благодаря окислению соединений железа, становятся бурыми от окисного железа, а на дне озёр отлагается бобовая рода, конкреции, из которых когда-то Пётр Первый выплавлял чугун для пушек. Водопроводная вода в этих местах мягкая, мыло долго не смывается с рук. Часто вода рек в зонах кислых почв окрашена в желтоватые тона за счёт фульвокислот, вымываемых из почвы. Это можно наблюдать на обширных просторах нашей тайги и во влажных тропиках Амазонской низменности.

В нейтральных и слабощелочных черноземных почвах степей почвенные воды насыщаются соединениями кальция, становятся жёсткими, подвижные соединения железа в них отсутствуют, а гумусовые вещества не растворимы в воде. В сухих и полупустынных степях с каштановыми и бурыми почвами количество солей в воде ещё более увеличивается. Эти же свойства передаются грунтовым и речным водам, в которых возрастает количество солей, в результате фильтрации через карбонатные и часто засоленные материнские породы и коры выветривания.

Таким образом, внутренние и внешние компоненты природных систем находятся в постоянном обмене веществами и энергией. Это в конечном итоге определяет развитие и стабильность или нестабильность географической зоны, ландшафта, биогеоценоза.

Эволюция природной среды на Земле – это развитие географических систем в связи с количественно-качественным изменением обмена веществ и энергии, что обусловлено временным непостоянством отдельных компонентов системы. В природе постоянно противоборствуют два противоположно направленных комплекса явлений. Это интеграционные процессы при интеграции системы. В развитии географической зоны взаимоотношения между почвой и окружающей средой находятся в постоянном стремлении к однородности, к одному конечному результату, к равновесию между всеми компонентами почвенно-географической системы. На обширных территориях при однородном рельефе наблюдается однотипность почв, растительности, коры выветривания, гидрогеологических свойств и т. д. Такие условия можно наблюдать на равнинах Азово-Кубанской низменности, Аргентинской пампы, низменности Амазонии и т. д. Равновесное стабильное состояние существует в природе, пока не произойдет изменение какого-либо объекта природной среды, и это изменение вызовет нарушение равновесия системы, количественно-качественную перестройку всех компонентов, составляющих единство системы. Такие явления приводят к дифференциации природной обстановки, к её усложнению и разнообразию окружающей среды. При не изменяющихся климатических условиях главная роль в развитии дифференциации принадлежит рельефу и геологической неоднородности поверхностных слоёв литосферы.

Современные природные зоны и ландшафты возникли вместе с развитием живой природы в разные геологические эпохи. Они появлялись и исчезали на Земле, суша занималась морем, море становилось сушей, пустыни заменялись лесами, ледники выпахивали громадные площади. Процессы интеграции и дифференциации географической среды постоянно взаимодействовали, следуя за изменением климата, растительности и других компонентов природной среды.

Атмосфера и климатические условия как фактор почвообразования

В результате неравномерности поступления солнечной радиации от экватора в сторону южного и северного полюсов происходят закономерные, хотя и не вполне последовательные, изменения температуры и количества выпадающих осадков. Непоследовательность широтных изменений определяется различиями в геоморфологии континентов, удаленностью или близостью территории от океана, высотой местности над уровнем моря и другими факторами.

Климатические условия проявляются как поступление на поверхность Земли световой и тепловой энергии, а также воды, без которых не мыслимы жизненные процессы и экзогенное преобразование поверхности континентов. Климат связан с атмосферой Земли, которая, как и другие сферы, образующие нашу планету, функционирует по своим законам, в то же время во взаимосвязи с океаном, литосферой, корой выветривания, почвами, живым веществом биосферы. Функционирование атмосферы отражается на всех оболочках Земли, в частности на почвах при их образовании и эволюции.

Из всего многообразия климатических и погодных показаний, которыми оперирует метеорология как наука, почвоведы прежде всего используют данные температуры, выражаемые в градусах Цельсия (°С), и атмосферных осадков в миллиметрах слоя воды, выпадающих на поверхность конкретной территории.

Температурные показатели климата анализируются в их временном конкретно усредненном или экстремальном выражении: годовая, сезонная, теплого или холодного месяца, абсолютный минимум или максимум, температурная контрастность и континентальность и т. д.

В формировании климата важнейшим процессом является поступление солнечной радиации в атмосферу Земли и на её поверхность. Этот процесс имеет четко зональный характер, так как количество достигающей земной поверхности радиации зависит от угла падения лучей, т. е. от широты местности, а также от альбедо – отражающей способности поверхности.

Наиболее объективной, удобной мерой потенциальной биологической и агрономической оценки термического режима территории являются величины суммы активных годовых температур выше 10 °С. Постоянная среднесуточная температура 10 °С во внетропических условиях считается биологическим началом весны, расцвета жизненных процессов. Отметим здесь же биологическое начало и конец лета – последний и первый заморозки.

По годовой сумме среднесуточных температур выше 10 °С сушу Земли разделяют на биоклиматические пояса: полярный (полярный и субполярный), бореальный (умеренный), суббореальный (умеренно-тёплый), субтропический и тропический.

Количество солнечной энергии, поступающей от Солнца, и расход её на нагревание, испарение, транспирацию, фотосинтез и т. д. весьма различны в природных зонах Земли. Причем затраты на термические процессы составляют 99,9%, а на биологические – всего 0,1%. Среднегодовая температура в тропиках составляет 32-35 °С, а в полярных областях -30 + -35 °С. В тропических пустынях максимальная температура воздуха может достигать 50-60 °С, а минимальные температуры Антарктиды или района Верхоянска опускаются до -70 и -88 °С. Разница в среднегодовой температуре на земном шаре составляет 60-70 °С, а между максимумом и минимумом 130-145 °С.

Значение температурного фактора в процессах выветривания и почвообразования исключительно велико. По правилу Вант-Гоффа с возрастанием температуры на 10 °С скорость химических реакций увеличивается в среднем в 2-4 раза, а при изменении температуры от 0 до 50° степень диссоциации химических веществ в воде возрастает в 8 раз. Учитывая разрыв минимальных и максимальных температур в тропических областях в сравнении с холодными, интенсивность различных реакций может быть в тысячи раз больше.

Температура воздуха или приземного слоя атмосферы преломляется в термических условиях почвы и коры выветривания. Однако временное варьирование температуры, столь характерное для приземного слоя воздуха, ослабевает и затухает в коре выветривания на глубине 2,5-3,5 м. Здесь устанавливается постоянная температура, типичная для данной территории и совпадающая со среднегодовой температурой атмосферы. При минусовых среднегодовых температурах воздуха характерно распространение вечной мерзлоты. Индикатором среднегодовых температурных условий могут служить температуры подземелий и погребов или родниковые источники. Вода родников в тропиках такая же, как и поверхностная около 30 °С, а жарким летом в умеренных широтах – плюс 5-8 °С.

Важнейшими показателями генезиса, плодородия и классификации почв всегда были их температурные условия, такие как глубина промерзания почвы, длительность мерзлотного покоя, средние температуры холодного и теплого периодов и др.

Определенное значение в направлении почвообразования имеет континентальность климата или амплитуда температур холодного и теплого периодов года термическая контрастность сезонов. По степени континентальности различают климаты океанический, слабо континентальный, умеренно континентальный, средне континентальный, очень континентальный, резко континентальный. Например, климат Лондона, Исландии и Владивостока – океанический, стран Балтии – слабо континентальный, Москвы – умеренно континентальный, Ростова н/Д – средне континентальный, Верхоянска. Красноярска, Магадана – очень и резко континентальный.

Континентальность климата во многом определяет выделение на Земле особых почвенно-географических провинций или фаций в пределах зонального распространения почв, а также учитывается в классификационных системах почвенной систематики.

Энергетическое воздействие на почвообразование притока солнечной энергии оказывает не только непосредственное воздействие через температурные условия, но и опосредованно через накопление энергии солнечных лучей путём фотосинтеза зелёных растений в многообразной гамме органических веществ. Затем энергетическая компонента климатических условий консервируется в гумусовом веществе почвенного покрова Земли и обеспечивает регулярность протекания многих явлений почвообразования и плодородия почв. По предложению академика Волобуева, потенциальная энергия почвы, главным образом её органического вещества, часто как генетический признак почвы выражается в калориях на определенную массу почвы.

Атмосферные осадки. Потенциальный биологический эффект тепла и света проявляется при поступлении на поверхность суши атмосферных осадков, причём количественно-качественный природный эффект зависит от степени увлажненности территории и сезонного распределения влаги. Атмосферные осадки выпадают в виде дождя, снега и росы. Это пресная фракция водных масс планеты, которая в месте с водами рек, озёр, болот, грунтовыми и артезианскими водами составляет лишь 2-3% общего запаса воды. На Земле преобладают высокоминерализованные морские и подземные воды.

Количество выпадающих осадков во всех странах выражается в миллиметрах (мм). Один мм эквивалентен 10 м³ воды на гектар. Среднегодовое количество осадков варьирует следующим образом (мм): пустыни – 20-50-100; засушливый климат – 300-400; леса умеренно-холодные – 500-800; леса влажные субтропические – 1500-2500; леса влажные тропические – 7000-10000; абсолютный максимум наблюдается в дельтах Ганга и Брахмапутры около 14000; Ростов н/Д – 460; Краснодар – 660; Москва – 800.

Для образного представления о громадных массах воды, под воздействием которых находятся почвы, профессор М.Н. Глазовская пересчитала миллиметры выпадающих осадков в метры за последний период развития почв, т. е. за 2 тыс. лет. Оказалось, в тундре слой воды составлял бы 500, в зоне подзолистых почв – 700-1200, в черноземной полосе – 500-800, в красноземах Черноморского побережья – 2000-3200 м. Вся эта влага в естественных условиях без поверхностного стока проходила через почвенные горизонты, определяя разные водные режимы почвенного покрова (промывной, периодически промывной, и т. д.). В глобальном плане атмосфера – единственный фактор поступления пресной воды в процессы почвообразования.

Влага атмосферы – не только физический или химический фактор почвообразовательных процессов. Это обязательный вещественный компонент биологического круговорота, практически вся биомасса состоит из химических элементов атмосферного происхождения, содержащихся в веществах ее газов (Н₂О, О₂, СО₂, N₂). В единую систему связаны атмосфера с её погодными и климатическими условиями, океан, почвы, растительный и животный мир.

Количество выпадающих осадков не всегда свидетельствует об уровне увлажнения территорий. Важны температурные условия. Например, в тундре выпадает 200-300 мм, а ландшафты переувлажнённые, а в юго-восточных районах Ростовской области – 300-360 мм, но это уже сухая степь. Поэтому используются различные коэффициенты, учитывающие температурные условия. Наиболее распространенным является коэффициент увлажнения по Иванову (К):

К = А / Б,

где А – количество выпадающих осадков; Б – расход влаги на испарение и транспирацию (эвапотранспирация).

Приняты следующие градации фаций по увлажнению: супергумидная – 1,5-2–3; гумидная – 1,2-1,5; нормальная – 1,0; семиаридная – 0,7-0,5; аридная – 0,5-0,3; экстрааридная – 0,2-0,1.

С изолиниями среднегодовых коэффициентов увлажнения совпадают средние положения границ распространения природных явлений и природных комплексов. На европейской территории южная граница зоны подзолистых почв проходит по изолинии увлажнения 1,6, далее южные границы распространения почв проходят по следующим изолиниям: у дерново-подзолистых – 0,95; типичных чернозёмов – 0,71; обыкновенных чернозёмов – 0,63; южных чернозёмов – 0,53. Последняя граница служит в тоже время северной для темно-каштановых почв.