4. Почва и почвообразование

Почва – тонкий верхний слой земной коры, образовавшийся на поверхности горных пород в результате взаимодействия абиотических факторов литосферы, атмосферы, гидросферы и процессов жизнедеятельности разнообразных представителей биосферы. Почву рассматривают как самостоятельное природное тело, сложного минерально-органического состава, обладающее только ей присущим строением, составом и свойствами. Важнейшее ценное, уникальное и отличительное свойство почвы – плодородие, то есть способность обеспечивать растения необходимыми питательными веществами. Другие не менее важные свойства – это способность удерживать влагу и насыщаемость воздухом. В различных районах Земли толщина почвы колеблется от нескольких миллиметров и сантиметров до 2-3 метров. Почва образуется очень медленно, для полного обновления ее минеральной части на глубину 1 м необходимо 10000 лет.

Гумус (от лат. humus - земля, почва), или перегной, специфическое органическое вещество, накапливаемое в верхнем почвенном слое и определяющее ее плодородие.

Почва – важнейший компонент всех наземных биоценозов и биосферы Земли в целом, через почвенный покров Земли идут многочисленные экологические связи всех живущих на земле и в земле организмов (в том числе и человека) с литосферой, гидросферой и атмосферой. В почвенном слое и на его поверхности сосредоточена максимальная плотность живого вещества планеты.

Известный геолог, основатель русской школы почвоведения и географии почв В.В. Докучаев (1846-1903) считал, что, подобно минералам, растениям и животным, почвы представляют собой особые естественно-исторические тела. Они формируются под влиянием нескольких факторов почвообразования, действующих одновременно. Докучаев выделял 10 почвенных типов, а в дополненных современных классификациях их более 100.

Горные породы, на которых образуются почвы, называются материнскими или почвообразующими, они служат источником минеральной части почвы и определяют ее химический, минеральный и механический состав. В зависимости от рельефа перераспределяются тепло и влага, а химический состав, режим грунтовых и почвенных вод воздействуют на многие почвенные процессы. От климата зависят тепловой и водный режимы почвообразования, скорость выветривания горных пород.

Почвообразование. Все горные породы с первых же моментов их образования под влиянием различных процессов начинали немедленно разрушаться. Совокупность этих процессов называется выветриванием или гипергенезом, а совокупность получившихся продуктов называется корой выветривания. В зависимости от характера и причин разрушения горных пород различают физическое, химическое и биологическое выветривание. Процессы выветривания распространяются на глубину, образуя зону гипергенеза, нижняя граница которой проводится по линии верхнего горизонта подземных (пластовых) вод. Ниже зоны гипергенеза выделяют новейшую и древнюю коры выветривания, сформированные в более древние геологические периоды.

Однако сами по себе процессы выветривания не могли привести к накоплению в горной породе элементов пищи растений, а, следовательно, и не могли превратить горную породу в почву. Поэтому началом процесса почвообразования нужно считать тот момент, когда на продуктах выветривания горных пород поселились растительность и микроорганизмы. В этом отношении все существующие почвы на земном шаре представляют собой естественно-историческое тело, образование и развитие которого связано с развитием всей органической жизни на земной поверхности. Один раз зародившись, почвообразовательный процесс никогда не прекращался.

Важнейшими факторами почвообразования, являются: материнские (почвообразующие) породы, растительность, животный мир и микроорганизмы, климат, рельеф местности и возраст почв. К этим пяти основным факторам почвообразования (которые назвал еще Докучаев) сейчас добавляют действие вод (почвенных и грунтовых) и деятельность человека. Ведущее значение всегда имеет биологический фактор, остальные факторы представляют собой лишь фон, на котором происходит развитие почв в природе, однако они оказывают большое влияние на характер и направление почвообразовательного процесса.

Минералогический состав твердой части почвы во многом определяет ее плодородие. В состав минеральных веществ входят: Si, Al, Fe, К, Mg, Ca, С, N, Р, S, значительно меньше микроэлементов: Cu, Mo, I, В, F, Pb и др. Большинство элементов находится в окисленной форме. Во многих почвах, особенно недостаточно увлажняемых, содержится карбонат кальция CaCO₃ (определяет жесткость воды), в почвах засушливых областей – CaSO₄ и другие более легко растворимые соли (хлориты); почвы, влажных тропических областей обогащены Fe и Al.

В почве есть две группы органических веществ. К первой группе относятся соединения, содержащиеся в большом количестве в растительных и животных остатках, а также соединения, являющиеся продуктами жизнедеятельности растений, животных и микроорганизмов. Это белки, углеводы, органические кислоты, жиры, лигнин, смолы и др. Эти соединения составляют всего 10-15% от всей массы органического вещества почвы.

Вторая группа органических соединений почвы представлена сложным комплексом из гумусовых веществ, или гумуса, возникшего в результате сложных биохимических реакций из соединений первой группы. Гумусовые вещества составляет 85–90% органической части почвы, они представлены сложными высокомолекулярными соединениями кислотного характера: гуминовые кислоты и фульвакислоты. В элементном составе гумусовых веществ важную роль играют С, О, Н, N, Р. В гумусе содержатся основные элементы питания растений, которые под воздействием микроорганизмов становятся доступными для растений. Содержание гумуса в верхнем горизонте разных типов почв колеблется в широких пределах: от 1% в серо-бурых пустынных почвах до 12–15% в черноземах. Типы почв отличаются характером изменения количества гумуса с глубиной.

Жидкая часть почвы или почвенный раствор – это содержащаяся в почве вода с растворенными в ней газами, минеральными и органическими веществами, попавшими в нее при прохождении через атмосферу и просачивании через почвенную толщу. В ней происходит миграция химических элементов в процессе почвообразования, и растения снабжаются водой с растворенными элементами питания. Реакция почвенного раствора в почвах разных типов неодинакова: кислую реакцию (pH < 7) имеют подзолистые, серые лесные, торфяные почвы, красноземы, желтоземы, щелочную (pH>7) – содовые солонцы, нейтральную или слабощелочную (pH = 7) – обыкновенные черноземы, луговые и коричневые почвы. Слишком кислый или щелочной почвенный раствор отрицательно влияет на рост и развитие растений.

Газообразная часть, или почвенный воздух, заполняет поры почвы, не занятые водой. Суммарный объем почвенных пор (порозность) составляет от 25 до 60% объема почвы. В состав почвенного воздуха входят N₂, O₂, CO₂, летучие органические соединения, пары воды, он отличается от атмосферного и определяется характером протекающих в почве химических, биохимических, биологических процессов. Состав почвенного воздуха в зависимости от внешних условий и времени года может существенно меняться. Например, количество углекислого газа (CO₂) в почвенном воздухе значительно меняется в годовом и суточном циклах вследствие различной интенсивности выделения газа микроорганизмами и корнями растений. Если в почвенном воздухе резко уменьшается содержание кислорода, то развиваются анаэробные микробиологические процессы, приводящие к образованию метана, сероводорода, аммиака и некоторых других газов, некоторые из них ядовиты.

Живая часть почвы состоит из почвенных микроорганизмов и почвенных животных. Активная роль живых организмов в формировании почвы определяет принадлежность ее к биокосным природным телам – важнейшим компонентам биосферы.

В результате длительных процессов почвообразования происходит разделение почвенной толщи на почвенные горизонты – однородные слои, обладающие одинаковым цветом, строением, структурой и другими признаками (рис. 37).

Типы почв. Формирование почвы зависит от сочетания факторов почвообразования, которые различаются на обширных пространствах Земли. Например, там, где температура воздуха невысока, выпадает мало осадков и растительность скудная, почвенный слой тонкий и содержит мало гумуса. Зато в районах с достаточным количеством тепла и осадков, с богатой травянистой растительностью образуются мощные плодородные почвы. В начале XX века В.В. Докучаев впервые сформулировал закон зональности почв: «почвы… должны располагаться по земной поверхности зонально, в строжайшей зависимости от климата, растительности и пр.». На земном шаре почвы закономерно изменяются на равнинах от экватора к полюсам, а в горах – от подножий к вершинам. Внутри одной природной зоны факторы почвообразования разнятся, поэтому вместе с основным типом почвы в ее пределах образуются и другие типы. В связи с этим почвенная карта мира отличается необыкновенной пестротой.

Рис. 37. Почвенный профиль. Горизонт 0 - накопление органики (подстилка из листьев и хвои в лесу, или очес – отмершие части травянистых растений на лугу). А - здесь происходит разложение органического вещества и формирование гумуса. Вымывание. В - «подпочва», мало органического вещества, тонкозернистые минеральные частицы, вымыты из горизонта А. С - в основном из выветрелых фрагментов материнских пород почвы. R - представляет собой невыветрелые коренные породы.

Основные типы почв

Арктические почвы – самый тонкий слой почв, всего несколько миллиметров или сантиметров, часто разбросанных между скалистых пород, крайне медленно образующийся, поскольку в условиях постоянно низких температур, вымерзания воды и ветров встречаются лишь низшие формы растительности – мхи, лишайники, и некоторые виды трав. Многие скалистые острова северного полушария являются домом и местом гнездования полярных морских птиц и поэтому они покрыты слоем азотистых соединений, продуктом птичьего помета. В южном полушарии такие почвы отсутствуют.

Тундровые или тундрово-глеевые почвы формируются в зоне тундры в условиях постоянного переувлажнения и низких температур, преимущественно на Крайнем Севере в зонах с вечной мерзлотой и в некоторых высокогорных районах. Они маломощны, крайне бедны гумусом. Из-за затрудненного доступа кислорода в этих почвах имеется голубовато-серый глеевый горизонт. Характерны для всей Северной территории России.

Мерзлотно-таежные, в России распространены в Восточной Сибири и северной части Дальнего Востока. Есть в Канаде и на Аляске. Для них характерно наличие мощного слоя вечной мерзлоты с небольшим поверхностным слоем средней плодородности. В этих почвах часто встречаются признаки прошлых оледенений. В районах горных складчатостей они наиболее бедны – там распространены горно-луговые почвы, встречаются высокогорные почвы.

На полуострове Камчатка и некоторых островах распространены вулканические почвы, это единственное место на территории России, где они представлены. В большей степени они встречаются в горных районах Северной и Южной Америки, на островах Океании.

Подзолистые почвы характерны для зоны хвойных лесов, а дерново-подзолистые для зоны хвойно-широколиственных (смешанных) лесов. Там, где осадков выпадает больше, чем испаряется, в почвах формируется промывной режим, при котором продукты распада органических и минеральных веществ быстро выносятся в нижние почвенные горизонты. Образуется осветленный подзолистый горизонт, по цвету напоминающий золу. Подзолистые почвы содержат мало гумуса и требуют внесения удобрений. Серые лесные почвы формируются под смешанными, широколиственными лесами и лесостепями в условиях умеренного климата. Мягкая зима, теплое лето и умеренное увлажнение приводят к тому, что гумусовый горизонт может достигать 50 см. Все эти виды почв хорошо структурированы.

Черноземы являются самыми плодородными из всех почв Земли. Они образуются в зоне степей и лесостепей, где климат сухой и относительно теплый. Черноземы имеют прочную структуру, мелкокомковатую или зернистую, и содержат самый мощный слой гумуса до 1 м и более, буро-черного цвета, который формируется из большого количества отмирающей степной растительности и корней, поэтому они необычайно плодородны.

Каштановые почвы находятся южнее черноземов, они образуются в более сухих условиях. В России встречаются от зоны средней Волги до Амура вдоль южных и юго-восточных границ.

В других районах земного шара встречаются почвы: Сероземы – почвы пустынь и полупустынь. Они образуются при высоких температурах и недостатке влаги. Гумус в них накапливается только за счет отмирания весенней травянистой растительности и составляет всего несколько сантиметров, он питателен, но эти почвы бедны азотом. Они могут быть плодородны только при хорошем орошении и рациональном использовании.

Ферраллитные почвы формируются под влажными экваториальными и тропическими лесами на сильно разрушенных горных породах древней суши – ферраллитной коре выветривания. Они хорошо структурированы, достаточно влагоемки. Из-за содержания в материнской породе большого количества окислов железа и алюминия почвы приобретают красные, желтые и бурые цвета и поэтому носят название красноземов, желто-красных, красных, красновато-бурых, коричнево-красных почв. Слой гумуса в этих почвах достаточно большой, но подвержен вымыванию и часто для повышения плодородия в эти почвы вносят удобрения.

На всех материках вдоль равнинной части крупнейших рек, встречаются речные наносные почвы. Во время разлива прибрежные территории этих рек часто затопляемы, после спада вод на почве остается ил, водоросли, органика, перемешанные с речным песком, поэтому вдоль берегов сформировались плодородные почвы, которые способствовали распространению первых поселений и развитию земледелия. Такие почвы распространены вдоль рек Нил, Тигр, Евфрат, Инд, Ганг, Хуанхэ, Янцзы, Дунай, Амазонка, Парана, Миссисипи, Маккензи, на территории России – Обь, Лена, Амур.

Механический состав почв. По соотношению песчаных и глинистых частиц судят о механическом составе почвы, о ее рыхлости. Если в почве больше песчаных частиц, то это легкая песчаная почва, из достаточно крупных частиц, которые не очень плотно соприкасаются между собой, она маловлагоемка, хорошо влагопроницаема, но бедна гумусом. А при большом количестве мелких глинистых частиц плотно прижатых друг другу формируется тяжелая глинистая почва, с высокой влагоемкостью и она лучше обеспечена элементами питания. В супесчаных и суглинистых почвах соотношение песка и глины примерно одинаковое. Супесчаные – бесструктурные и бедные гумусом почвы, хорошо водо- и воздухопроницаемы, но требуют удобрения. Суглинистые – по физическим свойствам наиболее благоприятные для земледелия почвы, со средней влагопроницаемостью и влагоемкостью, хорошо обеспечены гумусом.

Способность почвы распадаться на комочки различных форм и размеров называют структурой почвы. Комковатые и зернистые почвы очень плодородны, а бесструктурные почвы, состоящие из мелких пылеватых частиц, не позволяют воздуху и влаге проникать к корням растений, поэтому они неплодородны.

На формирование почвы огромное влияние оказывает антропогенный фактор. Воздействие человеческого общества на почвенный покров представляет собой одну из сторон общего влияния человека на окружающую среду. Сейчас особенно острой является проблема разрушения почвенного покрова в результате неправильной сельскохозяйственной обработки почв и строительной деятельности человека, что влияет на некоторые факторы почвообразования, например на растительность (вырубка леса, замена его травянистыми фитоценозами и др.), и непосредственно на почвы путем ее механической обработки, орошения, внесения минеральных и органических удобрений и т.п. Вторая важнейшая проблема – загрязнение почвенного покрова, вызываемое химизацией сельского хозяйства и индустриальными и бытовыми выбросами в окружающую среду.

Методы изучения почв. Сравнительно-географический метод основан на одновременном исследовании самих почв и факторов почвообразования в разных географических условиях с последующим их сопоставлением. Сейчас используются различные анализы, минералогический, термохимический, микробиологический и многие другие. В итоге устанавливается определенная связь в изменении тех или иных свойств почвы с изменением почвообразующих факторов. Зная закономерности распределения почвообразующих факторов, можно создать почвенную карту для обширной территории. Именно так В.В. Докучаевым в 1899 г. была выполнена первая мировая почвенная карта, известная под названием «Схемы почвенных зон Северного полушария».

Метод стационарных исследований заключается в систематическом наблюдении какого-либо почвенного процесса, которое обычно проводится на типичных почвах с определенным сочетанием почвообразующих факторов. Этот метод уточняет и детализирует метод сравнительно-географических исследований.

Антропогенный рельеф. В последние столетия человек становится мощной рельефообразующей силой. Он создает горы, котлованы, строит города, под тяжестью которых прогибается земная кора. Осушает или обводняет территории, вмешивается в жизнь берегов, одним словом, меняет первоначальный замысел природы и часто необдуманно. Поэтому результаты изменений приносят не только пользу, но и вред. Рельеф, созданный при участии человека, называется антропогенным. К нему относят:

терриконы и шахты, котлованы и карьеры, рукотворные пустыни и засоление почв, эрозию почв и техническое повреждение.