Почвоведение и инженерная геология. Учебное пособие

естествознания – почвоведения. В ней В. В. Докучаев сформулиро- вал совершенно новое понятие о почве как «вполне самостоятель- ном естественно-историческом теле, которое является продуктом совокупной деятельности а) грунта, б) климата, в) растительных и животных организмов, г) возраста страны, д) рельефа местности». Таким образом, В. В. Докучаев открыл почву как особое природное образование.

Учение о факторах почвообразования является, по выражению самого В. В. Докучаева, краеугольным камнем почвоведения как науки. Изучение почвы в отрыве от изучения факторов почвообра- зования может привести к неправильным выводам. К пяти факторам почвообразования, установленным В. В. Докучаевым, – почвообра- зующим породам, растительным и животным организмам, климату, рельефу и времени – позже были добавлены воды (почвенные и грунтовые) и хозяйственная деятельность человека.

Таким образом, В. В. Докучаев создал научное генетическое почвоведение. Его заслуга так же в том, что он:

∙установил принцип строения почвенного профиля,

∙закон горизонтальной зональности и высотной поясности почв,

∙разработал новые методы исследования почв и основы их кар- тографии,

∙предложил первую научную генетическую классификацию почв. Взгляды В. В. Докучаева в дальнейшем получили развитие, вы-

росла блестящая школа его учеников, многие из которых позже внес- ли крупный вклад в различные отрасли естествознания. Это В. И. Вернадский – крупный минералог, один из основоположников геохимии и создатель биохимии; Ф. Ю. Левинсон-Лессинг – петро- граф; географы и геоботаники А. Н. Краснов и Г. Н. Танфильев. Поч-

Г. Н. Высоцкий (гидрологический режим почв) и ряд других учёных. Докучаевские идеи оказали сильное влияние на развитие почво- ведения в других странах. Многие русские термины вошли в меж- дународный научный лексикон (chernozem, podzol, gley и др.). Вы- дающаяся деятельность отечественных почвоведов получила меж- дународное признание. Президентом первого Международного кон- гресса почвоведов в г. Вашингтоне в 1927 году был избран акаде-

11

мик К. Д. Глинка. Видные российские почвоведы избирались на от- ветственные должности в Международной почвоведческой органи- зации и в институтах системы ООН.

Важные исследования для познания процессов почвообразова-

ния и изучения почв разных территорий провели ученые других стран: немецкие – геолог и географ Ф. Рихтгофен, почвоведы Э. Раманн, Э. Бланк, В. Кубиена; ведущие американские почвоведы – Гильгард, Марбут, Келлог, Торп; английский почвовед Дж. Милн; французские почвоведы Лякруа, Дюран, Ленеф.

Общая схема почвообразовательного процесса

Общие особенности почвы как природного образования:

1.Почва занимает определённое место на нашей планете, т. е. это поверхностный горизонт земной коры. Такая строгая простран- ственная обособленность почвы определяется тем, что именно в поверхностном слое земной коры создаётся условия тесного, наиболее активного взаимодействия компонентов биосферы – атмо- сферы, литосферы, растительных и животных организмов.

2.Почвы – это природное тело весьма специфического состава,

отличающего её от других компонентов географической оболочки и вообще объектов природы. Как вещество почву нельзя отнести ни к живой, ни к мёртвой материи. В. И. Вернадский отнес почву к осо- бой категории природных тел – биокосным телам. В связи с этим можно дать следующее определение: Почва – это самостоятельное естественно-историческое биокосное тело, которое возникает при

взаимодействии живого вещества с минеральными компонентами литосферы, атмосферы и гидросферы.

Почва – это природное образование, которое уникальная по сложности вещественного состава. Если горная порода может со- стоять всего из нескольких минеральных соединений (минералов), то любая почва содержит тысячи различных соединений, которое полностью ещё не изучены.

3.Почва обеспечивает постоянное взаимодействие большого геологического и малого биологического круговоротов веществ на земной поверхности. Наиболее масштабными во времени и в про- странстве является большой геологический круговорот – это круго- ворот веществ, совершающийся между сушей и океаном. Элементы вымываются атмосферными осадками с поверхности суши, затем

12

поверхностными и грунтовыми водами переносятся в моря и океа- ны, где осаждаются в виде осадочных горных пород. Через дли-

тельные геологические эпохи осадочные породы выходят на сушу и вновь подвергаются разрушению.

На фоне большого геологического круговорота проходит малый биологический круговорот вещества. Корни растений избирательно извлекает и переносят элементы питания (фосфор, калий, серу, азот и др.) из нижних горизонтов горной породы и почвы в верхние. За- тем, используя CO2, воду, зольные элементы и лучистую энергию солнца, растения синтезируют органическое вещество. При разру- шении (минеральными) органического вещества образуются мине- ральные соединения, которые становятся доступными для следую- щих поколений растений. Таким образом, между растениями и поч- вообразующими породами, а затем и почвами возникает круговорот зольных элементов и азота. В результате его действие в верхнем слое почвы происходит накопление элементов питания растений.

Оба эти круговорота в природе связаны между собой. В основе почвообразовательного процесса лежит малый биологический кру- говорот.

4.Почва является наиболее глобальным результатом возникно- вения жизни на Земле и одновременно почва – условие существова- ния жизни. На почве развивается основная часть зелённых растений Земли, которые являются главным первичным источником пищево-

го и биоэнергетического материала для остальных жителей нашей планеты. Растения поддерживают нормальный уровень содержания О2 в атмосфере.

5.Почва – это сложная, постоянно функционирующая система. Все фазы почвы (твёрдая, жидкая, газообразная и фазы живого вещества)

тесно соприкасаются между собой посредством процессов различной природы, скорости, интенсивности. Почва живёт в суточных, городо- вых, многолетних и вековых гидротермических режимах. В соответ- ствии с ними изменятся скорость и направление почвенных процессов. Одни процессы усиливаются, другие – ослабляются.

6.Почва – это открытая система, т. е. одновременно почва ока- зывается подсистемой в более сложной системе – в элементарном ландшафте (как компонент), в биогеоценозе.

7.Для всех почв характерна сложная пространственная органи- зация и дифференциация признаков, свойств и процессов. Выделя-

13

ется несколько уровней структурной организации почвы (Розанов, 1975): атомно-ионный, молекулярный, коллоидный, кристаллохи- мический агрегатный, горизонтный, профильный, ассоциативный. Важной чертой любого процесса почвообразования является фор- мирования почвенного профиля.

8. Важнейшее качество всех почв – плодородие. Плодородие почвы принципиально отличается от плодородия, например, пита- тельного субстрата в теплице тем, что почва способна к воспроиз- водству плодородия.

Основы общих теоретических представлений о почвообразователь- ном процессе сформировались в результате научных работ выдаю- щихся отечественных и зарубежных почвоведов – В. В. Докучаева, П. А. Костычева, Н. М. Сбирцева, В. Р. Вильямса, П. С. Косовича, К. Д. Глинки, Ф. Дюшофура и др. Почвообразовательный процесс от- носится к категории биофизико-химических процессов.

Почвообразовательный процесс – это совокупность явлений превращение и передвижения веществ и энергии, протекающих в почвенной толще (А. А. Роде).

Сущность почвообразовательного процесса:

1)разложение минералов горных пород и образование новых минералов, а также элементов зольного питания растений в доступ- ных формах;

2)создание органического вещества на поверхности породы и в её верхних слоях, его разложения;

3)накопление (аккумуляция) в верхней части почвы биофильных элементов и прежде всего элементов питания;

4)взаимодействие минеральных и органических веществ с обра- зованием органо-минеральных соединений;

5)передвижение (миграция) продуктов почвообразования в про- филе почвы.

В основе почвообразовательного процесса лежит малый биоло- гический круговорот веществ. Органические остатки, которые накапливаются растениями после их отмирания, на поверхности породы или в её верхних слоях не полностью минерализуются, часть их в процессе гумификации превращаются в гумус, который в запасе имеет все элементы питания растений. Накопление гумуса в

верхних слоях и взаимодействие гумусовых веществ с минеральной частью породы приводят к образованию почвы. Гумус содержится только в почвах и отсутствует в почвообразующей породе.

14

Образование (генезис) любой почвы состоит из трёх последова- тельных стадий:

∙Начало почвообразование (первичный почвообразовательный процесс),

∙Стадия развития почвы, на которой субстрат материнской по- роды приобретает характерные почвенные признаки,

∙Стадия сформированной (зрелой) почвы.

Начало почвообразования совпадает с началом функционирова- ния пионерных наземных биогеоценозов в условиях одновременно-

го и взаимосвязанного действия пяти факторов почвообразования (например, в результате регрессии моря, отступления ледников). Для таких «пионерных» экосистем характерна низкая биологиче- ская продуктивность (за счет грибов, водорослей, лишайников) и незначительный объём биологического круговорота. Протекают почвенные микропроцессы небиологической природы: физические, физико-химические и химические.

Для второй стадии развития почвы характерно значительное воз-

растание биопродуктивности наземных экосистем за счет высших растений. Идет увеличение объёма биологического круговорота и сильная трансформация соединений некоторых элементов. Элемен- ты после биологического поглощения возвращаются в почву в фор- мах, доступных для последующих поколений организмов. На дан- ной стадии почвенные микропроцессы, сочетаясь и взаимодействуя между собой, образуют качественно новые почвенные мезопроцес- сы и макропроцессы, формирующие специфические признаки почв. Стадия формирования почвы может продолжаться сотни, тысячи лет и более. В условиях длительной стабилизации внешних условий почвы могут достигнуть состояния, близкого к равновесному с окружающими факторами, что проявляется в относительной стаби- лизации их свойств и процессов. В данном случае считается, что почва перешла в фазу зрелой почвы.

Третья стадия сформированной зрелой почвы характеризуется тем, что снижается интенсивность расширения масштабов биологи- ческого круговорота. Все главные процессы протекают в рамках относительно стабильных биогеохимических круговоротов. Идет относительная стабилизация главных признаков почвы, за исклю- чением признаков, подверженных сезонным изменениям. На стадии равновесного функционирования почв проходят все группы процес- сов (микро-, мезо- и макропроцессы). Они согласованы во времени

15

и составляют в совокупности биогеохимические круговороты. На данной стадии биогеохимический круговорот способствует воспро- изводству свойства природных систем и их важнейших составляю- щих – почв.

Почвенные процессы

В настоящее время в почвоведении развито представление об иерархической системе почвенных процессов, в пределах которой выделяются три уровня почвенных процессов по степени их слож- ности и специфичности. Представление о почвенных процессах развивались и использовались при рассмотрении генезиса почв це- лым рядом исследователей – М. А. Глазовской (1966, 1972), И. П. Герасимовым (1973), Б. Г. Розановым (1975), А. А. Роде и др.

Почвенные микропроцессы (элементарные процессы перво-

го порядка) – это группа процессов, в результате которых осу- ществляются акты превращения и переноса вещества. Такого рода процессы могут протекать не только в почвах, но и в любых других природных средах. Их нельзя отнести к специфическим почвенным, поскольку каждый из них, взятый в отдельности, за редким исклю- чением, не формирует специфических почвенных признаков, хотя во всех почвах и на всех стадиях почвообразования они представле- ны очень широко. Эти процессы небиологической природы – рас- творение, осаждение, испарение, кондесации, сорбции, диффузии, комплексообразования и др. Это физические, физико-химические и химические процессы, осуществляющиеся преимущественно на атомно-ионном, молекулярном, коллоидном уровнях.

Почвенные мезопроцессы (элементарные почвенные процес-

сы второго порядка) формируют специфические отдельные свой- ства почв. В результате действия почвенных мезопроцессов форми-

руется специфический вещественный состав и физические свойства почвы. Идет дифференциация первоначально однородной толщи материнской породы на генетические почвенные горизонты. К мез- опроцессам относятся такие процессы:

1. Дерновый процесс – почвообразовательный процесс, протека- ющий под травянистой растительностью и приводящий к формиро- ванию гумусового горизонта с запасом питательных веществ и со- зданию водопрочной структуры в верхнем горизонте.

16

2.Гумусово-аккумулятивный (гумусный) процесс – обуславлива-

ет развитие мощного гумусово-аккумулятивного горизонта, накоп- ление элементов питания растений и оструктуривание профиля.

3.Оподзоливание (подзолистый процесс) – почвообразователь-

ный процесс, протекающий под пологом таежных моховых хвой- ных лесов. В результате подзолистого процесса под лесной под- стилкой развивается подзолистый горизонт (имеет белесый цвет золы, кислую реакцию) вследствие разрушения почвенных минера- лов агрессивными фульвокислотами.

4.Торфообразование – накопление на поверхности почвы полу- разложившихся растительных остатков (торфа) в результате замед-

ленной их гумификации и минерализации в условиях избыточного увлажнения. Формируется торфяной горизонт.

5.Оглеение (глееобразование) – сложный биохимический вос-

становительный процесс, протекающий при переувлажнении почв в анаэробных условиях, при этом образуется глеевый горизонт – бо- лее или менее плотная глинистая порода серого цвета с зеленова- тым оттенком.

6.Лессиваж – механическая миграция высокодисперсных или- стых частиц из верхних горизонтов в нижние без химического раз- рушения.

7.Оглинение – процесс образования вторичных глинистых мине- ралов, развивается под древесной растительностью при длительном теплом периоде, достаточном увлажнении и интенсивном биологи- ческом круговороте.

8.Засоление – накопление легкорастворимых солей в почвенном профиле.

Необходимо отметить, что хотя в почвоведении и дано соответ- ствующее определение всем наблюдаемым почвенным мезопроцес- сам, это не означает, что до конца раскрыты их сущность и содер- жание, выяснены механизмы.

Почвенные макропроцессы (собственно почвообразователь-

ные процессы) приводят к формированию не отдельных специфи-

ческих признаков и отдельных генетических горизонтов почв, а к формированию определенных типов почв – черноземов, подзоли- стых, солонцов, серых лесных, болотных и т. д. Макропроцессы

формируются в результате определенного сочетания почвенных мезопроцессов в условиях специфического проявления биогеохи- мического круговорота.

17

Контрольные вопросы

1.В чем сложность почвы как природного образования и объекта исследований? Каковы функции почвы в биосфере?

2.Перечислить основные этапы развития почвоведения.

3.В чем состоит вклад В. В. Докучаева в развитие взглядов на почву? Назвать выдающихся представителей русской национальной научной школы почвоведения.

4.Каковы основные стадии почвообразовательного процесса и их характерные особенности?

5.В чем степень сложности и специфичности почвенных про- цессов разных уровней?

Литература

1.Добровольский В. В. География почв с основами почвоведе-

ния. – М., 2007. 320 с.

2.Геннадиев А. Н., Глазовская М. А. География почв с основами почвоведения. – М., 2007. 400 с.

3.Серебряков А. К. География почв с основами почвоведения: курс лекций. Ч. 1. – Ставрополь: Изд-во СГУ, 1997. 108 с.

4.Белобров В. П. География почв с основами почвоведения. –

М., 2007. 280 с.

2. ФАКТОРЫ ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ

Цель: изучить воздействие факторов почвообразования на фор- мирование почв.

Изучение почвы в отрыве от изучения факторов почвообразова- ния может привести к неправильным выводам. Поэтому, целесооб- разно в самом начале сосредоточиться на тех сведениях, которые характеризуют основные компоненты географической среды, ока- зывающие воздействие на процесс почвообразования.

Основы учения о факторах почвообразования заложены В. В. Докучаевым, который установил, что почва, как особое при- родное тело, формируется в результате тесного взаимодействия факторов почвообразования: климата, живых организмов, почвооб-

18

разующих пород, рельефа местности и возраста страны (времени почвообразования. В качестве факторов почвообразования также рассматриваются производственная деятельность человека и под- земные воды.

Почвообразующие породы Почвообразующие (или материнские) породы – это горные

породы, которые выходят на земную поверхность и в толще кото- рых развивается почва. Почвообразующие породы являются исклю- чительно важным фактором почвообразования. С влиянием именно этого фактора в значительной мере связано многообразия почв.

Их роль в процессе почвообразования:

∙от состава пород зависит минералогический и химический со- став почв;

∙плотность или рыхлость пород определяют характер сложения почв;

∙с породами связана мощность почвы, особенности её строения по вертикали и горизонтали;

∙физические (водные, воздушные, тепловые), химические и фи- зико-химические свойства почв зависят от материнских пород.

Таким образом, почвообразующая порода является материаль- ной основой почвы. Минералогический, химический и механиче- ский состав пород определяет условия прорастания растений, ока- зывает большое влияние на гумусонакопление, оподзоливание, оглеение, засоление и другие процессы. Так, карбонатность пород в таёжно-лесной зоне создаёт благоприятную реакцию среды, спо- собствует формированию гумусового горизонта, его оструктурен- ности. На кислых породах эти процессы идут значительно медлен- нее. Повышенное содержание в материнской породе водораствори- мых солей приводит к засолению почв. Сильнокаменистые породы осложняют сельскохозяйственное использование почв.

Эти примеры свидетельствуют о том, что от материнских пород зависят также:

∙скорость и направленность почвообразовательного процесса;

∙формирование и уровень почвенного плодородия и сельскохо- зяйственного использования почв.

Формирование почвообразующих пород связано с процессами выветривания горных пород. Выветривание – процессы преобра-

19

зования и изменения горных пород на поверхности Земли. Процес- сы выветривания (или гипергенеза) распространяются на некото- рую глубину, образуя зону гипергенеза. В зоне гипергенеза в верх- ней части выделяют почву, под которой располагается кора вывет- ривания, включающая в себя продукты выветривания горных по- род. Кора выветривания – это горизонты горных пород, где проте- кают процессы выветривания. В ней различают две зоны: новей- шую и древнюю (глубинную) коры выветривания.

Выветривание включает в себя физические, химические и биоло- гические процессы.

Физические процессы выветривания – это механическое раз-

дробление горных пород и минералов без изменения их химическо- го состава. Оно осуществляется под влиянием ветра, воды, суточ- ных и сезонных колебаний температуры.

Химические процессы выветривания – изменения и разрушения

горных пород и минералов под влиянием химических процессов с образованием новых минералов и соединений. Главнейшими фак- торами химического выветривания являются вода, CO2, O2, темпе- ратура.

Биологические процессы выветривания – процессы механическо-

го разрушения и химического изменения горных пород и минералов под действием растительных и животных организмов и продуктов их жизнедеятельности. Все перечисленные процессы действуют на горные породы совместно и одновременно, в результате выветрива- ния проходит глубокое изменение элементного и минерального со- става горных пород.

Обычно выделяют три группы горных пород по происхождению:

1)магматические (или массивнокристаллические, изверженные) породы составляют 95 % общей массы пород, слагающих литосфе- ру, однако почвообразующими они являются лишь в редких случа- ях, главным образом в горных областях (граниты, базальты, диори- ты, габбро). Почвы, развивающие на магматических породах, ока- зываются более каменистыми, в них долгое время остаётся много первичных устойчивых минералов (например, кварца);

2)метаморфические (вторичные массивнокристаллические) – породы, образовавшиеся из магматических пород в результате глу- бокого изменения (меторморфизма) в недрах Земли под влиянием

20