Ганжара - Почвоведение

Глава 5. Климат, его роль в

почвообразовании

Климат формируется под влиянием космических факторов

(энергия Солнца) и геосферных (влияние земной поверхности на

формирование воздушных масс). Он оказывает многостороннее

влияние на биосферу, процессы почвообразования, свойства почв и почвенного покрова. Влияние климата на почвообразова­

ние проявляется как непосредственно, обусловливая водно-воз­

душный, тепловой, биологический, геохимический режимы почв, так и косвенно через другие компоненты биосферы: атмос­ феру, гидросферу, почваобразующие породы, рельеф, раститель­

ный, животный мир и хозяйственную деятельность человека.

Все перечисленные компоненты биосферы зависят от тепло­ вой энергии Солнца и условий увлажнения. С климатом связана

широтная зональность биосферы (выветривание, денудация и др.), в том числе почвенных процессов (гумусонакопление, опод­ золивание и др.) и вертикальная поясность в горах.

Главными показателями климата являются тепло- и влагао­

беспеченность территорий. Температурный режим почв следует за температурным режимом приземного слоя атмосферы, но отстает от него. Среднегодовые температуры воздуха и почвы в пределах территории России возрастают с севера на юг и с востока на за­ пад. Среднегодовая температура почвы на глубине 20 см изменяет­

ся в пределах России от -12 до + lб·с. Область отрицательных

среднегодовых температур совпадает с областью распространения многолетней мерзлоты.

В качестве критерия выделения термических групп климатов (термических поясов) принята сумма среднесуточных температур

более to•c (таблица 5.1).

5.1. Обеспеченность теплом географических поясов

50

для каждого термического пояса характерны определенные

иnы растительности и почв, поэтому в системе почвенно-геогра-

т u б

фического раионирования их называют почвенноиоклиматичес-

кими nоясами.

в nределах почвенно-биоклиматических поясов существуют

значительные различия по условиям увлажнения и степени кон­

тинентальности климата, оказывающие большое влияние на диф­ ференциацию типов растений и почв. В связи с этим выделяют по­

чвенно-биоклиматические области по влагообеспеченности и сте­

nени континентальности климата.

Для характеристики обеспеченности влагой используются

гидротермические коэффициенты, рассчитываемые по отноше­ нию осадков к испаряемости. Наибольшее распространение полу­ чил коэффициент увлажнения (КУ), предложенный Г.Н.Высоц­ ким (1904) и разработанный для географических зон Н.Н.Ивано­ вым (1948), известный под названием "коэффициент Высоцкого­

Иванова". Он рассчитывается как отношение среднемноголетнего

количества осадков за год к испаряемости, определенной с по­

верхности водоемов. В соответствии с водообеспеченностью вьще­ ляются группы климатов или почвенно-биоклиматические облас­ ти (таблица 5.2).

5.2. Шкала классификации климата по условиям

влаrообеспеченности

51

в основу разделения климата по степени континентальности

положена годовая амплитуда температур. Коэффициент контииен­ тальиости вычисляется по формуле, предложенной Н.Н.Ивано­ вым: К= А · 100/0,33 М, где А - годовая амплитуда температуры из среднемесячных ее величин, М- широта местности. Для океа­ нических областей степень континентальности (величина К) -

менее 100%, для слабоумеренных и среднеконтинентальных-

100-250 и резкоконтинентальных-более 250%.

При аграклиматическом районировании (Д.И.Шашко,

1967) кроме обеспеченности теплом, влагой и континентальнос­

ти климата используются следующие показатели: продолжитель­

ность периода вегетации с t >10°С; суровость зимы, определяемая

средней температурой самого холодного месяца; снежиость зимы, характеризуемая высотой снежного покрова.

Большое влияние на местные условия почвообразования

оказывают микроклиматические условия, которые зависят от ре­

льефа, растительного покрова, наличия водоемов и других био­

сферных факторов. Их необходимо учитывать при формировании адаптивно-ландшафтных систем земледелия. Например, почвы на

склонах разной экспозиции, получающие разное количество теп­

ла, имеют разную степень смытости, степень оглеения, мощность

гумусового слоя и др.

Климат влияет на эффективность земледелия, величину

урожая как опосредованно, через свойства и плодородие почв,

так и прямо, обусловливая оптимальные условия температуры и влажности атмосферы, освещенность, величину снежного покрова и др. Поэтому с климатическими условиями связан и набор культур, способных давать урожай при данных климати­

ческих условиях, и величина урожая. Даже на почвах одного и

того же типа, например, черноземах выщелоченных, но в раз­

ных климатических условиях (Европейская часть России, За­ падная Сибирь, Восточная Сибирь) набор культур и макси­

мальная величина урожая прежде всего определяются климати­

ческими условиями. Из этого следует, что культурные растения в значительно большей степени реагируют на изменение кли­

матических условий, по сравнению с почвами. Поэтому оценка

плодородия почв должна проводиться в системе оценки ланд­

шафтов, с обязательным учетом климатических условий и по­

ложения в рельефе.

52

Глава 6. Биологические факторы

почвообразования

За время существования жизни на Земле живое вещество nреобразовало огромное количество солнечной энергии в хими­

ческую и механическую работу nроцессов выветривания. Часть

энергии трансформировалась в nотенциальную и длительное вре­

мя в вИде громадных запасов органических и органо-минеральных

веществ (нефть, уголь, торф, гумус и др.) сохраняется в земной

коре. Живое вещество существенно изменило химический состав

атмосферы, литосферы и гидросферы.

Благодаря живому веществу сформировалась почва и главное

ее свойство - nлодородие. В основе почвообразования лежит био­

логический круговорот веществ, сущность которого заключается в

том, что химические элементы литосферы, вода и элементы ат­

мосферы поглощаются живыми организмами, персгруппировыва­

ются и возвращаются в почвы, но уже в новом качестве и других

количествах.

По данным А.П.Виноградова (1957), около 70% живого ве­

щества приходится на кислород, 18 -на углерод, около 10- на

водород, остальные 2,0-2,5% представлены такими элементами, как азот, кальций (от 1 до 10%), сера, фосфор, калий, кремний (0,1-1%); железо, натрий, хлор, алюминий, магний (0,01-0,1%). Эти же элементы составляют более 99% веществ, слагающих ли­

тосферу и почвы, но в других соотношениях.

В составе живых организмов значительно выше, чем в соста­ ве литосферы, содержание углерода, водорода и кислорода и зна­

чительно ниже - кальция, магния, калия, натрия, железа, алю­

миния и кремния.

Существует большое разнообразие живых организмов. В ос­

нову классификации биоты положены тип питания и тиn строе­

ния живых организмов (рис. 6.1). По типу питания выделяются

эукариоты - истинные ядерные (растения и водоросли, живот­

ные и грибы) и прокариоты - доядерные (бактерии, архебакте­ рии и синезеленые водоросли). Из выделенных семи групп форми­

РУются четыре царства живой природы:

-растения - первичные продуценты органических веществ;

-животные - потребители органических веществ на разных

трофических уровнях;

- грибыразлагатели органических веществ с абсорбцион­

ным типом питания;

53

Рис. 6.1. Царства живой природы (по И.П.Бабьевой, 1989)

-прокарноты - доядерные микроскопические организмы

(бактерии, архебактерии и синезеленые водоросли). В эко­ логических цепях они выступают в роли продуцентов (си­ незеленые водоросли) и редуцентов-разлагателей органи­

ческого вещества.

6.1.Зеленые растения, малый биологический

круговорот веществ

Живое вещество Земли на 99% представлено массой расти­

тельных организмов, поэтому характер биологического кругово­

рота определяется, в первую очередь, зелеными растениями.

Главной функцией растений в биосфере и в почвообра~овании

является синтез органического вещества и накопление потенци­

альной энергии в почве.

Зеленые растения представлены лесными и травянистыми сообществами, влияние которых на почвообразование существен­ но различается. Для характеристики биологического круговорота

веществ и роли растений в почвообразовании учитываются следу­

ющие показатели:

-общая биомасса (фитомасса)- общее количество живого

органического вещества в надземной и подземной сферах;

-мертвое органическое вещество - количество органичес-

54

кого вещества, заключенное в отмерших остатках расте­

ний. Отдельно различают: запасы гумуса, лесных подсти­

лок, степного войлока, количество ежегодного надземно­

го опада (листья, хвоя, стебли, ветошь и др.), количество

ежегодного корневого опада, запасы легкоразлагаемого

органического вещества (детрита);

-зольность - содержание зольных элементов в растениях и

их частях (рассчитывается в % к массе абсолютно сухого

вещества). Отдельно рассчитывают зольность фитомассы,

годичного прироста, опада, подстилки, торфов;

-годичный прирост - масса нарастающего вещества в

надземной и подземной сферах сообщества;

-интенсивность разложения органического вещества - от­

ношение подстилки к опаду зеленой части растений.

Втаблице 6.1 приведены показатели биологического круго­ ворота растительных сообществ основных природных зон в соста­

ве древесных, кустарниковых, травянистых и мохово-лишайни­

ковых формаций.

Для биологического круговорота веществ лесных сообществ

характерно длительное исключение из него значительной части

азота и зольных элементов, которые накапливаются в стволах и

ветвях. Только незначительная часть органических веществ (3- 5 т/га) поступает ежегодно в почву в форме наземного опада (хвоя, листья, ветошь и др.). Вместе с ними в почву возвращаются

50-300 кг/га зольных элементов и азота, значительная часть кото­

рых накапливается в составе лесной подстилки и постепенно, за

3-10 и более лет, высвобождается при ее разложении. Продукты

разложения вновь вовлекаются в биологический круговорот, а ча­ стично, с атмосферными осадками, поступают в нижележащие горизонты почвенного профиля, вплоть до грунтовых вод.

Для биологического круговорота травянистых сообществ ха­

рактерно значительно меньшее накопление общей массы, но су­

щественно большее возвращение с ежегодным опадом (до 15 т/га сухого вещества) по сравнению с лесными формациями. В сооб­ ществах луговых степей до 700 кг зольных элементов и азота еже­

годно возвращаются в почву вместе с опадом. Значительная часть опада (до 70%) поступает не на поверхность почвы, а в форме

Корней в верхние горизонты почвенного профиля, что способ­

ствует накоплению гумуса и формированию структуры (агрегатов

Разного размера) почвы. С величиной ежегодного опада тесно свя­

зано количество образующегося гумуса, численность микрофлоры

и м:икрофауны.

55

Интенсивность разложения опада определяется, в первую

очередь, гидротермическими условиями. Если в условиях влажных

тропических лесов при величине опада в 25 т/га лесная подстилка составляет только 2 т/га, то в лесах умеренного пояса из 3-5 т/га опада накапливается 30-50 т/га лесной подстилки. Различия в био­

химическом составе растительного опада обусловливают разную

скорость его разложения даже в одинаковых гидротермических ус­

ловиях, что отражается на составе образующегося гумуса. Боль­ шое влияние на почвообразование оказывают зольность опада, количество оснований и азота в его составе. Зольность растений в среднем составляет около 1,5%, но во многих злаковых и эфемер­ но-полынных сообществах может достигать 8-10%, а в галофит­ ных сообществах на солончакахдаже 20-50%.

Растения обладают свойством избирательно поглощать и

концентрировать из рассеянного состояния химические элемен­

ты, необходимые для их роста и развития. Благодаря этому в по­

чвах происходит биогенное накопление ряда биофильных элемен­

тов, таких как фосфор, кальций, магний, калий, сера и др. Обо­ гащение верхних слоев почвы основаниями и азотом способствует образованию и накоплению в них гумуса. В процессе питания кор­

ни растений в обмен на логлощенные ими элементы питания продуцируют значительное количество корневых выделений, в

составе которых много ионов водорода и анионов органических

кислот. По данным ряда ученых, корневые выделения составляют десятки и сотни килограммов на 1 га. Вместе с органическими кислотами, образующимися при разложении опада, и углекисло­ той, выделяемой при дыхании корней, они проделывают боль­ шую химическую работу, вовлекая в биологический круговорот

веществ новые порции химических элементов из горных пород и

минералов.

Растения, наконец, защищают почву от эрозионных процессов. В естественных условиях количество сносимого эрозионными про­

цессами материала компенсируется процессами почвообразования.

6.2. Роль животных в почвообразовании

Главной функцией животных в биосфере и в почвообразова­

нии является потребление и разрушение органического вещества

зеленых растений. Биомасса почвенных животных составляет, по

разным оценкам, от 0,5% до 5% фитомассы и может достигать в

умеренных широтах 10-15 ~/га сухого вещества (Ковда В.А., 1973).

56

6.1. Биолоrический круговорот веществ (вц на 1 ra) (по Л.Е.Родину и Н.И.Базилевич, 1965)

c.n

-.J

В пищевых цепях организмов существует поток постоянно

уменьшающейся энергии от растений к травоядным, от травояд­

ных к хищникам, некрофагам, микроорганизмам.

Растительные и животные остатки разрушаются различными

группами почвенных животных:

-фитофаги (нематоды, грызуны и др.), питающиеся тка­ нями живых растений;

-хищники (простейшие, скорпионы, клещи) питаются

живыми животными;

- некрофаги (жуки, личинки мух и др.) поедают трупы жи­

вотных;

-сапрофаги (термиты, муравьи, многоножки и др.) пита­

ются тканями мертвых растений;

-капрофаги, разновидность сапрафагав (жуки, мухи и их

личинки, простейшие, бактерии и др.) питаются экскре­

ментами других животных;

-детритафаги используют в пищу детрит.

По размерам особей выделяют четыре группы:

-микрофауна - организмы, размер которых менее 0,2 мм

(простейшие, нематоды);

-мезофаунаорганизмы размером от 0,2 до 4 мм (микро­ артроподы, насекомые, некоторые виды червей и др.);

-макрофаунаживотные размером от 4 до 80 мм (земля­

ные черви, моллюски, муравьи, термиты и др.);

-мегафауна - животные размером более 80 мм (крупные

насекомые, скорпионы, кроты, грызуны, лисы, барсуки

и др.) (рис. 6.1).

Общая численность беспозвоночных особей - червей, нема­

тод, ногохвосток, членистоногих - достигает десятков млн эк­

земпляров на 1 м2• Число нор сусликов и кротов в степных почвах достигает 2-4 тыс. на га. ДоЖдевые черви ежегодно пропускают че­ рез свой кишечник в разных природных зонах от 50 до 600 т мел­ козема. Экскременты доЖдевых червей (капролиты) повышают содержание гумуса и существенно улучшают свойства почв. Боль­

шую работу проводят простейшие (протозоа), размер которых со­

ставляет несколько микрон, а численность достигает до 1,5 млн в 1 г почвы. Они разлагают органические остатки до более простых

соединений, подготавливая их таким образом для гумификации.

Землерои могут существенно изменять свойства почв и микроре­ льеф, перемещая мелкозем из глубоких слоев на поверхность почвы.

Образование бугорков приводит к перераспределению влаги и солей и

может являться причиной формирования почв с разными свойствами.

58

2

~

~·

~

~

~2

..с::щ:;:со:п==с==~ 3

4

5

Рис. 6.1. ПочвеiDIЫе животные:

1 - микроорганизмы (А - бактерии, Б - низшие nочвенные rрибы, В - ак­

тиномицеты, Г- диатомовые водоросли) (no Д.М.Новоrрудскому, 1956);

2- хищные nочвенные личинки жуков-жужелиц (no Д.А.Криволуцкому, 1969); 3 - разные виды nочвенных ноrохвосток (коллембол); 4 - nредстави­

тели nочвенной мезофауны (А - скорпион, Б - ложноскорnион, В - мок­ рица, Г - кивсяк) (no Криволуцкому, 1969); 5 соотношение размеров дожде­

вых червей (l - Megascolides australis, 2 - Allolobophora magnifica, 3- Lumbricus terrestris, 4 - L. rubellus) (no И.П.Бабьевой, 1989).

59