Вальков - Почвоведение

2.2. ПРОЦЕССЫ ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ

2.2.1. Концепция процессов почвообразования В ОБЩЕЙ ТЕОРИИ генезиса почв

Почвообразовательный процесс представляет собой совокупность явлений превращения и передвижения веществ и энергии, формиру­ ющих самостоятельное биокосное тело в поверхностном слое земной коры — почву. Почвообразование совершается под влиянием сол­ нечной энергии при взаимодействии живых организмов и продуктов их распада с корой выветривания, содержащей воду и воздух. Сущ­ ность почвообразовательного процесса определяют два противопо­ ложных и взаимосвязанных комплекса биохимических, химических, физических, физико-химических процессов — поглощение живыми организмами минеральных веществ из окружающей среды и воздей­ ствие на окружающую среду живых организмов, продуктов их жиз­ недеятельности и распада.

В порядке усложнения и генетической результативности почвоо­ бразовательные процессы объединяются в следующие три группы:

—простейшие микропроцессы;

—элементарные почвенные процессы (ЭПП);

—общие (тотальные) макропроцессы.

Простейшие микропроцессы представляют, как правило, различ­ ные противоположно направленные явления. Главная черта этих про­ цессов: они не оставляют в почвах в данный момент заметных мор­ фологически выраженных признаков.

Можно назвать следующие пары явлений, свойственных генези­ су почв:

Поглощение живыми организмами из почвы минеральных соеди­ нений и синтез органического вещества. Выделение живыми организ­ мами в почвенный покров и почвенную атмосферу органических и минеральных соединений.

Разложение и минерализация органических остатков. Синтез

из органических и минеральных соединений гумусовых веществ по­ чвы.

Подкисление почвенных растворов органическими кислотами, про­ дуцируемыми организмами при жизни, освобождающимися после от­ мирания и образующимися при гумификации. Нейтрализация по­ чвенных растворов при обменных реакциях водорода органических кислот с основаниями, освобождающимися при минерализации орга­ нических остатков и разложении первичных минералов.

Разрушение первичных минералов почвообразующей породы. Синтез вторичных минералов и органо-минеральных комплексов.

Коагуляция органических, органо-минеральных и минеральных коллоидов, образование устойчивых агрегатов. Пептизация почвен­ ных коллоидов, разрушение агрегатов.

Гидратация минеральных соединений. Дегидратация этих со­ единений.

Окислительные процессы, идущие при свободном доступе кис­ лорода в почвенную толщу или при отсутствии дефицита кислорода

впочвенных водах. Восстановительные процессы при постоянном или периодическом застое влаги и недостатке кислорода.

Движение растворов вверх и накопление подвижных соединений

вверхней части профиля. Движение растворов вниз, растворение и вынос подвижных соединений.

Поглощение элементов органогенов живыми организмами и био­ генное их накопление в верхних горизонтах почв. Растворение и вы­ нос элементов биогенной аккумуляции.

Адсорбция почвенными коллоидами и живущими в почве живыми организмами газов почвенной атмосферы. Десорбция газов, их вы­ деление в процессе дыхания и при разложении растительных остат­ ков.

Дифференциация почвенного профиля и формирование различ­ ных по составу и свойствам генетических горизонтов. Нарушение строения почвенного профиля при физико-механических деформа­ циях в результате деятельности почвенных животных и перемещени­ ях почвенной массы.

Элементарные почвообразовательные процессы (ЭПП) пред­ ставляют сочетание взаимосвязанных биологических, химических и

206 П о ч в о в е д е н и е

физических явлений, протекающих в почвах и являющихся главными составляющими почвообразования в целом. Это конкретные явления, механизмы и процессы, приводящие к образованию того или иного признака почвы, например, гумусового горизонта, солонцеватости по­ чвы, горизонтов карбонатных новообразований или гипса и т. д. По своей сущности ЭПП является проявлением многолетнего суммиро­ вания веществ и энергии простейших микропроцессов.

До настоящего времени нет четкой классификации элементарных почвообразовательных процессов. Разные авторы неодинаково пред­ ставляют их содержание по объему и сущности явлений. Часто вы­ зывает нарекания термин «элементарные». Его следует понимать не в смысле элементарной простоты, а как составляющий компонент (эле­ мент) более сложных тотальных явлений, формирующих почвенное тело, целостное самостоятельное природное образование.

Общие (тотальные) макропроцессы формируют определенные по­ чвенные индивидуумы (типы, подтипы и др.). В почвоведении они рассматриваются как черноземообразование, подзолообразование, буроземообразование, солонцеобразование и т. д. Чернозем, подзол или солонец образуются в результате определенного совместного воздей­ ствия нескольких элементарных почвообразовательных процессов.

Прецессионный подход к генезису почв позволяет глубже по­ знать их производственно-генетические возможности. При рассмо­ трении конкретного почвенного профиля внимание концентрируется на двух-трех ведущих элементарных почвообразовательных процес­ сах, которые формируют тип (подтип) почвы и поддерживают его в равновесии с окружающими внешними факторами.

Развитие почвенного типа (подтипа) происходит под воздействием нескольких элементарных процессов, и эти процессы являются глав­ ными, определяющими генезис конкретной почвы. Главные процес­ сы могут сочетаться с сопутствующими подчиненными явлениями, не характерными для данного почвообразования. Главенство процессов не абсолютно. В зависимости от типов почв и конкретных условий главное может стать второстепенным, подчиненным.

Любой почвенный профиль не формируется только каким-либо одним ЭПП. Поэтому явления подзолообразования, черноземообразования, буроземообразования, солонцеобразования и другие пред­ ставляют совокупность ЭПП, приводящих к формированию соответ­ ствующих почв.

2 .2 .2 . П рео бразо ван и е и н ак о п л ен и е о рган и ч еск и х вещ еств в п о ч в а х

Органические вещества, образующиеся в результате фотосинтеза и появляющиеся за счет потребления животными и микроорганизмами растительной органики, поступают в почву как продукты жизнедея­ тельности компонентов биоценоза. Вместе с растительными и живот­ ными остатками почвы получают энергию, консервированную фотосинтетическим путем, биогенные элементы, аккумулированные телами растений, а также исходные вещества для образования гумуса.

В различных природных зонах объем органического вещества есте­ ственных биоценозов, обусловливающих биологический круговорот, неодинаков. Вещества органических остатков в сложнейших процес­ сах превращения претерпевают изменения по двум главным направ­ лениям — минерализации и гумификации.

М инерализация. В процессе минерализации сложные органиче­ ские соединения при участии различных групп микроорганизмов пре­ вращаются в простые химические вещества — воду, углекислый газ, соли в виде различных катионов и анионов. В минерализацию вовле­ кается большая часть органических остатков — до 80—90%. Продук­ ты минерализации попадают в почвенные растворы и в значительной степени становятся источником питания растений, а значит, вновь включаются в биологический круговорот веществ.

Скорость минерализации и характер образующихся при этом про­ дуктов зависит от химического состава растительных остатков и усло­ вий, в которых происходит разложение.

Гумиф икация — процесс образования гумусовых веществ. Они образуются из обломков биологических макромолекул или их моно­ меров, которые оказываются в почве благодаря ее живому населе­ нию. Это те же сахара, аминокислоты, белки, целлюлоза, лигнин и другие химические соединения растительных остатков, а также кор­ невые выделения живых растений, которые, попадая в почву, могут подвергнуться полной минерализации, а могут стать источником син­ теза гумуса.

Гумификация — глобальный процесс, встречающийся во всех без исключения почвах. Это главная и всеобщая черта почвообразова­ ния, отражение биологического круговорота веществ в свойствах почв. Если интенсивность разложения растительных остатков слабее, чем их

как сложный комплекс одновременно протекающих биологических, физических и химических процессов. Воздействие на горные породы организмов и продуктов их жизнедеятельности стимулирует физиче­ ские и химические явления. В начальных стадиях первичный почво­ образовательный процесс связан с развитием бактериальных и актиномицетных форм, которые способны разлагать первичные и вторич­ ные минералы с образованием хелатов. При накоплении в первичных почвах органического вещества количество актиномицетов уменьша­ ется и постепенно замещается бактериальной и грибной микрофло­ рой, развивающейся в соответствии с условиями среды. В результате первичного почвообразования идет разрушение горных пород и со­ ставляющих их первичных минералов с образованием мелкозема и накоплением элементов — органогенов, а также веществ почвенного гумуса. Формируются почвы с маломощным профилем — литосоли, рендзины, регосоли, ареносоли, пелосоли. Их профиль определя­ ют горизонты: А — С (Ао — А — С) на рыхлых породах и Ад — Д (Ад — А —Д) на плотных породах. Литосоли формируются на плот­ ных массивно-кристаллических бескарбонатных породах (граниты, базальты, диабазы и др.), а рендзины — на плотных карбонатных породах (известняки, мергели и др.). На рыхлых породах образу­ ются регосоли (суглинистые наносы), ареносоли (песчаные наносы), пелосоли (глины).

Изучение процессов первичного почвообразования предоставляет исследователю ценный материал о скорости и этапах развития почвы. Впервые изучение начальных этапов почвообразования было сделано В. В. Докучаевым на древних стенах Староладожского монастыря.

Дальнейшее развитие маломощных почв предполагает их эволю­ цию в зональные. Вместе с почвами развивается и материнская поро­ да; увеличивается мощность ее рухлякового слоя. Период формиро­ вания полноразвитой климаксной почвы составляет 500—1500 лет.

Дерновый процесс предполагает накопление гумуса и приобре­ тение почвой комковато-зернистой структуры под воздействием тра­ вянистой растительности. При этом происходит аккумуляция в верх­ них горизонтах азота и зольных элементов питания растений, при­ обретение почвами благоприятных водно-физических, химико-физи­ ческих свойств.

Дерновый процесс связан прежде всего с жизнедеятельностью тра­ вянистой растительности и сопутствующей ей разнообразной биотьь

210 П о ч в о в е д е н и е

Следует признать первостепенное значение дернового процесса как фактора, создающего агрономическое эффективное плодородие по­ чвы. Именно дерновый процесс обусловливает высокое потенциальное плодородие почв и создает благоприятную экологическую обстановку для большинства сельскохозяйственных растений.

Из всех растений только травы уникальны как создатели нужно­ го земледельцу плодородия почвы. Причина заключается в их эко- лого-биологической сущности. Травы на 60—90% своей биомассы на­ ходятся в почвенных горизонтах, и для них характерно ежегодное поступление всего этого органического вещества в биологический круговорот, в процессы гумификации и минерализации. Велико зна­ чение физической разрыхляющей способности корневых систем тра­ вянистой растительности, ее структурообразующих функций. Благо­ даря травам в результате дернового процесса почвенная масса зна­ чительно увеличивается в объеме. Например, на черноземах лессо­ видный суглинок имеет плотность 1,45—1,50, а дерновый горизонт залежной почвы 1,05—1,15. В результате дернового процесса почва как бы растет вверх.

В проявлении дернового процесса важную роль играют веществен­ ные химические особенности травянистых биоценозов. Травы богаты азотом и фосфором и отличаются высокой зольностью.

Оглинивание. Под оглиниванием понимается процесс образова­ ния вторичных глинистых минералов типа монтмориллонита, гидро­ слюд, каолинита, вермикулита, аллофана и других, составляющих илистую фракцию почв. Эти высокодисперсные минералы образуются из первичных минералов путем изоморфных замещений, а также из продуктов распада как первичных, так и вторичных минералов. При­ менительно к почвам употребительны следующие синонимы оглинивания: сиаллитизация, оглинение, метаморфизация, внутрипочвенное выветривание, неосинтез глин. В почвах с невыраженными элювиаль­ но-иллювиальными явлениями в отношении алюмосиликатной части оглинивание обнаруживается по накоплению илистых частиц. Для всех почв большое значение имеет сравнительное изучение минерало­ гического состава ила исходной материнской породы и почвенных го­ ризонтов, а также микроморфологические исследования. Увеличение глинистости почвенной массы является главным генетическим итогом оглинивания. Оглиненные горизонты называются текстурными, или метаморфическими, и обозначаются Bt, ABt. *

Оглинивание — биогеохимический процесс. Наиболее интенсив­ но он протекает при непосредственном контакте минеральной массы с биологическими системами. Изучение выветривания мусковита, биотита, микроклина под действием корней древесной раститель­ ности, почвенных микроорганизмов и грибов показало, что живые организмы способны извлекать К, Mg, Fe из кристаллической ре­ шетки первичных материалов. Биологическое выветривание сопро­ вождается изменением типа минерала, например, биотит трансфор­ мируется в вермикулит. Кроме биологических факторов при оглинивании немаловажную роль играют химические и физико-химические процессы замещения катионов, окисления, гидролиза, гидратации, образования осадков, комплексов, и т. д. Поэтому необходимые условия оглинивания — господство положительных температур и достаточного увлажнения, а интенсивность внутрипочвенного вы­ ветривания возрастает от полярных областей к тропикам. В арид­ ных условиях и при отрицательных температурах преобладает фи­ зическое разрушение пород. Минералы же остаются относительно устойчивыми.

В каждой почвенной зоне оглинивание направлено к формирова­ нию определенного типа коры выветривания, который представляет завершающую стадию развития, находится в равновесии с окружаю­ щими ее компонентами и условиями природного ландшафта и харак­ теризуется типичным минералогическим составом.

Зональность процессов выветривания впервые отмечена в работе В. В. Докучаева о зональности в минеральном царстве. Представле­ ние о зрелых корах выветривания, характерных для каждой почвен­ ной зоны, обобщил В.М. Фридланд. Для каждой почвенной зоны В.М. Фридланд выделяет различные типы стадийно-незрелых не­ устойчивых переходных кор выветривания, которые в завершающей стадии развития дают продукты выветривания, значительно более близкие между собой, чем исходные породы.

Для большинства почв России характерен сиаллитный (Si-Al-lito) тип оглинивания. При этом типе преобразования минералов корен­ ных пород происходит накопление вторичных глинистых минералов типа гидрослюд, каолинита и монтмориллонита. Преобразование ми­ неральной части почв по сиаллитному типу характерно для черно­ земов, каштановых почв, серых и бурых лесных почв, дерново-кар­ бонатных и др.

212 П о ч в о в е д е н и е

Во влажных субтропиках Черноморского побережья тип оглинивания — аллит-сиаллитный. Здесь происходит обогащение почв ми­ нералами окислов железа и алюминия.

Почва и материнская порода — самостоятельные тела природы, вместе составляющие кору выветривания. Оглинивание и в почве, и в материнской породе протекает по общему направлению. Почвы всег­ да развиваются в толще коры выветривания, располагаясь в верхней ее части. При маломощных щебнистых корах выветривания почвен­ ный профиль полностью занимает объем этих кор. Мощные, напри­ мер тропические аллитные, коры выветривания во много раз превос­ ходят объем почвенной массы.

Наблюдаемые современные почвы и приуроченные к ним коры выветривания в решающей степени определяют минералогический состав почвы и направление внутрипочвенного оглинивания. В то же время почвенные процессы оказывают непосредственное влияние на ход выветривания коры, особенно при проникновении в них почвен­ ных растворов в условиях промывного водного режима.

Вопрос о различиях и сходстве в составе минералов между почвами и материнскими породами имеет значение в смысле констатации не­ одинаковой скорости развития этих природных тел. В зрелых корах выветривания и приуроченных к ним зональных почвах различия в минералогическом составе будут минимальными.

В толще коры выветривания скорость процесса оглинивания, т. е. интенсивность образования вторичных глинистых минералов, неоди­ накова. Обычно она выше в биологически активных почвенных го­ ризонтах, причем в самой почве характерно обособление более оглиненного метаморфического текстурного горизонта Bt. Оглинивание наиболее интенсивно в незрелых щебнистых корах выветривания, обогащенных первичными минералами. При высоком содержании в почвах потенциальной части, т. е. первичных минералов, происхо­ дит быстрое накопление глинистых частиц и оглинивание становится важнейшей частью почвообразования. Оглинивание ослабевает, за­ медляется в почвах и материнских породах тяжелого механического состава, обогащенных вторичными минералами. Отмечено слабое раз­ витие процесса внутрипочвенного выветривания в горизонтах коры выветривания, достигшей зональной зрелости. В этом случае огли­ нивание не представляет решающего качественного компонента по­ чвообразования .

Слитогенез. Слитыми почвами называют плотные образования, которые в сухом состоянии обладают очень высокой твердостью, а во влажном состоянии — низкой твердостью и высокой пластичностью. Например, слитые черноземы Кубани имеют в зависимости от влаж­ ности объемную массу от 1,93—2,00 (сухие) до 1,40—1,42 (влажные) и соответственно — порозность от 26 до 48%. Характерная особен­ ность слитых почв — их склонность к сильному растрескиванию при высыхании. Объемная усадка составляет около 30%. К свойствам слитости относятся также вязкость и липкость глинистой массы, бесструктурность, «сплошность» во влажном состоянии и глубокая круп­ ноглыбистая трещиноватость в сухом. Слитые почвы обладают спо­ собностью к самомульчированию, т. е. при высыхании поверхност­ ного слоя образуют рыхлый мелкочешуйчатый, не обладающий ка­ пиллярностью горизонт.

Контрастный водный режим, резкие колебания от переувлажне­ ния к иссушению ведут к перестройке минеральной части, изменению структуры, появлению высокой способности к набуханию и сжатию. Этому способствует обогащенность слитых почв и почвообразующих пород монтмориллонитовыми минералами, а монтмориллонитовое оглинивание — одна из важнейших сторон слитогенеза. При слитогенезе образуется темная, почти черная, масса за счет прочного комплексирования гуматов с монтмориллонитовыми минералами.

Оригинально складывается водный режим слитых почв, способ­ ствующий застою воды на поверхности. Проникновение дождевых вод непосредственно в глубокие слои почвы возможно лишь после иссуше­ ния профиля до глубины 150 см, когда он будет пронизан трещина­ ми. В этом случае только влага обильных дождей может достигнуть по трещинам глубоких слоев, и проникновение будет происходить до тех пор, пока в результате набухания средние и верхние слои почвы не превратятся в водоупор. Фильтрация слитого слоя составляет всего 0,1—0,4 мм/ч. При таких величинах фильтрации слитые почвы прак­ тически не имеют промывного режима, какое бы количество осадков ни выпадало. Круговорот веществ происходит в пределах почвенного профиля, т. е. в слое 0—170 см, а материнская порода оказывается изолированной от гравитационного тока влаги набухшей глинистой массой. Избыток атмосферной нефильтрующейся влаги застаивается на поверхности в микрорельефных понижениях, вызывая переувлажненность пахотного слоя.