ПОЧВА лесники ответы / Voprosy_63-66
.docxВопросы 63-66
Лекция 19. 1. Болотный почвообразовательный процесс
2. Причины и типы заболачивания
3. Сущность болотного процесса
4. Строение и свойства верховых, переходных
и низинных болотных почв и особенности их использования 5. Гидроморфные и полугидроморфные почвы
Болота занимают огромные пространства на Земле и встречаются во всех почвенно-биоклиматических природных зонах. Общая площадь болот составляет около350 млн. га, из них 175 млн. га имеют залежи торфа мощностью более 0,5 м. Болотные почвы относятся к интразональным
Основные площади болотных почв расположены в таёжно-лесной и тундровой зонах и составляют 6,7% территории России, или 150 млн. га; 60 млн. га болот находится в европейской части, 90 млн. га - в Западной Сибири. В более южных зонах они распространены значительно меньше и приурочены в основном к поймам рек и отличаются зональными особенностями. Кроме болотных почв, имеется много почв разной степени заболачивания.
Условия образования и развития болотных почв и болот различны, но всегда связаны с избыточным увлажнением, возникающим под воздействием поверхностных или близко залегающих грунтовых вод, зарастании озёр и водоёмов. Их распространение тесно связано с характером геоморфологии и общей дренированности территории. Значительная площадь болот приурочена к районам четвертичных ледниковых и флювиогляциальных песчаных отложений, подстилаемых на разной глубине глинами или суглинками, а также к плохо дренированным равнинам с большим количеством бессточных западин.
Торфяные болота занимают 1…3% территории на моренно-холмистом рельефе, 3…10% на моренных равнинах, 30…40% на древнеаллювиальных равнинах. Современное болотообразование охватывает всю эпоху голоцена и продолжается в настоящее время в результате заболачивания водоёмов и суши.
Болотами называются избыточно увлажнённые участки суши, покрытые слоем торфа мощностью не менее 30 см.
Причиной заболачивания служит застой воды на поверхности в западинах, котловинах и других отрицательных элементах рельефа при развитии мерзлоты, слабой водопроницаемости почв и пород (наличие плотного водоупорного горизонта в толще почвы или почвообразующей породе), при наличии влагоёмкого органического покрова на поверхности (мощной подстилки или мохово-лишайникового ковра). Образуются верховые олиготрофные, реже мезотрофные болота.
Заболачивание водоёмов происходит двумя путями: в результате их зарастания, и в результате нарастания (развития сплавины) с образованием торфа разного состава соответственно стадии заболачивания.
Зарастание свойственно озёрным и старичным мелководьям, а также мелководьям искусственных водохранилищ. При этом образуются низинные эутрофные и мезотрофные болота.
Нарастание сплавины имеет место на озёрах с обрывистыми берегами, где образуются, как правило, верховые олиготрофные болота.
Болотные почвы формируются под воздействием двух процессов – торфообразования в верхней части профиля и оглеения в нижней. Их объединяют под общим термином «болотный процесс».
Сущность болотного процесса заключается в том, что под влиянием переувлажнения в минеральной части почвы возникают процессы оглеения, вызывающие образование плотного, часто водонепроницаемого глеевого горизонта, что способствует дальнейшему накоплению влаги на поверхности почвы. Органическое вещество при создавшихся условиях разлагается очень медленно и, постепенно накапливаясь, образует торфянистый слой мощностью до 20-30 см. В толще влажного, плохо разложившегося слоя микробиологические процессы подавляются (особенно при кислой реакции среды), поэтому элементов питания в доступных формах становится мало. На поверхности оторфованной органической массы поселяются только сфагновые мхи.
Торфообразование – накопление на поверхности почвы полуразложившихся растительных остатков в результате замедленной их гумификации и минерализации в условиях избыточного увлажнения.
В начальной стадии заболачивания появляются влаголюбивые автотрофные травянистые растения, которые в последующие стадии сменяются зелёными мхами, кукушкиным льном и, наконец, белым мхом – сфагнумом.
В анаэробных условиях интенсивность окислительных процессов сильно ослабляется, и органические вещества до конца не минерализуются. При разложении образуются промежуточные продукты в виде низкомолекулярных кислот (масляная, уксусная, молочная и так далее), которые подавляют жизнедеятельность микрофлоры, играющей основную роль в процессах превращения органического вещества в почвах. В этих условиях на поверхности почвы накапливаются полуразложившиеся органические вещества в виде торфа мощностью до 10 м и более.
По составу торф может быть древесным, древесно-осоковым, древесно-моховым, осоковым, зелёномоховым, сфагновым. В зависимости от состава растений – торфообразователей меняется его биохимический состав. Торф – органическая горная порода, содержащая не более 50% минеральных веществ, образовавшаяся в результате отмирания и неполного распада растений в условиях повышенной влажности при недостатке кислорода.
К торфяной почве относят верхний биологически активный слой (35-70 см) торфяника, в котором анаэробные процессы периодически сменяются аэробными и происходит частичное разложение растительных остатков.
Нижняя граница почвы совпадает с максимальным опусканием грунтовых вод во время летней подсушки торфяников, и нижней границей корнеобитаемого слоя.
Более глубокие слои торфа относят к торфоорганогенной породе, здесь при постоянном избытке влаги господствуют анаэробные процессы и осуществляется консервация торфа.
В естественном состоянии торфяная толща содержит до 95% воды, поэтому в ней господствуют восстановительные условия. Возникающая временно пористость аэрации в 5-10 см слое способствует активизации биохимических процессов превращения органического вещества торфа.
Любой торф состоит из негумифицированных растительных остатков, перегноя и минеральных включений.
В превращении органического вещества в болотных почвах участвуют представители многочисленных групп почвенных микроорганизмов.
Вначале на отмершей растительности активно развиваются неспороносные бактерии и грибы. По мере разрушения органических веществ развиваются спорообразующие бактерии, сменяемые целлюлозоразлагающими и другими микроорганизмами.
Торфообразование – биохимический процесс, в котором участвуют многочисленные микроорганизмы, выполняющие сложные функции по разложению и синтезу органического вещества, приводящие, в конечном счёте, к образованию торфа болотных почв.
Анаэробиозис резко затормаживает разложение органического вещества, а, следовательно, и вовлечение зольных элементов и азота в новые циклы биологического круговорота, поэтому возникает относительный недостаток элементов зольной пищи и азота для растений.
Изменение условий аэрации и пищевого режима приводит к эволюции болотной растительности.
При болотном процессе в понижения с почвенно-грунтовыми водами поступает значительное количество элементов питания, что обеспечивает произрастание требовательных к питательному режиму травянистых растений торфообразователей: плотнокустовые злаки, осоки, пушицы, вейники, камыши и другие.
На водоразделах в таёжно-лесной зоне заболачивание подзолистых почв начинается с поселения зелёных мхов и быстро вступает в фазу сфагнового болота.
Наиболее распространёнными растениями - торфообразователями являются: осоки, пушицы, камыш, тростник, вейник, шейцхерия, рогоз, канареечник, хвощёвые, полукустарники: багульник, клюква, вереск, ива, берёза, ольха чёрная и серая, сосна обыкновеная, ель, лиственница. Мхи гипновые зелёные, кукушкин лён, белые сфагновые.
Оглеение – представляет собой сложный биохимический восстановительный процесс, протекающий при переувлажнении почв в анаэробных условиях при непременном наличии органического вещества и участия анаэробных микроорганизмов. Большая роль в процессах оглеения принадлежит маслянокислым бактериям.
При глееобразовании разрушаются первичные и вторичные минералы. Особенно существенным превращениям подвергаются соединения элементов с переменной валентностью (Fe, Mn, S, N). Алюмоферрисиликаты разрушаются под влиянием накапливающихся активных органических соединений с кислотными свойствами.
Из коллоидных и (истинных) ионных растворов, содержащих железо, кремнекислоту, гидроокиси алюминия и другие соединения возможен реосинтез вторичных минералов. При оглеении он наиболее проявляется в условиях ослабленного выноса продуктов глеевого процесса и почти не отмечается при хорошо выраженных нисходящих токах воды при кислой реакции почвенных растворов.
Характерной особенностью глеевого процесса является восстановление окисного железа в закисное, которая проявляется при ферментативной деятельности микроорганизмов и воздействия продуктов жизнедеятельности анаэробных микроорганизмов (водород, сероводород, низкомолекулярные органические и гуминовые кислоты).
При периодически повторяющемся переувлажнении соединения железа могут находиться то в окисной, то в закисной форме в зависимости от продолжительности периода переувлажнения и периода аэрации. При восстановлении железа образуется двууглекислое железо Fe(HCO3)2, которое в природных условиях довольно хорошо растворимо в воде и при смене восстановительных условий на окислительные легко окисляется до гидроокиси железа. 4Fe(HCO3)2 +О2 +Н2О = 4Fe(OH)3 + 8СО2
При длительном и постоянном избыточном увлажнении в условиях устойчивого развития глеевого процесса ионы закисного железа вступают в реакцию с кремнезёмом и глинозёмом и образуют вторичные алюмоферрисиликаты, в состав которых входит закисное железо. Такие минералы имеют сизоватую, грязно-зеленоватую или голубоватую окраску. Почвенные горизонты, в которых накапливаются эти минералы, называются глеевыми.
При непродолжительном избыточном увлажнении сплошной глеевый горизонт может и не образоваться, а вместо него в почвенном профиле появляются отдельные сизоватые или зеленовато-голубоватые пятна. Такие горизонты называются глееватыми.
Приобретение глеевыми горизонтами специфической окраски связано с потерей окисного железа с поверхности почвенных минералов, собственная окраска которых придаёт характерный цвет глею. В процессе оглеения образуются менее устойчивые к окислению минералы, такие как сидерит FeCO3 и вивианит Fe3(РО4)2·8Н2О. Почва при оглеении обогащается кремнекислотой и обедняется железом и в меньшей степени алюминием. При оглеении марганец восстанавливается до подвижных соединений, сера до сероводорода и сульфида железа.
Значительным превращениям подвергаются соединения азота и фосфора. Превращение азота связано с развитием процесса денитрификации, который приводит к быстрому разрушению нитратных форм азота. При длительном и устойчивом развитии восстановительных процессов может вызвать значительную потерю азота из почвы. Изменение фосфатного режима обусловлено образованием в оглеенных горизонтах фосфатов закиси железа типа вивианита, а при смене восстановительных процессов окислительными - накоплением труднорастворимых фосфатов окиси железа. В переувлажнённой обстановке, в первую очередь, восстанавливаются нитраты и сульфаты и уже затем окисные соединения железа и марганца.
При оглеении образуются активные органические соединения с кислыми свойствами и подвижные компоненты разрушения и восстановления минеральной части почвы, поэтому в ней создаются благоприятные условия для возникновения различных органо-минеральных соединений, которые обеспечивают миграцию железа, алюминия, марганца из оглеенных горизонтов.
Особенно сильно процессы миграции развиты в почвах поверхностного временно избыточного увлажнения под влиянием сезонного оглеения при сочетании с нисходящим током воды. Такой процесс называется элювиально-глеевый, и он играет большую роль в формированиии элювиальных горизонтов в различных типах почв – таких как глееподзолистых, солодях, «подбелах».
Элювиально-глеевый процесс, развиваясь в условиях контрастного водного режима, характеризуется следующими основными чертами:
- контрастным проявлением окислительно-восстановительных процессов в верхних горизонтах профиля – резким снижением окислительно-восстановительного потенциала в период временного избыточного переувлажнения с последующим повышением потенциала при просыхании и аэрации почвы;
- превращением органических веществ с образованием большого количества подвижных и агрессивных их форм – фульвокислот, низкомолекулярных кислот, полифенолов;
- образованием подвижных восстановительных форм железа и марганца, а при кислой реакции – и подвижных соединений алюминия;
- активным взаимодействием агрессивных органических кислот с компонентами минеральной части почвы с образованием водорастворимых комплексных органо-минеральных соединений и их миграцией с нисходящим или боковым током воды.
Указанные особенности элювиально-глеевого процесса определяют его широкое участие в образовании осветлённых элювиальных горизонтов в почвах с явлениями временного поверхностного избыточного увлажнения.
Развитие оглеения существенно ухудшают агрономические свойства почв, и для их улучшения требуется коренное изменение водно-воздушного режима осушительными мелиорациями. Для почв временного поверхностного переувлажнения (минеральные полугидроморфные почвы) – применение комплекса агротехнических мероприятий.
Образование и развитие болот. В соответствии с трудами В.С. Доктуровского, Г.И. Танфильева, В.Р. Вильямса, В.Н. Сукачёва различают два типа заболачивания или болотообразования: заболачивание суши и заторфовывание водоёмов.
Болота образуются при зарастании водоёмов (замкнутых стоячих озёр, речных заводей, мелководий и лиманов). При отмирании планктона (водоросли, моллюски и др.) его масса смешивается на дне с минеральным илом, образуя сапропель (гниющий ил), который содержит до 15% органического вещества. Со временем сапропель переходит в более плотную органо-минеральную массу – сапропелит. По мере заполнения водоёма сапропелем на нём, начиная от берегов, поселяются земноводные растения – камыш, тростник, рогоз, хвощ и другие. При их отмирании растительные остатки постепенно заполняют мелководье.
В образовании торфяной массы участвуют плавающие растения – трифоль, сабельник, телорез и др. Эти растения могут образовывать довольно мощный плотный ковёр – сплавину, состоящую из живых и отмерших растений. Нижние части сплавины постепенно отрываются и опускаются на дно, а верху нарастают новые слои. Так постепенно происходит зарастание водоёма сверху и снизу. На вышедшей на поверхность торфяной толще поселяется различная болотная растительность и в дальнейшем здесь могут наблюдаться стадии низинного, верхового и переходного болота.
Заболачивание намывными склоновыми или русловыми водами приводит к возникновению низинных или переходных болот на подножиях склонов и в речных долинах.
По типу водного питания В.Н. Сукачёв выделил две группы болот: атмосферного (верховые) питания и грунтового (низинные и переходные).
Низинные (эутрофные) болота питаются грунтовыми водами, которые в большинстве своём обогащены питательными элементами, необходимыми для растений. Мощность слоя торфа не превышает 50 см, зольность 7-8%.
По видовому составу растений их делят на травянистые, травяно-гипновые, гипновые, кустарниковые и лесные (черноольховые). Все обитатели низинных болот типичные гигрофиты, в их листьях и стеблях развивается воздухоносная ткань – аэренхима, обеспечивающая газообмен растений в условиях переувлажнения.
Из травянистых растений произрастают осоковые, тростник, вейник, таволга, шейцхерия, папоротники и другие; из древесных растений – чёрная ольха, берёза пушистая, реже ель, сосна, осина, ясень. В Сибири – кедр, крушина, берёза приземистая. Из кустарниковых – разнообразные виды ивы, черёмуха, рябина; из мхов – зелёные гипновые мхи и некоторые сфагновые.
Переходные (мезотрофные) болота – промежуточные между низинными и верховыми.
Зольность торфа 4-7%, имеют смешанный атмосферно-грунтовый тип заболачивания. Из деревьев кроме сосны присутствует берёза.
В Сибири – кедр, лиственница сибирская и даурская. Кустарники представлены ивами.
Травы те же, что и на низинном болоте, но в меньшем обилии – осоки, белокрыльник, ирис-касатик, камнеломка. Растут виды типичные для верховых болот. Моховой покров образован гипновыми и сфагновыми мхами.
Верховые (олиготрофные) болота – возникают на водораздельных пространствах и в верхних террасах речных долин в результате атмосферного переувлажнения или нарастания сплавины на озёрах. Их характеризует бедность элементами минерального питания растений, кислая реакция среды, преимущественно развитие сфагновых мхов. Зольность их от 0,5 д 4%. Мощность торфа в неосушенном состоянии от 0,5 до 12 метров.
Процесс развития верховых болот начинается в тот момент, когда вследствие накопления торфа поверхность болота постепенно поднимается над уровнем его ложа и становится выпуклой. Связь растений с минеральным грунтом постепенно утрачивается, минеральное питание обедняется, начинается смена растительного покрова болота: Эутрофные виды сменяются комплексом олиготрофных растений.
Таким образом, верховые болота проходят стадии низинного и переходного болота, а при отрыве корней растений от минерального грунта наступает стадия верхового болота. В результате образования выпуклой формы сток на верховом болоте направлен от центра к периферии, что способствует формированию грядово-мочажинного ландшафта с различными ассоциациями в разных его частях, что приводит к комплексности растительного покрова.
В верховых сфагновых болотах обитает около 43 экологических видов сфагнума, а также кукушкин лён, лишайники. Из кустарников: подбел, вереск, мирей болотный, водянка, багульник, голубика, клюква.
Из трав - морошка, шейхцерия, пушица, осока, росянка; из деревьев – сосна, в Сибири - кедр и лиственница даурская.
Основные массивы болотных почв образуются в результате заболачивания суши. Оно проявляется по – разному в зависимости от происхождения и химического состава, вызывающей его воды.
Заболачивание суши происходит несколькими путями, но всегда при застойном гидроморфном режиме, который может создаваться атмосферными, намывными склоновыми, намывными русловыми, грунтовыми и грунтово-напорными водами.
Заболачивание почв может развиваться под влиянием дернового процесса почвообразования, протекающего под луговыми травами. При достаточном или избыточном переувлажнении образуется плотная мощная дернина, в толще которой накапливается мёртвое органическое вещество, резко ухудшающее аэрацию дернины.
На смену рыхлокустовым злакам приходят плотнокустовые злаки, имеющие узел кущения над поверхностью почвы, что приводит к образованию кочек и изменению рельефа участка. Образующийся кочковатый микрорельеф мешает стоку воды. Вода застаивается, нарушая нормальное разложение органических веществ и способствуя их дальнейшему накоплению.
В верхней минеральной части почвы начинаются процессы оглеения, приводящие к образованию плотного глеевого горизонта, что вызывает дальнейший застой воды. В этих условиях формируются дерново-глеевые почвы. Постепенно дерново-глеевые почвы превращаются в болотную торфяную низинную почву.
Заболачивание водами атмосферных осадков имеет поверхностный характер и связано с превышением количества осадков над испарением. Это свойственно холодным гумидным районам субарктического и бореального поясов. Поверхностное заболачивание атмосферными водами происходит на выровненных территориях, сложенных тяжёлыми породами. Оно начинается в различного рода понижениях водоразделов, где накапливаются атмосферные осадки, характеризующиеся незначительным количеством растворённых элементов питания.
Почвы поверхностного заболачивания образуются в условиях равнинного рельефа при отсутствии поверхностного стока или если он выражен очень слабо; при низкой водопроницаемости почв, вследствие развития подзолистого процесса и образования мощных ортзандровых прослоек в иллювиальном горизонте, или значительном утяжелении этого горизонта вследствие вмывания илистых частиц; при наличии влагоёмкого органического вещества на поверхности – мощной подстилки или мохово-лишайникового ковра.
Талые воды и воды осадков, накапливаясь над водонепроницаемыми прослойками, образуют верховодку и создают в верхних генетических горизонтах почвы анаэробные условия, ведущие к развитию восстановительных процессов. По мере просачивания и испарения в почве развиваются окислительные условия. Смена окислительных и восстановительных процессов приводит к образованию охристо-ржавых пятен в иллювиальном горизонте. По выраженности процессов оглеения почвы подразделяются на слабооглеенные, среднеоглеенные или глеевые.
На начальной стадии поверхностного заболачивания формируются перегнойно-подзолистые поверхностно-глееватые почвы, для которых характерно повышенное содержание органического вещества в верхнем горизонте (до 15-20%) и наличие признаков оглеения в горизонтах А1, А2, А2В. При усилении глеевого процесса оглеивается гумусовый горизонт. Одновременно ухудшаются условия разложения лесного опада, что ведёт к увеличению мощности лесной подстилки и её оторфовыванию.
По мере дальнейшего заболачивания лесная подстилка превращается в торфянистый горизонт. Усиливается оглеение нижележащих горизонтов и формируется торфянисто-подзолистая глеевая почвы.
При дальнейшем развитии процесса оглеения торфянисто-подзолистая почва превращается в торфянисто- и торфяно-глеевые почвы, которые при последующем нарастании торфяного слоя превращаются в болотную верховую торфянистую почву и верховые торфяники.
При грунтовом заболачивании происходит насыщение верхних горизонтов почвы до полной влагоёмкости, при этом создаются благоприятные условия для появления и развития приспособленной к переувлажнению болотной растительности, что ведёт к образованию болотных почв.
Заболачивание может происходить мягкими, жёсткими и солёными грунтовыми водами. В первом случае в болотных почвах наблюдаются отложения болотной руды – больших скоплений лимонита (Fe2O3·nH2O), во втором – отложение болотного мергеля Mg(CO3)2, в третьем – водорастворимых солей.
Заболачивание почв может быть следствием изменение гидрологического режима деятельностью человека. Примеры таких явлений имеют место, когда
- заболачивание вырубок во влажном поясе при снятии транспирационной функции леса; избыток воды способствует расселению сначала травянистых болотных растений и образованию травяных торфов, а затем поселению на них сфагновых мхов с образованием болот верхового типа;
- подтопление обширных пространств вокруг водохранилищ и открытых земляных каналов в результате инфильтрации и подъёма уровня грунтовых вод;
- заболачивание орошаемых полей в результате избыточных поливов при отсутствии искусственного дренажа.
Заболачивание пресными (мягкими) грунтовыми водами развивается на бескарбонатных, преимущественно лёгких породах, подстилаемых водоупорными тяжёлыми моренными, покровными или озёрными отложениями.
При этих условиях просачивание атмосферных осадков приводит к высокому стоянию грунтовых вод, вызывающих избыточное увлажнение почвенного профиля. Заболачивание начинается с развития оглеения в нижних горизонтах (В2, ВС, С) и формирования торфянистой подстилки, а затем и торфянистого горизонта.
Устойчивое развитие грунтового заболачивания пресными водами приводит к образованию болотно-подзолистой, а затем торфяно-глеевой и торфяной почвы верхового болота. Растительность таких участков представлена угнетёнными сосной, берёзой, полукустарниками (багульник, голубика, клюква); в напочвенном покрове преобладают сфагновые мхи.
Заболачивание слабоминерализованными грунтовыми водами. При этом типе заболачивания происходит постепенное оглеение почвенных горизонтов снизу вверх, накопление лесной подстилки и постепенное её оторфовывание. Подстилка превращается в торфяной горизонт. В силу бедности почв элементами питания при их избыточном увлажнении происходит поселение влаголюбивой нетребовательной к элементам питания растительности (пушица, сфагновые мхи).
Этот ряд заболачивания представлен такими разностями: подзолистые со следами оглеения → глееватые → торфянисто-подзолистые глееватые → торфянисто- и торфяно-глеевые → торфяники верховые маломощные (толщина торфа от 50 до 100 см), среднемощные (от 100 до 200 см) и мощные (более 200 см).
Заболачивание жёсткими (сильноминерализованными) грунтовыми водами, которые содержат повышенное количество различных минеральных соединений, и прежде всего, двууглекислого кальция Са(НСО3)2. В этих условиях создаётся более благоприятный питательный режим для растений, чем при увлажнении атмосферными осадками. На таких участках развивается влаголюбивая требовательная травянистая растительность (осоки, злаки, тростники), а из древесных и кустарниковых – чёрная ольха, ива, берёза, смородина.
Постоянное присутствие бикарбоната кальция создаёт близкую к нейтральной или слабощелочную реакцию, при которой активизируются процессы гумификации, а образующиеся гумусовые вещества нейтрализуются и закрепляются ионом кальция. Образование гумуса происходит за счёт накопления гуматов кальция. При этом наблюдается увеличение мощности гумусового горизонта и повышение в нём органических веществ. Одновременно идёт постепенное оглеение нижних генетических горизонтов жёсткими грунтовыми водами.
Устойчивое и длительное переувлажнение жёсткими водами приводит к распространению оглеения вверх по профилю, в гумусовом горизонте ухудшаются условия минерализации органических остатков. На таких болотах долгое время образуется не торф, а перегной, имеющий почти нейтральную реакцию, при этом формируются перегнойно- или иловато-глеевые почвы. При дальнейшем заболачивании на поверхности образуется торфяной горизонт.