ПОЧВА
.docПОЧВА – самый поверхностный слой суши земного шара, возникший в результате изменения горных пород под воздействием живых и мертвых организмов (растительности, животных, микроорганизмов), солнечного тепла и атмосферных осадков. Почва представляет собой совершенно особое природное образование, обладающее только ей присущим строением, составом и свойствами. Важнейшим свойством почвы является ее плодородие, т.е. способность обеспечивать рост и развитие растений. Чтобы быть плодородной, почва должна обладать достаточным количеством питательных веществ и запасом воды, необходимым для питания растений, именно своим плодородием почва, как природное тело, отличается от всех других природных тел (например, бесплодного камня), которые не способны обеспечить потребность растений в одновременном и совместном наличии двух факторов их существования – воды и минеральных веществ.
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.
Роль почвы в хозяйстве человека огромна. Изучение почв необходимо не только для сельскохозяйственных целей, но и для развития лесного хозяйства, инженерно-строительного дела. Знание свойств почв необходимо для решения ряда проблем здравоохранения, разведки и добычи полезных ископаемых, организации зеленых зон в городском хозяйстве, экологического мониторинга и пр.
Почвоведение: история, отношение с другими науками. Наука о происхождении и развитии почв, закономерности их распространения, путях рационального использования и повышения плодородия называется почвоведением. Эта наука является отраслью естествознания и тесно связана с физико-математическими, химическими, биологическими, геологическими и географическими науками, опирается на разработанные ими фундаментальные законы и методы исследования. Вместе с тем, как любая другая теоретическая наука, почвоведение развивается на основе непосредственного взаимодействия с практикой, которая проверяет и использует выявленные закономерности и, в свою очередь, стимулирует новые поиски в области теоретических знаний. К настоящему времени сформировались крупные прикладные разделы почвоведения для сельского и лесного хозяйств, ирригации, строительства, транспорта, поиска полезных ископаемых, здравоохранения и охраны окружающей среды.
С момента систематического занятия земледелием человечество сначала эмпирически, а затем с помощью научных методов изучало почву. Наиболее древние попытки оценить различные почвы известны в Китае (3 тыс. до н.э.) и Древнем Египте. В Древней Греции представление о почве сложилось в процессе развития античного натурфилософского естествознания. В период Римской Империи было накоплено большое количество эмпирических наблюдений над свойствами почвы и разработаны некоторые агрономические приемы ее обработки.
Длинный период средневековья характеризовался застоем в области естествознания, однако в конце его (с началом разложения феодального строя) вновь появился интерес к изучению почв в связи с проблемой питания растений. В ряде работ того времени отражалось мнение, что растения питаются водой, создавая химические соединения из воды и воздуха, а почва служит им лишь механической опорой. Однако к концу 18 в. эту теорию сменила гумусовая теория Альбрехта Тэера, согласно которой растения могут питаться только органическим веществом почвы и водой. Тэер был одним из основоположников агрономии и организатором первого высшего агрономического учебного заведения.
В первой половине 19 в. знаменитый немецкий химик Юстус Либих разработал минеральную теорию питания растений, согласно которой растения усваивают из почвы минеральные вещества, а из перегноя – только углерод в виде углекислоты. Ю.Либих считал, что каждый урожай истощает в почве запас минеральных веществ, поэтому чтобы ликвидировать этот дефицит элементов, нужно вносить в почву минеральные удобрения, приготовленные заводским путем. Заслугой Либиха стало введение в практику сельского хозяйства применения минеральных удобрений.
Значение азота для почвы было изучено французским ученым Ж.Ю.Буссенго.
К середине 19 в. накопился обширный материал по изучению почв, однако данные эти были разрознены, не приведены в систему и не обобщены. Не было и единого для всех исследователей определения термина почва.
Основоположником науки о почве как самостоятельной естественно-исторической науки стал выдающийся русский ученый Василий Васильевич Докучаев (1846–1903). Докучаев впервые сформулировал научное определение почвы, назвав почву самостоятельным естественно-историческим телом, которое является продуктом совокупной деятельности материнской горной породы, климата, растительных и животных организмов, возраста почвы и отчасти рельефа местности. Все факторы почвообразования о которых говорил Докучаев были известны и до него, их последовательно выдвигали разные ученые, но всегда в качестве единственного определяющего условия. Докучаев первый сказал, что возникновение почвы происходит в результате совместного действия всех факторов почвообразования. Он установил взгляд на почву как на самостоятельное особое природное тело, равнозначное понятиям растение, животное, минерал и т.д., которое возникает, развивается, непрерывно изменяется во времени и пространстве, и этим он заложил прочный фундамент новой науки.
Докучаев установил принцип строения почвенного профиля, развил идею о закономерности пространственного распределения отдельных видов почв, покрывающих поверхность суши в виде горизонтальных, или широтных зон, установил вертикальную зональность, или поясность, в распределении почв, под которой понимается закономерная смена одних почв другими по мере поднятия от подножия до вершины высоких гор. Ему принадлежит и первая научная классификация почв, в основу которой были заложена вся совокупность важнейших признаков и свойств почвы. Классификация Докучаева получила признание мировой науки и предложенные им названия «чернозем», «подзол», «солончак», «солонец» стали международными научными терминами. Он разработал методы изучения происхождения и плодородия почв, а также методы их картографирования и даже в 1899 составил первую почвенную карту северного полушария (эта карта называлась «Схема почвенных зон северного полушария»).
Кроме Докучаева большой вклад в развитие науки почвоведение в нашей стране внесли П.А.Костычев, В.Р.Вильямс, Н.М.Сибирцев, Г.Н.Высоцкий, П.С.Коссович, К.К.Гедройц, К.Д.Глинка, С.С.Неуструев, Б.Б.Полынов, Л.И.Прасолов и другие.
Таким образом, наука о почве как о самостоятельном природном образовании сформировалась в России. Докучаевские идеи оказали сильное влияние на развитие почвоведения в других странах. Многие русские термины вошли в международный научный лексикон (chernozem, podzol, gley и др.)
Важные исследования для познания процессов почвообразования и изучения почв разных территорий провели ученые и других стран. Это Е.В.Гильгард (США); Э.Раманн, Э.Бланк, В.И.Кубиена (Германия); А. де Зигмонд (Венгрия); Дж. Милн (Великобритания), Ж.Обер, Р.Меньен, Ж.Дюран, Н.Ленеф, Г.Эрар, Ф.Дюшофур (Франция); Дж. Прескотт, С.Стифенс (Австралия) и многие другие.
Для развития теоретических представлений и успешного изучения почвенного покрова нашей планеты необходимы деловые связи разных национальных школ. В 1924 было организовано Международное общество почвоведов. Длительное время, с 1961 по 1981 проводилась большая и сложная работа по составлению Почвенной карты мира, в составлении которой большая роль принадлежала русским ученым.
Методы изучения почв. Один из них – сравнительно-географический, основан на одновременном исследовании самих почв (их морфологических признаков, физических и химических свойств) и факторов почвообразования в разных географических условиях с последующим их сопоставлением. Сейчас при почвенных исследованиях используются различные химические анализы, анализы физических свойств, минералогический, термохимический, микробиологический и многие другие анализы. 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 таким образом Докучаевым в 1899 была выполнена первая мировая почвенная карта, известная под названием «Схемы почвенных зон Северного полушария».
Другой метод – метод стационарных исследований заключается в систематическом наблюдении какого-либо почвенного процесса, которое обычно проводится на типичных почвах с определенным сочетанием почвообразующих факторов. Таким образом, метод стационарных исследований уточняет и детализирует метод сравнительно-географических исследований. Существует два метода изучения почв.
Почвообразование.
Процесс формирования почв. Все горные породы, покрывающие поверхность земного шара, с первых же моментов их образования под влиянием различных процессов начинали немедленно разрушаться. Сумма процессов преобразования горных пород на поверхности Земли называется выветриванием или гипергенезом. Совокупность продуктов выветривания называется корой выветривания. Процесс преобразования исходных пород в кору выветривания чрезвычайно сложен и включает в себя многочисленные процессы и явления. В зависимости от характера и причин разрушения горных пород различают физическое, химическое и биологическое выветривание, которое сводится обычно к физическому и химическому воздействию организмов на горные породы.
Процессы выветривания (гипергенеза) распространяются на некоторую глубину, образуя зону гипергенеза. Нижняя граница этой зоны условно проводится по кровле верхнего горизонта подземных (пластовых) вод. Нижнюю (и большую) часть зоны гипергенеза занимают горные породы, в той или иной степени измененные процессами выветривания. Здесь выделяют новейшую и древнюю коры выветривания, сформированные в более древние геологические периоды. Поверхностный слой зоны гипергенеза является тем субстратом, на котором происходит образование почвы. Как же происходит процесс почвообразования?
В процессе выветривания (гипергенеза) изменялся первоначальный облик горных пород, как и их элементный и минеральный состав. Первоначально массивные (т.е. плотные и твердые) горные породы постепенно переходили в раздробленное состояние. Примерами раздробленных в результате выветривания горных пород могут служить дресва, песок, глина. Становясь раздробленными, горные породы приобретали ряд новых свойств и особенностей: они становились более проницаемыми для воды и воздуха, в них увеличивалась общая поверхность их частиц, усиливавшая химическое выветривание, образовывались новые, в том числе и легко растворимые в воде соединения и, наконец, горные породы приобретали способность удерживать в себе влагу, имеющую большое значение для обеспечения растений водой.
Однако сами по себе процессы выветривании не могли привести к накоплению в горной породе элементов пищи растений, а следовательно, и не могли превратить горную породу в почву. Образующиеся в результате выветривания легко растворимые соединения могут только вымываться из горных пород под влиянием атмосферных осадков; а такой биологический важный элемент, как азот, потребляемый растениями в больших количествах, совершенно не содержится в изверженных горных породах.
Рыхлые и способные впитывать воду горные породы становились благоприятной средой для жизнедеятельности бактерий и различных растительных организмов. Постепенно происходило обогащение верхнего слоя коры выветривания продуктами жизнедеятельности организмов и их отмирающими остатками. Разложение органических веществ и присутствие кислорода приводило к сложным химическим процессам, в результате которых происходило накопление в горной породе элементов зольной и азотной пищи. Таким образом, горные породы поверхностного слоя коры выветривания (их еще называют почвообразующими, коренными или материнскими породами) стали почвой. В состав почвы, таким образом, входит минеральная компонента, соответствующая составу коренных пород, и органическая компонента.
Поэтому началом процесса почвообразования нужно считать тот момент, когда на продуктах выветривания горных пород поселились растительность и микроорганизмы. С этого момента раздробленная горная порода стала почвой, т.е. качественно новым телом, обладающим рядом качеств и свойств, самым существенным из которых является плодородие. 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.
Факторы почвообразования. На развитие почвообразовательного процесса самое непосредственное влияние оказывают те природные условия, в которых он протекает, от того или иного их сочетания зависят его особенности и то направление, в котором этот процесс будет развиваться.
Важнейшими из этих природных условий, называемых факторами почвообразования, являются следующие: 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 же факторы представляют собой лишь фон, на котором происходит развитие почв в природе, однако они оказывают большое влияние на характер и направление почвообразовательного процесса.
Почвообразующие породы. Все существующие почвы на Земле произошли из горных пород, поэтому очевидно, что в процессе почвообразования они принимают самое непосредственное участие. Наибольшее значение имеет химический состав горной породы, поскольку минеральная часть любой почвы содержит в себе, в основном, те элементы, которые входили в состав материнской породы. Большое значение имеют и физические свойства материнской породы, поскольку такие факторы как гранулометрический состав породы, ее плотность, пористость, теплопроводность самым непосредственным образом оказывают влияние не только на интенсивность, но и на характер протекающих почвообразовательных процессов.
Климат. Климат играет огромную роль в процессах почвообразования, его влияние очень многообразно. Основными метеорологическими элементами, определяющими характер и особенности климатических условий, являются температура и осадки. Годовое количество поступающего тепла и влаги, особенности их суточного и сезонного распределения обуславливают совершенно определенные процессы почвообразования. Климат влияет на характер выветривания горных пород, воздействует на тепловой и водный режимы почвы. Движение воздушных масс (ветер) влияет на газообмен почвы и захватывает мелкие частички почвы в виде пыли. Но климат оказывает влияние на почву не только непосредственно, но и косвенно, поскольку существование той или иной растительности, обитание тех или иных животных, а также интенсивность микробиологической деятельности обусловлена именно климатическими условиями.
Растительность, животные и микроорганизмы.
Растительность. Значение растительности в почвообразовании чрезвычайно велико и многообразно. Пронизывая корнями верхний слой почвообразующей породы, растения извлекают из ее нижних горизонтов питательные вещества и закрепляют их в синтезированном органическом веществе. После минерализации отмерших частей растений заключенные в них зольные элементы отлагаются в верхнем горизонте почвообразующей породы, создавая этим благоприятные условия для питания следующих поколений растений. Так, в результате постоянного создания и разрушения органического вещества в верхних горизонтах почвы, приобретается наиболее важное для нее свойство – накопление, или концентрация элементов зольной и азотной пищи для растений. Это явление называется биологической поглотительной способностью почвы.
Вследствие разложения растительных остатков в почве накапливается перегной, имеющий огромное значение в плодородии почвы. Растительные остатки в почве являются необходимым питательным субстратом и важнейшим условием развития многих почвенных микроорганизмов.
В процессе распада органического вещества почвы выделяются кислоты, которые, воздействуя на материнскую горную породу, усиливают ее выветривание.
Сами растения в процессе своей жизнедеятельности выделяют своими корнями различные слабые кислоты, под влиянием которых труднорастворимые минеральные соединения частично переходят в растворимую, а следовательно, в усвояемую растениями форму.
Кроме того, растительный покров существенно изменяет микроклиматические условия. Например, в лесу, по сравнению с безлесными территориями, понижена летняя температура, увеличена влажность воздуха и почв, уменьшена сила ветра и испарение воды над почвой, накапливается больше снега, талых и дождевых вод – все это неизбежно отражается на почвообразовательном процессе.
Микроорганизмы. Благодаря деятельности населяющих почву микроорганизмов происходит разложение органических остатков и синтез содержащихся в них элементов в соединения, поглощаемые растениями.
Высшие растения и микроорганизмы образуют определенные комплексы, под воздействием которых формируются различные типы почв. Каждой растительной формации соответствует определенный тип почв. Например, под растительной формацией хвойных лесов никогда не сформируется чернозем, который образуется под воздействием лугово-степной растительной формацией.
Животный мир. Важное значение для почвообразования имеют животные организмы, которых в почве очень много. Наибольшее значение имеют беспозвоночные животные, живущие в верхних почвенных горизонтах и в растительных остатках на поверхности. В процессе своей жизнедеятельности они значительно ускоряют разложение органических веществ и часто производят весьма глубокие изменения в химических и физических свойствах почвы. Большую роль играют и норные животные, такие как кроты, мыши, суслики, сурки, и пр. Многократно перерывая почву они способствуют смешиванию органических веществ с минеральными, а также повышению водо- и воздухопроницаемости почвы, что усиливает и ускоряет процессы разложения в почве органических остатков. Также они обогащают почвенную массу продуктами своей жизнедеятельности.
Растительность служит пищей для различных травоядных животных, поэтому, прежде чем попасть в почву, значительная часть органических остатков подвергается существенной переработке в пищеварительных органах животных.
Рельеф оказывает косвенное влияние на формирование почвенного покрова. Его роль сводится, в основном, к перераспределению тепла и увлажнения. Значительное изменение высоты местности влечет за собой существенные изменения температурных условий (с высотой становится холоднее). С этим связано явление вертикальной зональности в горах. Сравнительно небольшие изменения высоты сказываются на перераспределении атмосферных осадков: пониженные участки, котловины и западины всегда в большей мере увлажняются, чем склоны и повышения. Экспозиция склона определяет количество поступающей на поверхность солнечной энергии: южные склоны получают больше света и тепла, чем северные. Таким образом, особенности рельефа изменяют характер воздействия климата на процесс почвообразования. Очевидно, что в различных микроклиматических условиях процессы почвообразования будут идти по-разному. Большое значение в формировании почвенного покрова имеет и систематический смыв и перераспределение атмосферными осадками и талыми водами мелкоземельных частичек по элементам рельефа. Велико значение рельефа в условиях обильного выпадения осадков: участки лишенные естественного стока излишней влаги, очень часто подвергаются заболачиванию.
Возраст почв. Почва – природное тело, находящееся в постоянном развитии, и тот вид, который сегодня имеют все существующие на Земле почвы, представляет собой лишь одну из стадий в длительной и непрерывной цепи их развития, а отдельные теперешние почвенные образования, в прошлом представляли другие формы и в будущем могут подвергнуться существенным превращениям даже без резких изменений внешних условий.
Различают абсолютный и относительный возраст почв. Абсолютным возрастом почв называют промежуток времени, прошедшей с момента возникновения почвы до нынешней стадии ее развития. Почва возникла тогда, когда материнская порода вышла на дневную поверхность и стала подвергаться процессам почвообразования. Например, в Северной Европе процесс современного почвообразования стал развиваться после окончания последнего ледникового периода.
Однако в пределах разных частей суши, которые одновременно освободились от водного или ледникового покрова, почвы далеко не всегда буду проходить в каждый данный момент одну и ту же стадию своего развития. Причиной этого могут быть различия в составе почвообразующих пород, в рельефе, растительности и других местных условиях. Различие в стадиях развития почв на одной общей территории, имеющей одинаковый абсолютный возраст, называют относительным возрастом почв.
Время развития зрелого почвенного профиля для разных условий – от нескольких сотен до нескольких тысяч лет. Возраст территории вообще и почвы в частности, а также изменения условий почвообразования в процессе их развития оказывают существенное влияние на строение, свойства и состав почвы. При сходных географических условиях почвообразования почвы, имеющие неодинаковые возраст и историю развития, могут существенно различаться и принадлежать к разным классификационным группам.
Возраст почв, следовательно, является одним из важнейших факторов, которые нужно учитывать при изучении той или иной почвы.
Почвенно-грунтовые воды. Вода является средой, в которой протекают многочисленные химические и биологические процессы в почве. Там, где грунтовые воды расположены неглубоко, они оказывают сильное воздействие на почвообразование. Под их влиянием меняется водный и воздушный режимы почв. Грунтовые воды обогащают почву химическими соединениями, которые в них содержатся, иногда вызывают засоление. В переувлажненных почвах содержится недостаточное количество кислорода, что вызывает подавление деятельности некоторых групп микроорганизмов.
Хозяйственная деятельность человека 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. В результате часто почвообразовательные процессы и свойства почвы меняются. В связи с интенсификацией сельского хозяйства влияние человека на почвенные процессы непрерывно возрастает.
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. Вторая важнейшая проблема – загрязнение почвенного покрова, вызываемое химизацией сельского хозяйства и индустриальными и бытовыми выбросами в окружающую среду.
Все факторы влияют не изолированно, а в тесной взаимосвязи и взаимодействии друг с другом. Каждый из них влияет не только на почву, но и друг на друга. Кроме того, и сама почва в процессе развития оказывает определенное влияние на все факторы почвообразования, вызывая в каждом из них определенные изменения. Так, вследствие неразрывной связи между растительностью и почвами, всякая смена растительности неизбежно сопровождается изменением почв, и, наоборот, изменение почв, в особенности, их режима влажности, аэрации, солевого режима и т.д. неизбежно влечет за собой смену растительности.
Состав почв. Почва состоит из твердой, жидкой, газообразной и живой частей. Соотношение их неодинаково не только в разных почвах, но и в различных горизонтах одной и той же почвы. Закономерно уменьшение содержания органических веществ и живых организмов от верхних почвенных горизонтов к нижним и увеличение интенсивности преобразования компонентов материнской породы от нижних горизонтов к верхним.
В твердой части почвы преобладают минеральные вещества литогенного происхождения. Это различные по размеру обломки и частички первичных минералов (кварца, полевых шпатов, роговых обманок, слюды и др.), формирующихся в процессе выветривания вторичных минералов (гидрослюды, монтмориллонита, каолинита и др.) и горных пород. Размеры этих обломков и частичек разнообразны – от 0,0001 мм до нескольких десятков см. Этим разнообразием размеров обуславливается рыхлость сложения почвы. Основную массу почвы составляет обычно мелкозем – частицы с диаметром менее 1 мм.
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. Подавляющее большинство элементов находится в окисленной форме. Во многих почвах, преимущественно в почвах недостаточно увлажняемых территорий, содержится значительное количество карбоната кальция CaCO3 (особенно если почва образовались на карбонатной породе), в почвах засушливых областей – CaSO4 и другие более легко растворимые соли (хлориты); почвы, влажных тропических областей обогащены Fe и Al. Однако реализация этих общих закономерностей зависит от состава почвообразующих пород, возраста почв, особенностей рельефа, климата и т.д.
В состав твердой части почвы входит и органическое вещество. В почве есть две группы органических веществ: попавшие в почву в виде растительных и животных остатков и новые, специфические гумусовые вещества, возникшие при преобразовании этих остатков. Между этими группами почвенного органического вещества – постепенные переходы, в соответствии с этим содержащиеся в почве органические соединения также разделяются на две группы.
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 в сумме 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. Главными группами гумусовых веществ являются гуминовые кислоты и фульвакислоты. В элементном составе гумусовых веществ важную роль играют углерод, кислород, водород, азот и фосфор. 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. Разные типы почв отличаются характером изменения количества гумуса с глубиной.