1. Почвообразовательные процессы и факторы почвообразования

1.1. Общая схема почвообразовательного процесса

Превращение горной породы в почву происходит в процессе почвообразования как результат длительного взаимодействия массы материнской горной породы с живыми организмами, продуктами их жизнедеятельности и элементами гидро- и атмосферы. Почвообразовательный процесс относится к категории биофизико-химических процессов, и агентами его являются живые организмы и продукты их жизнедеятельности, вода, кислород воздуха и углекислота.

В основе процесса почвообразования лежит малый биологический круговорот веществ, развивающийся на фоне большого геологического круговорота веществ.

Геологический круговорот веществ представляет собой совокупность геологических процессов превращения и перемещения массы горной породы, совершающихся на протяжении геологических эпох. В геологическом круговороте образуется рыхлая кора выветривания, представленная различными по генезису горными породами. В ней создаются условия для поселения растительности и развития почвообразования. Заселение поверхности рыхлой породы растениями идет медленно, причем наблюдается смена одних, относительно простых растительных группировок другими, более сложными. Высшие растения извлекают из материнской породы (в дальнейшем из почвы) элементы питания, синтезируют биомассу и включают элементы питания в состав сложных, нерастворимых в воде органических соединений, а затем возвращают в формирующуюся почву эти соединения в виде наземного опада и корней.

малый биологический круговорот веществ, согласно В.Р. Вильямсу, есть процесс превращения и перемещения веществ, связанный с появлением и развитием растительного покрова. Основной итог биологического круговорота – биологическая аккумуляция элементов питания в корнеобитаемом слое почвы и их концентрация в нем, что и обусловливает постепенное развитие плодородия. Интенсивность биологического круговорота зависит от физико-географических условий и характера растительности.

В качестве наиболее важных слагаемых почвообразовательного процесса выделим следующие:

1. Превращение минеральной горной породы, из которой образуется почва, а в дальнейшем и самой почвы, которое совершается при участии живых организмов и продуктов их жизнедеятельности и должно рассматриваться как биохимический процесс.

2. Накопление в почве органических остатков и их постепенная трансформация.

3. Взаимодействие минеральных и органических веществ с образованием сложной системы органоминеральных соединений.

4. Накопление (аккумуляция) в верхней части почвы ряда биофильных элементов, прежде всего, элементов питания.

5. Передвижение продуктов почвообразования с током влаги по вертикальной толще формирующейся почвы.

1.2. Факторы почвообразования

Основоположник учения о факторах почвообразования В.В. Докучаев установил, что почва как особое природное тело формируется в результате тесного взаимодействия следующих факторов: почвообразующих пород, климата, рельефа местности, живых организмов и времени.

Почвообразующая (материнская) горная порода. Так называется тот верхний слой (мощностью от нескольких сантиметров до нескольких метров) выходящей на поверхность горной породы, который в процессе почвообразования превращается в почву.

Из верхних слоев материнской породы образуется основная часть почвенной массы. Она наследует гранулометрический, агрегатный, минералогический и химический состав материнской породы. От гранулометрического и агрегатного состава зависят свойства почвы (водопроницаемость, воздухопроницаемость, водоудерживающая способность, влагоемкость и др.) и характер водного режима. Минералогический и химический состав породы влияют на химический состав почвы, ход химических процессов в ней, содержание (по крайней мере, первоначальное) в почве питательных веществ: калия, фосфора, серы, кальция и др.

По окончании почвообразовательного процесса материнская порода становится по отношению к почве подстилающим телом (грунтом) и влияет на обмен газами, влагой и растворенными в ней солями и тепловой энергией между нею и почвенной толщей.

Свойства и состав материнских пород определяют состав поселяющейся растительности, ее продуктивность, скорость разложения органических остатков, качество образующегося гумуса, особенности взаимодействия органических веществ с минеральной частью и другие стороны почвообразовательного процесса.

Вследствие этого в одних и тех же условиях климата и рельефа на разных породах могут формироваться разные почвы. Так, на карбонатных породах в таежно-лесной зоне образуются почвы с хорошо развитым гумусовым горизонтом, а на кислых – слабогумусированные подзолистые почвы. В южных зонах засоленные породы являются причиной развития засоленных почв и т.п.

Климат. Под атмосферным климатом понимается среднее состояние атмосферы той или иной территории. Его характеризуют средними показателями метеорологических элементов (температура, осадки, влажность воздуха и т.д.), максимальными и минимальными значениями показателей, а также амплитудами колебаний в течение суток, сезонов и целого года.

Для почвенных процессов важнейшее значение имеют климатические показатели, характеризующие температурные условия и увлажнение, так как с ними связаны водно-температурный режим почв и биологические процессы. Главный источник энергии – солнечная радиация, а основной источник увлажнения – атмосферные осадки. Постоянный тепло- и влагообмен между почвой и атмосферой формирует гидротермический режим почвы.

По сумме среднесуточных температур выше 10 ºС за вегетационный период выделяют главные термические группы климата:

 холодные (полярные) – менее 600 ºС;

 холодно-умеренные (бореальные) – 600-2000 ºС;

 тепло-умеренные (суббореальные) – 2000-3800 ºС;

 теплые (субтропические) – 3800-8000 ºС;

 жаркие (тропические) – более 8000 ºС.

С этим показателем связаны тепловой режим почв, скорость химических и биохимических процессов, биологическая продуктивность при оптимальном увлажнении. Территории с климатом, соответствующим указанным термическим группам, располагаются в виде широтных поясов земного шара. Для широтного пояса характерны не только сумма среднесуточных температур, но и определенные типы растительности и почв, разнообразие которых зависит от увлажнения. Эти пояса называются почвенно-биоклиматическими, или почвенно-биотермическими.

Условия увлажнения определяют водный режим, окислительно-восстановительный потенциал почв, степень выветрелости и выщелоченности и оцениваются коэффициентом увлажнения, представляющим собой отношение количества осадков к испаряемости с открытой водной поверхности. По условиям увлажнения осадками (по коэффициенту увлажнения КУ по Высоцкому – Иванову) при равных термических условиях различают шесть главных климатических групп:

 очень влажные (экстрагумидные) – КУ > 1,33;

 влажные (гумидные) – КУ = 1,331;

 полувлажные (семигумидные) – КУ = 10,55;

 полусухие (семиаридные) – КУ = 0,550,33;

 сухие (аридные) – КУ = 0,330,12;

 очень сухие (экстрааридные) – КУ < 0,12.

Климат является важным фактором развития биологических и биохимических процессов. Определенное сочетание температуры и увлажнения обусловливает тип растительности, темпы создания и разрушения органического вещества, состав и интенсивность деятельности почвенной микрофлоры и фауны. Климат оказывает огромное влияние на водно-воздушный, температурный и окислительно-восстановительный режимы почвы. С климатическими условиями тесно связаны процессы превращения минеральных соединений в почве, эрозионные процессы.

Рельеф местности. Рельеф как главный фактор перераспределения солнечной радиации и осадков в зависимости от экспозиции и крутизны склона оказывает влияние на водный, тепловой, питательный, окислительно-восстановительный и солевой режимы почв, развитие эрозионных процессов. Кроме того, изменение рельефа способствует эволюции растительности и почв.

В зависимости от положения в рельефе и соответствующего ему перераспределения осадков выделяют следующие группы почв:

 автоморфные почвы – на ровных поверхностях в условиях свободного стока поверхностных вод при глубоком залегании грунтовых вод (более 6 м);

 полугидроморфные почвы – при кратковременном застое поверхностных вод или при залегании грунтовых вод на глубине 3-6 м (капиллярная кайма может достигать корней растений);

 гидроморфные почвы – в условиях длительного поверхностного застоя вод или при залегании грунтовых вод на глубине менее 3 м (капиллярная кайма может достигать поверхности почвы).

Живые организмы (биологический фактор). Под биологическим фактором почвообразования понимается многообразное участие живых организмов и продуктов их жизнедеятельности в почвообразовании. В процессе участвуют три группы организмов: зеленые растения, микроорганизмы и животные, образующие сложные биоценозы, в которых особенно велика роль высших зеленых растений и микроорганизмов.

Зеленые растения: деревья, кустарники, травянистая и мохово-лишайная растительность – вовлекают в процесс формирования почв углерод, образуя органические соединения. В результате их разложения микроорганизмами, живущими в почве, появляются новые органические соединения, в частности кислоты и гумусовые вещества, которые, активно воздействуя на частицы минералов, вызывают их распад.

Высшие зеленые растения своими корнями усваивают зольные вещества (Ca, Mg, K, Na, Fe, Al, Si, Mn, P, S, Cl) и азот из почвы, принимают участие в передвижении влаги в почве.

Наиболее важной функцией растений в генезисе почв является регулярный синтез органического вещества, сопровождающийся мобилизацией минеральных соединений. Это ведет к аккумуляции запасов потенциальной энергии и биофильных элементов в наземных и подземных органах растений, в их остатках и почвах. Наиболее благоприятное влияние на режим органического вещества и баланс гумуса оказывают многолетние травы.

Микроорганизмы почвы (бактерии, грибы, актиномицеты, лишайники и водоросли) весьма разнообразны по составу и биологической деятельности. Общее количество микроорганизмов в почве составляет миллионы и миллиарды на 1 га. Их количество минимально в подзолистых почвах северных широт и максимально в черноземах и сероземах, под травянистой растительностью. Уменьшение их содержания наблюдается с глубиной. Наибольшее скопление микроорганизмов отмечается около живых корешков и на поверхности мертвых растительных остатков в пленке, называемой ризосферой.

Среди перечисленных групп микроорганизмов наиболее представительны бактерии. Численность их в течение года многократно (6-10 раз) возобновляется. В зависимости от способа питания бактерии подразделяются на гетеро- и автотрофные, по условиям существования – на аэробные и анаэробные.

Основными функциями микроорганизмов в почвообразовании являются разложение растительных остатков и почвенного гумуса до простых солей, используемых растениями, участие в образовании гумусовых веществ, разрушение и новообразование почвенных минералов, усвоение атмосферного азота (характерно для некоторых групп микроорганизмов).

Интенсивность жизнедеятельности микроорганизмов регулируется гидротермическими условиями, реакцией среды, количеством и составом питательных веществ. Для большинства из них оптимальны температура 25-30 ºС и влажность около 60 % полной влагоемкости почвы.

Многие бактерии и грибы продуцируют вещества типа полисахаридов, способствующие структурообразованию почв. Некоторые почвенные грибы и бактерии синтезируют аминокислоты, спирты, органические кислоты. При микробно-грибном разложении растительной массы в почве образуются активные биохимические продукты. Продукты жизнедеятельности одних бактерий часто являются токсическими антибиотиками для других.

Животные: простейшие (жгутиковые, корненожки, инфузории), беспозвоночные (дождевые черви, многоножки, жуки, термиты и др.) и позвоночные (кроты, суслики, хомяки и др.) – рыхлят и перемешивают почвенную массу на глубину до нескольких метров. Особенно важна роль дождевых червей, которые, помимо измельчения органических остатков, обогащают почву органическими веществами и карбонатами, улучшают ее физические свойства, химический состав и структуру, увеличивают количество гумуса, снижают кислотность и т.д.

Главной функцией животных в биосфере и почвообразовании следует считать потребление, первичное и вторичное разрушение органического вещества, перераспределение запасов энергии и превращение части потенциальной энергии в тепловую, механическую и химическую. Животные организмы существенно ускоряют темпы биологического круговорота веществ в биосфере и почвах. В процессе дыхания, движения, обмена организмов со средой идет последовательное окисление части углерода до двуокиси, выделение воды, паров и газов, минеральных солей, экскрементов. К этому добавляются минеральные и органические продукты посмертного разложения. Все это определяет ведущую роль биологического фактора в почвообразовании.

Возраст почв. Генезис почв протекает во времени с той или иной скоростью. Каждый новый цикл почвообразования (сезонный, годичный, многолетний) вносит свои изменения в превращения органических и минеральных веществ в почвенном профиле. От продолжительности почвообразования, даже при одинаковых его условиях, зависит степень обеднения почвы одними веществами и степень накопления других веществ, вследствие чего будут различаться и почвы разного возраста. На эволюцию почв во времени влияет также смена географических условий.

Принято различать абсолютный и относительный возраст почв. Абсолютный возраст – время, прошедшее с начала формирования почвы до настоящего времени. Он колеблется от нескольких лет до миллионов лет. Максимальный возраст имеют почвы тропических территорий, не претерпевших различного рода трансформации. На территории нашей страны абсолютный возраст почв исчисляется тысячелетиями и десятками тысяч лет. Самые молодые почвы располагаются в современной пойме. Со временем почва превращается из «молодой» в «зрелую». При этом под воздействием природных условий (климата, растительности, степени увлажнения и др.) меняются ее свойства.

Относительный возраст почв характеризует скорость почвообразовательного процесса, быстроту смены одной стадии развития почвы другой. Он связан с влиянием состава и свойств пород, условий рельефа на скорость и направление почвообразовательного процесса.

Производственная деятельность человека. Это специфический мощный фактор сознательного, направленного воздействия на почву, вызывающий изменение ее свойств и режимов (реакции при известковании, питательного режима при внесении удобрений, водно-воздушного и окислительно-восстановительного режимов при осушении и орошении и пр.) значительно более высокими темпами, чем при естественном процессе. Производственная деятельность человека, предусматривающая мероприятия по окультуриванию почв, становится решающим фактором почвообразования и повышения плодородия почв. Характер и значимость изменений почвы зависят от социально-экономических производственных отношений, уровня развития науки и техники. Неправильное использование почв без учета их свойств, условий развития может вызвать существенное их ухудшение (развитие эрозии, вторичное засоление, заболачивание, загрязнение почвенной среды и др.).