7. Основы почвоведения

Почвоведение - наука об органо-минеральных приповерхностных биологически активных образованиях - почвах, их составе, строении, распространении, продуктивности и происхождении. Она представляется базовой наукой географического цикла. Ее достижения успешно используются в агрономии и ландшафтоведении. Почвоведение как наука сформировано в результате работ русского геолога В.В.Докучаева в конце XIX века. Он впервые подошел к проблеме состава, строения и образования почв с геолого-исторических позиций. Классическими являются его исследования русского чернозема.

7.1. Состав почв

Почвы включают пять компонентов (рис. 7.1): минеральный скелет, представленный породообразующими минералами (кварц, полевые шпаты, слюды и пр.); органическая неживая составляющая; живые организмы - эдафон; почвенные растворы; почвенный воздух.

Рис. 7.1. Компоненты почв.

В минеральном скелете почв выделяется три группы минералов: реликтовые коренных пород, глинистые, которые развились по породообразующим минералам, и новообразования. Первая представляет собой остатки неизмененных пород - субстрата почв. Например, на севере Европы широко распространены кварц и полевые шпаты и имеют место слюды, составляющие исходные граниты, гнейсы и мигматиты. Размер их зерен преимущественно песчаный - 0,01-2 мм.

Вторая группа представлена глинистыми минералами, которые формируются в результате выветривания горных пород. Напомним, что глинистые минералы являются слоистыми гидроалюмосиликатами и имеют размеры менее 0,001 мм. В их кристаллической структуре слои тетраэдров (SiO_{4 -)} и октаэдров (AlO_{4 -}) соединяются между собой катионами калия, кальция, магния, либо гидроксония Н3О+. Расстояния между слоями составляют от единиц до сотен нанометров. Глинистые частицы почв обуславливают их пластичность и большую сорбционную ёмкость.

По соотношению песчаных и глинистых частиц почвы подразделяются на песчаные, супесчаные, суглинистые и глинистые. Глинистые и суглинистые почвы в силу их хемосорбционных свойств гораздо лучше для сельского хозяйства. Они способны долговременно удерживать влагу и биологически активные растворенные соединения.

Третий минеральный компонент почв представлен вторичными карбонатами (CaCO₃, MgCO₃ и др.), сульфатами (гипс, ангидрит), оксидами и гидроксидами кремния, алюминия, железа и титана. Эти соединения во многом определяют кислотно-щелочную реакцию почв. Cреди относительно растворимых минеральных новообразований (солей) по степени токсичности почв выделяют: нетоксичные СaSO₄ и CaCO₃; слабо токсичные MgSO₄ и Na₂SO₄; средне токсичные Mg(HCO₃) и Na(HCO₃); сильно токсичные NaCl, CaCl₂ и MgCl₂; очень сильно токсичные Na₂CO₃ и MgCO₃.

Сумма минеральных, «неживых» веществ в почве составляет их зольность, что аналогично зольности углей и горючих сланцев.

Мёртвое органическое вещество (перегной) в почвах включает разнообразные органические кислоты, воск, смолы, углеводороды, белки, лигнин и другие соединения (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Компоненты мертвого органического вещества почв.

В целом органическое вещество представлено гумусовым и сапропелевым типами. Гумусовое вещество преобладает в торфяных почвах. Сапропелевое - в почвах, которые развиваются по осадочным породам, а также накапливается в иловых впадинах озер и морей. Ил рассматривается в качестве аналога почв.

Живое вещество в почвах (эдафон) представлено микро- и макроорганизмами. Среди микроорганизмов в почвах преобладают грибы. В 1 см³ почв может быть до 2 км нитей грибов. Бактерий, водорослей и актиномицетов ненамного меньше. Подсчитано, что в 33 см³ почв обитает до триллиона микроорганизмов. Бактерии бывают аэробные, которые живут в воздушной среде и продуцируют СО₂, анаэробные, живущие в среде, где кислород находится в растворённой либо связанной формах. Эти бактерии продуцируют метан, водород или сероводород. Деятельность хемотрофных бактерий происходит за счёт энергетики химических окислительно-восстановительных реакций. Автотрофные, гетеротрофные и другие бактерии производят биомассу, гуминовые и фульвиевые кислоты и другие органические соединения, используя органическое вещество.

В почвах преобладают гуминовые кислоты. Органические кислоты представляют собой сложные углеводородные соединения, у которых много отрицательно заряженных радикалов. Эти радикалы дают возможность удерживать ферментативные элементы (железо, медь, молибден и др.). Содержание органических кислот в почвах должно быть оптимальным.

К макроорганизмам почв (макроэдофону) относятся черви, личинки, жуки, землеройки, мыши, суслики и сурки. Они перемешивают почву, перерабатывают органическое вещество, оставляя продукты своей жизнедеятельности.

Имеют место ещё два важных компонента почв – воздух и вода. Воздушные компоненты почв (O₂, СО₂, N₂ и др.) такие же, как в приземном слое атмосферы, но находятся в разных соотношениях (табл. 7.1.).

Таблица 7.1

Соотношение газового состава почв и атмосферы (объемные %)

Газы	Азот	Кислород	Углекислый	Радон
Атмосфера	78,1	20,9	0,03	0,07
Почвы	78,1	19-21	0,1-1,0	<0,01

Содержание почвенного кислорода и азота сопоставимы с атмосферным, а углекислого газа больше на порядок. Очевидно, это обусловлено активностью грибов и микроорганизмов.

Вода в почвах является чрезвычайно важным компонентом, поскольку она растворитель многих компонентов и среда обитания микроорганизмов. Почвы обладают влагоёмкостью – возможностью удерживать влагу. Этот показатель зависит от количества глинистых частиц и гумусового органического вещества, грибов и бактерий. Они могут удерживать воду в сухие периоды и обеспечивать бесперебойное снабжение растений почвенными растворами.

Ещё один компонент почв – содержание радиоактивных изотопов, которое в основном определяется калием сороковым. ⁴⁰К – гамма-излучатель. На Земле более 60% общей радиоактивности обусловлено этим изотопом. Остальная часть определяется главным образом концентрациями урана, тория и продуктами их распада (радием, радоном и др.) и в минимальной степени радиоизотопами, получаемыми за счет космической активации. Начиная со второй половины XX века, особенно после ядерных испытаний в атмосфере и в районах ядерных катастроф (Чернобыль, Кыштым и др.) в почвах накапливались искусственные радионуклиды цезия, стронция, трансурановых элементов.

Во всех компонентах почв присутствуют различные химические соединения. Геохимические характеристики почв включают макро- и микроэлементы, которые могут иметь биофильные и токсичные свойства (табл. 7.2).

Таблица 7.2

Геохимические составляющие почв

Группа	Типы элементов	Элементы (в скобках – ПДК, мг/кг)
1	Биофильные макрокомпоненты	K, P, N
2	Биофильные микрокомпоненты	B, Mn, Mo, Co, Cu, Zn
3	Токсичные I класса опасности	Hg (2), As (2-20), Pb (20), Zn (300), Cd (5), Se (70), F (200)
4	Токсичные II класса опасности	Cr (6), Ni (4), B (100-1000), Cu (3), Co (5), Mo (<1,5 и >4), Sb (4,5)

Состав почв определяет их свойства (рис. 7.3). С практической стороны важнейшим их них является плодородие. Оно определяет возможность выращивания различных сельскохозяйственных культур в тех или иных объемах. Плодородие природных почв усиливается за счет внесения удобрений и мелиорантов, улучшения структуры почв и грамотного севооборота. При оценке биологической продуктивности почв производят их бонитировку (bonitas – доброкачественность, лат.). Это означает количественную многокомпонентную статистическую факторную оценку качества почв. Сюда входят такие показатели как: мощность почвенного разреза, количество (запасы) гумусового вещества, содержания азота, калия и Р₂О_5; рН почв; ее структура и механический состав, урожайность зерновых культур.

Рис. 7.3. Свойства почв.

Гомеостазисом почв считается их свойство поддерживать относительно постоянный состав температуру и влажность. Почвы, как и другие организмы, способны не изменять свои свойства при значительных внешних воздействиях. Важное следствие гомеостазиса поддержание температурного режима в почвах. Конечно, в зависимости от сезонов года он изменяется. Однако, остается более или менее одинаковым в вегетативный весенне-летний период. Для каждой сельскохозяйственной культуры благоприятными оказываются свои температуры почв (см. рис. 7.3).

Плотность и структура почв включают такие показатели как количество пор – порозность. При этом почвоведы различают порозность общую, капиллярную и некапиллярную. В в верхних горизонтах почв общая порозность колеблется от 55 до 70%, в нижележащем горизонте – 35-60%. Капиллярная порозность определяет изменения суточные и сезонные изменения влажности почв. За счет сил поверхностного притяжения в капиллярах влага может поднимать до первых метров. Некапиллярная порозность почв обуславливает их водопроницаемость. Благодаря этому, сильные дожди не переувлажняют почвы.

Влагоемкость почв определяется наличием в них сорбентов. Сорбционные свойства имеют коллоидные частицы почв (глинистые, гидроксиды железа и алюминия, фосфаты, цеолиты, кремнегели, гумус). Их концентрация отражается в поглотительной способности почв. Влагоемкость, плотность и структура почв определяют их пластичность, что аналогично текучести грунтов.

Механизм хемосорбции и физико-химические процессы обмена между почвенным раствором и твердой фазой обуславливают содержание в почвах обменных йонов. Особенно важны концентрации катионов. При последовательном росте содержаний катионов в ряду: Ca²⁺ - Mg²⁺ - Na⁺ - H⁺ - Al³⁺ - K⁺ - NH³⁺ продуктивность почв ухудшается. Соотношение катионов и анионов в почвенной влаге определяет ее кислотно-щелочные свойства. Так в кислых почвах среди катионов преобладают H⁺ и Al³⁺, в щелочных - Ca²⁺, Mg²⁺ и Na⁺, а в анионах – HCO₃^-.