В познании почв и почвенного покрова планеты почвоведение тесно связано с другими естественными науками и широко использует их методические подходы и достижения (схема ). Применение подходов и методов разных наук в почвоведении связано с особенностями почвы как природного тела, т.е. ее формированием и существованием на границе взаимодействия разных компонентов Земли, изучаемых разными науками.
Геология. Современное генетическое почвоведение развилось из геологии и до сих пор сохраняет с ней методические и методологические связи. Изучение геологического строения, геологической истории земной поверхности позволяет правильно понять генезис почв и почвенного покрова, пространственную дифференциацию почв. Петрография, минералогия, кристаллография это науки, относящиеся к геологическим, дают почвоведам методические основы исследования минералогического состава почв и закономерностей его формирования и трансформации. Гидрогеология наука относящаяся к геологическим помогает решать вопросы формирования и функционирования водного режима почв. Для познания генезиса и эволюции почв необходимы знания тектоники, вулканологии, сейсмологии. Геоморфология помогает понять и оценить роль рельефа в почвообразовании и географии почв. Составить правильно почвенную карту нельзя без знания геодезии и картографии и без использования их специфических методов. Почвоведение тесно связано с геохимией, в частности с биогеохимией и гидрохимией, в вопросах изучения процессов и закономерностей миграции и трансформации веществ на поверхности Земли. Климатология и метеорология помогают почвоведам оценивать роль климата и атмосферных факторов в почвообразовании, в создании и поддержании почвенных режимов, в частности водного и теплового режимов почв, а также в географическом распространении почв на земной поверхности.
Ряд наук биологического цикла особенно важен в изучении плодородия почвы и вопросов почвенного питания растений. Почвоведение широко использует методы и подходы микробиологии, биохимии, физиологии растений. Тесно связаны почвоведы с ботаниками (генезис и география почв), с зоологами (почвенная зоология). Необходимы почвоведам и знания экологии растений и животных. Ряд разделов почвоведения непосредственно является научными дисциплинами биологического цикла: биология почв с ее подразделами почвенной энтомологии, микробиологии, энзимологии и т. д. Изучение почвенного гумуса невозможно без использования подходов и методов биохимии. Вся химия почв связана с использованием подходов и методов наук химического цикла: аналитической химии, органической химии, физической химии, коллоидной химии, а изучение физики почв основано на приложении к почве законов общей физики.
Наконец, надо подчеркнуть и связь почвоведения с математикой. С одной стороны, это широкое использование статистических и вероятностных подходов для оценки почвенной неоднородности разных уровней и оценки почвенного плодородия (бонитировка почв); с другой— математическое описание тех или иных физических и химических процессов в почвах; с третьей — имитационное математическое моделирование почвенных процессов, таких, как передвижение воды или солей в почвах.
С другой стороны, с развитием науки почвоведения сформировались ряд новых наук — ландшафтоведения, биогеохимии, лесоведения, агролесомелиорации, геохимии ландшафтов, геоботаники, биогеоценологии. На базе докучаевской методологии академиком В. В. Вернадским были сформулированы современные представления о биосфере и ноосфере.
Существенную роль докучаевские концепции сыграли в развитии современной экологии и учения об окружающей среде. Принятый сейчас во многих науках так называемый «экологический подход» — это не что иное, как классический докучаевский подход к изучению природных явлений, сформулированный еще в конце позапрошлого века в учении о зонах и единстве почвы и факторов почвообразования.
Главные направления и разделы почвоведения (схема)
Мы уже знаем, что развитие почвоведения как науки дало направление для развития смежных наук. Но помимо этого в рамках самой науки выделялись разные направления: выделились такие разделы почвоведения, как химия почв, физика почв, минералогия почв, биология почв, география почв, картография почв, систематика почв, экология почв, оценка почв, почвенная информатика и т.д.
Все перечисленные выше разделы почвоведения имеют свои особые подходы и методы.
Естественно, в наибольшей степени почвоведение связано с сельским хозяйством и прежде всего земледелием. Отсюда сельскохозяйственное почвоведение, или агропочвоведение, — это наиболее обширная прикладная отрасль науки о почве. Сельскохозяйственные аспекты почвоведения включают в себя выбор путей и методов повышения плодородия почв и поддержания его на достаточно высоком уровне для обеспечения оптимальной биологической продуктивности; выбор путей и методов защиты почв от загрязнений и деградационных процессов и т. д.
Мелиоративное почвоведение служит теоретической основой комплексной мелиорации почв инженерно-техническими, химическими, биологическими и агротехническими методами. Лесное почвоведение вместе с лесоведением является научной основой повышения продуктивности лесов, создания наиболее продуктивных и экологически и экономически целесообразных лесных искусственных насаждений, лесомелиоративных мероприятий, в том числе агролесомелиорации. Санитарное почвоведение также имеет большой круг задач в связи; с проблемой обезвреживания различных промышленных, бытовых и сельскохозяйственных отходов; с проблемой распространения болезней растений, животных и человека, включая эндемические болезни и патологии; с проблемой борьбы с патогенными организмами (переносчиками инфекций), значительное число которых является почвообитающими; с проблемой защиты растений, животных и человека от радиационного заражения и поражения. Инженерное почвоведение смыкается по своим задачам и методам с грунтоведением и инженерной геологией, рассматривая почву как основание для сооружений и коммуникаций или как строительный материал.
Есть и другие отрасли человеческой деятельности, в которых использование почвы имеет свои особенности и где требуются особые подходы и методы исследования, например в криминалистике, военном деле и т. д. Однако важно подчеркнуть, что в любом случае все прикладные аспекты науки опираются на фундаментальное почвоведение, и почвоведы исходят из его теоретических научных положений при решении любых вопросов прикладного характера.
История почвоведения
Появление научных знаний о почве связано с зарождением и постепенным развитием земледелия. Так же как и в других науках, в почвоведении длительный период был лишь периодом накопления разрозненных фактов, наблюдений, гипотез, передававшихся из поколения в поколение. Знание становится наукой лишь тогда, когда формулируется основная теоретическая концепция данной отрасли знания. Поэтому начало развития почвоведения можно начать либо с самого раннего периода накопления фактов, знаний с зарождением земледелия где-то около десяти тысяч лет до новой эры и далее детально проследить в веках постепенное становление науки через древние цивилизации Месопоамии, Египта, Греции, Рима, через Средневековье, эпоху Возрождения, эпоху Промышленной революции вплоть до наших дней. А можно поступить и иначе. Можно начать с того дня, когда выдающийся русский естествоиспытатель В. В. Докучаев после длительных и бурных дебатов блестяще защитил в Петербургском университете свою докторскую диссертацию «Русский чернозем», совершив революцию в знаниях о почве и положив начало современному генетическому почвоведению как самостоятельной естественно-исторической науки. Это случилось 10 декабря 1883 г. - официальная дата рождения современного почвоведения.
В истории почвоведения можно выделить несколько периодов, связанных с общим развитием естествознания в истории человечества.
1. Период первичного накопления разрозненных фактов о свойствах почв, их плодородии и способах обработки связан с зарождением и постепенным совершенствованием земледелия.
2. Период обособления знаний о почвах и введения первичного земельного кадастра, продолжавшийся несколько тысяч лет до новой эры, совпадает с развитием рабовладельческого общества и связанной с ним земледельческой цивилизации.
3. Период первичной систематизации знаний о почвах связан с Греко-Римской цивилизацией и охватывает тысячелетие с VIII в. до н. э. по III в. н. э.
4. Период интенсивных земельно-кадастровых работ эпохи феодализма охватывает 15—17 веков новой эры и связан с развитием почвенно-оценочных работ в целях феодального налогообложения. В это время мало было сделано по сравнению с антиками для познания почв и их свойств, но очень много было собрано описаний почв разных территорий при их сравнительной качественной оценке. Официальный земельный кадастр был введен в большинстве стран в те или иные периоды этого времени.
5. Период интенсивного экспериментального и географического изучения почв и их плодородия в связи с развитием интесивного земледелия относится к XVIII в. Появились новые идеи о происхождении почв, особенно в трудах русских ученых — академиков М. В. Ломоносова (1763), П. С. Палласа (1773), И. А. Гюльденштедта (1791).
6. Период развития агрогеологии и агрикультурхимии совпадает с бурным распространением капиталистического производства в земледелии Европы в XIX в. Этот период предшествовал непосредственно становлению почвоведения как науки.
7. Период создания современного генетического почвоведения в конце XIX — начале XX в. Докучаевым.
8. Период развития докучаевского почвоведения и становления новой науки охватывает время между двумя мировыми войнами (1916—1941). Именно в этот период был собран огромный фактический материал по химической, физической, минералогической характеристике почв разных стран. Были сформулированы основные концепции по физике, химии, биологии почв. В целом шла интенсивная дифференциация науки и оформление специализированных направлений в ней. Интенсивно развивались почвенно-картографические исследования. В этот период было создано Международное общество почвоведов (в 1924 г. на Четвертой Международной педологической конференции в Риме), проведены три Международных конгресса почвоведов (Первый в Вашингтоне в 1927 г., второй в Ленинграде в 1930 г. и третий в Оксфорде в 1935 г.). Почвоведение оформилось в самостоятельную отрасль естествознания, имея собственные предмет и методы исследования, а географические концепции почвоведов, основанные на докучаевских идеях, стали широко использоваться в смежных науках. В почвоведении выделились самостоятельные разделы и направления: химия, физика, география, минералогия, биология почв; интенсивно развивалось сельскохозяйственное почвоведение. Русская школа почвоведения получила статус лидирующей в мировой науке.
9. Период интенсивной инвентаризации почвенного покрова мира и развития международного сотрудничества в почвоведении характеризует тридцатилетие после окончания второй мировой войны. Пожалуй, главной чертой этого периода явилось интенсивное исследование почвенного покрова бывших колониальных и полуколониальных территорий Азии, Африки и Латинской Америки и создание в развивающихся странах мира национальных кадров почвоведов путем организации широкой международной помощи в рамках организаций системы ООН (ФАО, ЮНЕСКО, ВМО и др.) и путем двустороннего сотрудничества. Сотни европейских и североамериканских почвоведов побывали в странах тропиков и субтропиков, о которых ранее почвоведы судили в основном лишь по косвенным данным. Новый фактический материал дал реальную основу для более строгого анализа мировой географии и систематики почв. Впервые в истории науки по инициативе и при непосредственном участии советских почвоведов был организован при посредстве ФАО и ЮНЕСКО международный проект создания почвенной карты мира. Работы по ее составлению были начаты в 1960 г., после Седьмого Международного конгресса почвоведов, и закончены в 1978 г., когда были опубликованы последние листы карты масштаба 1:5 000 000. Однако это выдающееся научное достижение было не единственным результатом международного сотрудничества: проведены десятки международных конференций и координационных совещаний-экскурсий по разным проблемам почвоведения, создан Международный почвенный музей в Амстердаме с богатой коллекцией эталонов почв мира, опубликовано большое количество переводов работ на всех языках по разным аспектам почвоведения. Все это привело к созданию новых представлений о генезисе и географии почв мира, их классификации, о процессах почвообразования; пересмотрены представления об уже известных типах почв и описано много новых типов.
10. Период интенсификации работ по охране и рациональному использованию почвенного покрова характеризует уже наши дни и связан с осознанием в глобальном масштабе экологических проблем, с которыми столкнулось человечество во второй половине XX в. Какие проблемы стоят перед почвоведами в наше время? Состояние почвенного покрова планеты, пораженного многими деградационными процессами (эрозия, дегумификация, химическое загрязнение, опустынивание и т.д.). Именно этим проблемам были посвящены последние международные конгрессы почвоведов, начиная с Десятого (1974 г. в Москве), Стокгольмское воззвание по проблемам окружающей среды (1972), Самаркандское воззвание по вопросам земельных ресурсов мира (1976), Всемирный план действия по борьбе с опустыниванием (1977), Всемирная почвенная хартия (1981), Основы мировой почвенной политики (1982). Разрабатывается большое число международных проектов в организациях системы ООН: карта деградации почв мира (ФАО), социально-экономические аспекты потерь почв (ИФИАС, ЮНЕП, СКОПЕ), классификация почв мира (ЮНЕП, ЮНЕСКО, МОП), методы оценки и картирования опустынивания (ФАО, ЮНЕП), ряд проектов оказания помощи развивающимся странам в охране и рациональном использовании почвенного покрова.
Сейчас основная задача - обеспечить сохранность почвенного покрова планеты для грядущих поколений и передать его им не в ухудшенном, а в улучшенном состоянии; обеспечить получение максимальной биологической продукции с минимальной площади для удовлетворения все растущих потребностей развивающегося человечества. Решение этой задачи потребует огромных усилий, в основе которых должно лежать знание того, что такое почва.
Темы для обсуждения на семинарское занятие:
1.Место «почвоведения» в системе других наук
2. Главные направления и разделы почвоведения
3. Место и роль почвы в природе, глобальные функции почвы.
4. История развития «почвоведения» как научной дисциплины.
Вопросы на контрольную работу:
1.Как формулировалось понятие о почве в докучаевский период?
2. Дать определение почве по Докучаеву.
3. Почему почву рассматривают как биокосное тело?
4. Что такое почвенный индивидуум (педон)?
5. Как определяется нижняя граница почвы?
6. Первая, основная глобальная функция почвы.
7. Какие вопросы изучаются в разделе «санитарное почвоведение»?
8.Какие задачи решались почвоведами в период интенсивной инвентаризации почвенного покрова?
ОБЩАЯ СХЕМА ПОЧВООБРАЗОВАТЕЛЬНОГО
ПРОЦЕССА. ФАКТОРЫ ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ
СТАДИИ И ОБЩАЯ СХЕМА ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ
Общую схему почвообразовательного процесса можно представить в виде последовательных стадий формирования почвы. Наиболее важные слагаемые почвообразовательного процесса: превращение (трансформация) минералов горной породы под воздействием процессов выветривания в рыхлую толщу. Накопление в ней органических остатков и их постепенная трансформация (разложение, процессы гумификации). Взаимодействие минеральных веществ, образованной в процессе выветривания рыхлой толщи с органическими веществами с образованием сложной системы органо-минеральных соединений (почвенного гумуса). Накопление (аккумуляция) в верхней части почвы ряда биофильных элементов, и прежде всего элементов питания. Передвижение (миграция) продуктов почвообразования с током влаги внутрь профиля почвы и по ее поверхности .
Проявление этих слагаемых почвообразовательного процесса на разных этапах возникновения и развития почвы имеет свои особенности, что позволяет говорить о ряде стадий развития почвообразовательного процесса. Генезис любой почвы состоит, как минимум, из трех последовательных стадий.
1. Начало почвообразования, называемое иногда первичным почвообразовательным процессом. Равновесие с факторами почвообразования еще не установилось.
2. Стадия развития почвы, на которой субстрат материнской породы последовательно приобретает характерные почвенные признаки. Еще отсутствует равновесия с факторами почвообразования.
3. Стадия сформированной (зрелой) почвы.
На данной стадии свойства почвы и уровни биопродуктивности соответствующих биогеоценозов относительно стабильны вследствие близости почвы к равновесию с факторами среды.
Рассмотрим в общем виде каждую из этих стадий.
Начало почвообразования (первичный почвообразовательный процесс) совпадает с началом формирования пионерных наземных экосистем (биогеоценозов) . Это может произойти, например, в результате регрессии моря и выхода донных отложений на дневную поверхность, освобождения суши при отступлении ледников, при заселении организмами горной породы, оказавшейся на дневной поверхности, либо в результате каких-то природных процессов, либо в результате антропогенной деятельности (отвалы карьеров, терриконы ). Это могут быть речные отложения после сильных паводков, пепловые отложения после извержения вулканов и т.д.
Уже на начальной стадии формирования экосистем, (начальных примитивных экосистем ) в них складывается биологический круговорот, состоящий из отмирания и частичного поступлением органических остатков в поверхностный слой материнской породы, разложением органических остатков, избирательным биологическим поглощением элементов минерального питания из исходного субстрата и другими процессами, протекающими при участии автотрофных и гетеротрофных организмов, составляющих биоценоз. Однако на данной стадии почвообразования характерной чертой биологического круговорота является его незначительный объем, вызванный низкой биологической продуктивностью пионерных (еще примитивных) наземных экосистем, представленными преимущественно различными видами низших растений (грибы, бактерии, водоросли, лишайники).
Наряду с процессами, протекающими в рамках биологического круговорота, имеют место и процессы небиологической природы: физические, физико-химические, химические, осуществляющиеся преимущественно на атомно-ионном, молекулярном и коллоидном уровнях, например процессы растворения - осаждения, испарения - конденсации, сорбции, диффузии, комплексообразования и т. д. Такого типа процессы в природе протекают не только в почвах, поэтому их нельзя отнести к специфическим почвенным, поскольку каждый из них, взятый в отдельности, за редким исключением, не формирует специфических почвенных признаков, хотя во всех почвах и на всех стадиях почвообразования они представлены очень широко. Эту группу процессов, в результате которых осуществляется превращение и перенос вещества, принято называть микропроцессами или элементарными почвенными процессами. На начальной стадии почвообразования эти процессы могут, вероятно, протекать в какой-то мере независимо друг от друга. Они еще не связаны в единую систему процессов, составляющих биогеохимический круговорот. Это как бы подготовительная предпочвенная стадия. На заключительном этапе данной стадии осуществляется постепенная согласованность и взаимосвязь между процессами, входящими в биологический круговорот, и абиотическими элементарными микропроцессами.
2.Стадия развития почвы. Существенно возрастает биопродуктивность наземных экосистем и объем биологического круговорота за счет увеличения биомассы высших растений. В результате биологического поглощения и трансформации веществ в организмах элементы возвращаются в почву в составе качественно иных соединений, которых никогда не было в исходной породе и которые становятся значительно более доступными для последующих поколений живых организмов, потому что становятся хорошо водорастворимыми.
На данной стадии почвообразования формируется определенный запас лабильных веществ, называемый резервным фондом, в котором содержание доступных для организмов элементов в несколько раз превышает возможное единовременное содержание этих элементов в биоте.
Следует подчеркнуть, что биологический круговорот с участием высших растений на 2 стадии формирования почвы в отличие от биологического круговорота низших растений на начальной стадии почвообразования имеет важную качественную особенность, которая создает предпосылку для профильной дифференциации почв. Она заключается в том, что растения осуществляют как бы перекачку главных биофильных и других поглощаемых ими элементов из различных почвенных горизонтов на поверхность почвы, где эти элементы скапливаются в составе опада отмирающих растений. В наибольшей степени это перемещение проявляется в лесных экосистемах, где на поверхности почв иногда накапливаются большие запасы лесных подстилок.
Таким образом, на этой стадии развития почвы возрастают масштабы биологического круговорота. На этой стадии почвенные микропроцессы, которые уже достигли определенного количественного уровня и упорядоченности в пространстве и во времени, образуют качественно новые процессы ( мезопроцессы и макропроцессы), которые в свою очередь формируют специфические признаки почв.
(3-я стадия) зрелой почвы . На этой стадии развития почв в естественных биогеоценозах характерен биологический круговорот, каждый цикл которого приблизительно повторяет предыдущий, т.е. каждый последующий цикл мало чем отличается от предыдущего. При этом в круговорот вовлекаются в основном соединения и элементы, прошедшие ранее через циклы биологического круговорота, а вовлечение новых элементов из минералов почвообразующей породы в круговорот если и происходит, то в ограниченных масштабах.
Вследствие этого состав почвы, ее основные свойства могут быть относительно стабильны во времени, но интенсивность отдельных трансформационных процессов может быть гораздо более выраженной, чем на начальных стадиях формирования и становления почвы. При этом необходимо также отметить, что полной обратимости, замкнутости биологических циклов не существует. Какая-то часть элементов по тем или иным причинам может выходить из круговорота. Например, из опада и лесной подстилки какая-то часть элементов необратимо вымывается водами поверхностного стока. Однако эти потери компенсируются вовлечением в биологический круговорот дефицитных элементов из минералов, потери азота его биологической фиксацией из атмосферы.
На стадии равновесного функционирования почв реализуются все группы процессов (микро-, мезо- и макропроцессы).
ЭНЕРГЕТИКА ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ
Главным и практически основным источником поступления энергии в почву является солнечная радиация. Вся поверхность Земли получает в год от солнца, по приблизительным оценкам, 21 • 1020 Дж тепла. Основная часть этой энергии расходуется на испарение воды с поверхности суши и океана и на турбулентный теплообмен между подстилающими поверхностями и атмосферой, т. е. на формирование
климата и океанических течений. Фотосинтезирующие организмы (зеленые растения) усваивают только от 0,5 до 5 % солнечной энергии.
Как полагает В. Р. Волобуев, в естественных условиях затраты солнечной энергии на почвообразование в основном определяются радиационным балансом, относительным увлажнением (отношение осадков к испаряемости, и биологической активностью биогеоценоза.
В агрикультурных условиях на эту величину будут так же влиять теплоемкость почвы, ее фактическое увлажнение (особенно при орошении) и продуктивность сельскохозяйственных посевов. Это определяется тем, что энергетика почв связана не только с поступлением, преобразованием и отдачей солнечной энергии, но и с биохимической аккумуляцией и миграцией веществ и с другими формами энерго-массообмена. Количество энергии, аккумулированное в живом веществе, зависит от зональных и местных почвенно-климатических условий. Так, в среднегодовом приросте биомассы 1 га широколиственных лесов накапливается 54,5 ц углерода, или 22▪107 кДж/га, соответственно в луговой степи 2,5 ц, или 10▪106 кДж/га (В. А. Ковда). Запас энергии в биомассе суши, взятой в целом, определяется в 6,15▪1019 кДж и в гумусовой оболочке Земли — 5,33-1019 кДж.
При почвообразовании и выветривании происходят существенные изменения также и в энергии минеральной части почвы. Они обусловлены разрушением первичных минералов, синтезом вторичных минералов и увеличением степени дисперсности первичных горных пород. Общий запас аккумулированной в почве энергии слагается из запасов энергии в ее основных компонентах: органических и минеральных веществах, почвенном растворе, почвенном воздухе и живом органическом веществе, синтезированном на данной почве. Поскольку количество влаги и воздуха, а также масса органического вещества существенно изменяются в течение года, необходимо рассматривать энергетический режим почв в сезонных циклах. Это особенно важно для познания энергетики культурного почвообразования, которое характеризуется увеличением интенсивности биологического круговорота.
В естественных ландшафтах наименьшие суммарные затраты энергии на почвообразование (8—20 кДж/см2 в год) наблюдаются в тундрах и неосвоенных пустынях; средние затраты - в гумидных и семиаридных областях умеренного пояса (40—160 кДж/см2 в год) и наиболее высокие - в гумидных областях тропиков (246 - 287 кДж/см2 в год).
ОБРАЗОВАНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ПОЧВ
Изложенная выше общая схема почвообразовательного процесса представляет абстрактную модель. Конкретные особенности почвообразования и дальнейшей эволюции и развития почв зависят от характера проявления известных природных, а в современных условиях - и антропогенных факторов, их изменения во времени и пространстве.
Почвообразовательный процесс начался с появления жизни на поверхности суши, с воздействия на горную породу простейших организмов. Первичными организмами, которые могли принять участие в почвообразовании, по-видимому, были бактерии и водоросли. С их воздействием на горную породу начался первичный почвообразовательный процесс.
Отмирающие первичные микроорганизмы обогащали выветривающуюся горную породу органическим веществом и создавали необходимые условия для развития других групп организмов. За бактериями и водорослями появились псилофиты, грибы, хвощовые, плауновые, папоротники, мхи и, наконец, покрытосеменные растения. С появлением высших растений с мощной корневой системой, проникающей в глубь породы и охватывающей большие ее объемы, почвообразовательный процесс усиливался.
Вместе с растительностью почву заселяли животные организмы, которые также оказывали влияние на почвообразовательный процесс. В результате жизнедеятельности растений и животных происходило накопление органических- остатков и гумуса, в которых концентрировались элементы зольной и азотной пищи растений. С накоплением органического вещества в минеральных почвах улучшался водный режим, он приобретал более устойчивый характер. Так постепенно из бесплодной горной породы развивалась почва.
Изучение растительности и географических условий прошлых геологических периодов (этим занимаются палеоботаника и палеогеография) позволяет с той или иной мерой достоверности воссоздать возможный путь развития почвообразовательного процесса. В кембрийский и ордовикский периоды почвообразовательный процесс находился на стадии первичного, так как в то время существовали только низшие растения - бактерии и водоросли. В силурийский, девонский, каменноугольный и пермский периоды с появлением и расселением новой растительности (псилофитов, хвощовых и др.) создались условия для дальнейшего развития и усложнения почвообразовательного процесса. В меловой и третичный периоды по суше широко распространились хвойные и широколиственные леса, луга и травянистые степи, под покровом которых формировались соответствующие почвы. К этому времени на земном шаре отчетливо обособились климатические пояса, что привело к еще большей дифференциации и разнообразию почвенного покрова.
В четвертичный период в результате материкового оледенения почвообразовательный процесс прерывался на значительной части суши (около 50—60 %). На территории распространения ледников почвенный покров был полностью уничтожен. На прилегающих к ледникам внеледниковых пространствах он был эродирован стекающими ледниковыми водами, а затем перекрыт флювиогляциальными и аллювиальными отложениями. В субтропических и тропических областях, где не было материкового оледенения, почвенный покров в значительной части сохранился от третичного периода. На территории нашей страны почти весь дочетвертичный почвенный покров был уничтожен. После окончания ледниковой эпохи начался современный почвообразовательный процесс. В современную геологическую эпоху на горной породе, вышедшей на дневную поверхность, последовательность поселения живых организмов не будет такой, какая проходила с начала зарождения жизни на Земле. В зависимости от конкретных физико-географических условий на рыхлой почвообразующей породе могут сразу поселиться высшие травянистые или деревянистые растения в сочетании с микроорганизмами и животными. Следует отметить, что в высокогорных и пустынных районах (жарких или холодных) и в современную геологическую эпоху можно наблюдать на горных породах, особенно скальных, развитие только пионеров литофильной растительности: микроорганизмов, лишайников и мхов. Высшие растения из-за неблагоприятных условий здесь не развиваются, и почвообразовательный процесс находится на стадии первичного. Там, где слабо проявляется биологическая деятельность, слабо развивается и почвообразовательный процесс и не формируются плодородные почвы.
Итак, почва как естественноисторическое тело претерпевает во времени разнообразные изменения, связанные как с ее естественным развитием в относительно стабильных условиях, так и с изменением факторов почвообразования. Совокупность всех изменений в почве от начала ее образования (ноль-момент) до сегодняшнего дня называют эволюцией почвы. В эволюции почв выделяют фазу саморазвития (созревания) почвы. Фаза саморазвития соответствует трем стадиям, рассмотренным в общей схеме почвообразовательного процесса.
Вопросы для обсуждения на семинаре:
1. Стадии формирования почв.
2. Энергетика почвообразования
3. Эволюция почв
Вопросы на контрольную работу:
1. Почему первую стадию почвообразования очень часто характеризуют как примитивную?
2. На каких предположительно субстратах может начаться первичная стадия почвообразования.
3. Какие биоресурсы вовлечены в биологический круговорот на второй стадии почвообразования?
4. Почему вторую стадию почвообразования можно условно разделить на два этапа?
5. Почему третья стадия развития почв называется стадией равновесного функционирования?
6. Из чего складывается общий запас аккумулированной в почве энергии?
7. На каких территориях нашей страны сохранился дочетвертичный почвенный покров?
ФАКТОРЫ ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ
Основы учения о факторах почвообразования заложены В. В. Докучаевым, который установил, что почва как особое природное тело формируется в результате тесного взаимодействия следующих факторов - климата, растительности, почвообразующих пород, рельефа местности и возраста страны (времени). Сочетание факторов почвообразования - это комбинации экологических условий развития почвообразовательного процесса и почв.
Изучение каждого фактора почвообразования предусматривает его характеристику по определенным параметрам и оценку его роли в почвообразовании.
Наряду с указанными пятью природными факторами почвообразования выделяется еще шестой- производственная деятельность человека, оказывающая как прямое, так и косвенное влияние на почвообразование и почвенный покров.
ПОЧВООБРАЗУЮЩИЕ ПОРОДЫ
Горные породы, из которых формируется почва, называют почвообразующими, или материнскими. Почвообразующая порода является материальной основой почвы и передает ей свой гранулометрический, минералогический и химический состав, а также физические, химические, физико-химические свойства, которые в дальнейшем постепенно изменяются в различной степени под воздействием почвообразовательного процесса.
Почвообразующие породы различаются по происхождению, составу, строению и свойствам.
Твердая оболочка Земли, или литосфера, состоит из магматических, метаморфических и осадочных пород.
Магматические, или изверженные, породы образовались из силикатных расплавов (магма), застывших в глубине земной коры (породы глубинные — интрузивные), или из магмы, излившейся на поверхность Земли (породы излившиеся— эффузивные). Эти породы имеют кристаллическое или скрытокристаллическое строение, преимущественно плотное сложение, поэтому они часто называются - массивнокристаллические (граниты, базальты, андезиты, пегматиты, дуниты и др.). Магматические породы составляют 95 % общей массы пород, слагающих литосферу, однако почвообразующими являются лишь в редких случаях, главным образом в горных областях.
Метаморфические породы — вторичные массивнокристаллические породы, образовавшиеся из магматических или осадочных пород в недрах земли в результате глубоких превращений (сланцы, гнейсы). Их значение в почвообразовании также мало. Основная поверхность земли покрыта осадочными породами.
Осадочные породы — отложения продуктов выветривания массивнокристаллических пород или остатков различных организмов. Они подразделяются на обломочные, химические осадки и биогенные. Среди осадочных пород химического и биогенного происхождения важную роль в почвообразовании играют карбонатные отложения - известняки, мергели, доломиты, мел.
Древние осадочные породы, образованные в дочетвертичный период, со временем утратили рыхлость, пористость и являются преимущественно плотными породами (песчаники, глинистые сланцы и др.). Их очень часто объединяют в одну группу с массивно-кристаллическими и называют «коренными» породами.
Молодые осадочные породы сформировались в четвертичный период в результате выветривания коренных пород и переотложения продуктов их разрушения водой, ветром, льдом. Их образование продолжается и в настоящее время. В отличие от плотных коренных пород они характеризуются благоприятными для почвообразования свойствами: рыхлым сложением, пористостью, водопроницаемостью, водоудерживающей и поглотительной способностью.
Формирование почвообразующих пород связано с процессами выветривания горных пород и переносом и переотложением продуктов выветривания.
Выветривание
Выветривание — совокупность сложных и разнообразных процессов количественного и качественного изменения горных пород и слагающих их минералов под воздействием атмосферы, гидросферы и биосферы.
Горизонты горных пород, где протекают процессы выветривания, называются корой выветривания. В ней различают две зоны: зону поверхностного, или современного, выветривания и зону глубинного, или древнего, выветривания. Мощность коры современного выветривания, в которой может протекать почвообразовательный процесс, колеблется от нескольких сантиметров до 2-10 м.
Различают 3 выветривания: физическое выветривание, химическое и биологическое.
Физическое выветривание это механическое раздробление горных пород и минералов без изменения их химического состава.
Выветривание начинается с поверхности, здесь возникают большие градиенты суточных и сезонных температур. Постепенно выветривание захватывает более глубокие слои породы и затухает в поясе постоянных температур. Наиболее интенсивно оно протекает при больших амплитудах колебания температур; например, в жарких пустынях поверхность пород иногда нагревается до 60—70 °С, а ночью охлаждается почти до 0 С.
Физическое выветривание ускоряется при наличии воды, которая, проникая в трещины горных пород, создает капиллярное давление большой силы. Еще сильнее разрушающая сила воды при замерзании: она расширяется на 1/10 своего объема и оказывает огромное давление на стенки трещин горных пород.
В областях аридного климата аналогичную роль играют соли, проникающие в трещины и кристаллизующиеся в них. Так, ангидрит (CaS04), присоединяя воду, превращается в гипс (CaS04-2H20), увеличиваясь в объеме на 33 %.
В результате физического выветривания горная порода уже способна пропускать воздух и воду и задерживать некоторое ее количество. Физическое выветривание, раздробляя и разрыхляя массивные породы, значительно увеличивает общую поверхность, что создает благоприятные условия для проявления химического выветривания.
Химическое выветривание — процесс химического изменения и разрушения горных пород и минералов с образованием новых минералов и соединений. Важнейшими факторами этого процесса являются вода, углекислый газ и кислород. Вода - энергичный растворитель горных пород и минералов. Разложение минералов водой усиливается с повышением температуры и насыщением ее углекислым газом, который придает воде кислую реакцию, что увеличивает разрушающее действие на минералы. На ход химического разложения минералов влияет и температура. Повышение ее на каждые 10 °С ускоряет течение химических реакций в 2-2,5 раза. Этим следует объяснить интенсивное химическое выветривание в экваториальных областях и замедленное - в полярных. Растворение горных пород водой, особенно содержащей С02 и другие вещества, широко распространено в природе. Так, при 25 °С в 1 л воды растворяется 0,0145 г кальцита (СаСО3), а при содержании в воде С02 растворимость его резко повышается из-за перехода СаС03 в бикарбонат:
CaC03 + С02 + Н2О = Са(НС03)2.
Повышается растворимость минералов в воде, содержащей соли, особенно хлористые.
Основная химическая реакция воды с минералами магматических пород это гидролиз, которая приводит к замене катионов щелочных и щелочноземельных элементов кристаллической решетки на ионы водорода диссоциированных молекул воды. Схематически эту реакцию для ортоклаза можно выразить так:
KAlSi308 + H20= HAlSi3O8 + KOH.
Образующееся основание (КОН) обусловливает щелочную реакцию раствора, при которой происходит дальнейшее разрушение кристаллической решетки ортоклаза.
КОН при наличии С02 переходит в форму карбоната:
2КОН + С02 = К2СО3 + Н20.
С деятельностью воды связана также гидратация-химический процесс присоединения частиц воды к частицам минералов, например:
2Fe203, + ЗН20 = 2Fe203 хЗН20.
гематит лимонит
Гидратация наблюдается и в более сложных по составу минералах - силикатах и алюмосиликатах. Она приводит к разрыхлению поверхности минералов, что обеспечивает в дальнейшем их взаимодействие с окружающим водным раствором, газами и другими факторами выветривания.
Окисление — реакция, широко распространенная в зоне выветривания. Окислению подвергаются многочисленные минералы, содержащие закисное железо или другие элементы, способные к окислению. Характерным примером окислительных реакций при выветривании может служить взаимодействие сульфидов с молекулярным кислородом в водной среде. Так, при окислении пирита наряду с сульфатами и гидратами окисей железа образуется серная кислота, участвующая в создании новых минералов;
2FeS2 + 702 + 2Н20 = 2FeS04 + 2H2S04;
12FeS04 + 6Н20 + 302 = 4Fe2(S04)3 + 4Fe(OH)3;
2Fe2(S04)3+9H20 = 2Fe203 • 3H20 + 6H2S04.
В процессе окисления изменяется первоначальная окраска горных пород, появляются желтые, бурые, красные тона. Сильно окисленные породы обычно приобретают землистое пористое строение (например, ферраллитная кора выветривания).
В результате химического выветривания изменяется физическое состояние минералов и разрушается их кристаллическая решетка. Порода обогащается новыми (вторичными) минералами и приобретает связность, влагоемкость, поглотительную способность и другие свойства.
Биологическое выветривание — механическое разрушение и химическое изменение горных пород и минералов под действием организмов и продуктов их жизнедеятельности. В разрушении горных пород в поверхностных слоях земли активно участвуют живые организмы; нет чисто абиотических (безжизненных) механических и химических процессов выветривания. При биологическом выветривании организмы извлекают из породы необходимые для построения своего тела минеральные вещества и аккумулируют их в поверхностных горизонтах породы, создавая условия для формирования почв. С поселением организмов на горной породе ее выветривание значительно усиливается. Корни растений и микроорганизмы выделяют во внешнюю среду углекислый газ и различные кислоты (щавелевую, яблочную, янтарную и др.), которые оказывают разрушающее действие на минералы. Бактерии нитрификаторы образуют азотную кислоту, серобактерии и тионовые бактерии — серную. Эти кислоты растворяют многие минеральные соединения и усиливают процесс выветривания. Доказано, что диатомовые водоросли, строя свой панцирь из кремнезема, способны разлагать алюмосиликаты. Слизистые выделения силикатных бактерий, близких к роду Meghatherium, могут разрушать полевые шпаты. Грибы рода Penicillium выделяют вещество, которое разрушает первичные минералы.
Значительное участие в биологическом выветривании массивных пород принимают лишайники, выделяя углекислоту и специфические кислоты. Лишайники разрушают породы как химически, так и механически, в результате проникновеиия гиф по плоскостям спайности внутрь зерен первичных минералов. Животные, как и растения, механически разрыхляют горные породы и своими выделениями способствуют их изменению.
Характер разрушения при выветривании зависит от условий среды, в которой оно протекает, от минералогического состава пород, в частности от содержания Si02. Последнее может отразиться на составе продуктов выветривания. Так, при выветривании кислых пород образуются преимущественно пески и супеси, средних пород - суглинки и основных - тяжелые суглинки и глины.
Разные породы и минералы обладают неодинаковой устойчивостью к процессам выветривания. Наиболее устойчивы метаморфические породы (например, кварциты), менее устойчивы осадочные. Больше всего подвержены выветриванию вулканические пеплы, отличающиеся высокой пористостью и содержанием минералов, легко поддающихся выветриванию (слюды и др.). Из минералов наиболее устойчив к выветриванию кварц. Поэтому он накапливается в коре выветривания. Менее устойчивы к выветриванию минералы, в состав которых входят закисные формы железа. Промежуточное положение занимают полевые шпаты. При выветривании наряду с разрушением первичных минералов образуются и вторичные минералы. Большое значение в развитии процессов выветривания имеют концентрация и солевой состав растворов, реакция среды (величина pH), окислительно-восстановительные условия и т. д. Процессы выветривания в значительной степени обусловлены климатом. Интенсивность выветривания определяется главным образом температурой и количеством осадков. В условиях засушливого климата растворимые продукты выветривания накапливаются, в условиях влажного климата выщелачиваются. Поэтому на земном шаре образуются разные типы коры выветривания, отличающиеся по минералогическому составу.
Различают два основных типа коры выветривания: сиаллитную, распространенную в регионах с умеренно влажным климатом, для нее характерно образование глинистых минералов, преимущественно монтмориллонитовой группы, и гидрослюд, сохранение наиболее устойчивых первичных минералов; аллитную, формирующуюся в условиях влажного субтропического и тропи ческого климата, для которой характерно господство вторичных минералов группы гидроокисей железа и алюминия, почти полное разрушение первичных минералов (кроме кварца), вынос оснований и кремнезема; в составе глинистых минералов преобладают каолинит или галлуазит.
Совокупность остаточных продуктов выветривания различных по составу элювиальных образований в верхнем слое литосферы называется остаточной (элювиальной) корой выветривания. Перемещенные водой, ветром, льдом продукты выветривания формируют аккумулятивные (переотложенные) коры выветривания.
В профиле зрелых почв процессы химического и биологического разрушения горных пород и слагающих их минералов развиваются преимущественно под воздействием процесса почвообразования, и их уже следует рассматривать как проявление почвенных микропроцессов. В этом случае о выветривании можно говорить лишь условно.
Дата: 2019-05-28, просмотров: 1092.
