После освоения природной почвы под культуру сельскохозяйственных растений ее плодородие изменяется в зависимости от интенсивности мероприятий по окультуриванию почвы. На первой, начальной стадии окультуривания целинной почвы культурный процесс почвообразования выражен слабо и может затрагивать не все почвенные процессы и свойства, совокупность которых определяет плодородие почвы. В этот период в почве преобладает еще не культурный, а природный процесс почвообразования, который в основном определяет свойства и плодородие вновь освоенной почвы. Такие почвы относятся к типу почв природного почвообразования, но выделяются как слабоокультуренные (освоенные). Дальнейшее развитие почвы зависит от того, как ее используют, и ее эволюция может идти в противоположных направлениях: в сторону развития культурного процесса почвообразования и повышения плодородия почвы или, наоборот, в сторону деградации почвы и снижения ее плодородия.

На почву при возделывании культурных растений, не считая коренных мелиорации, всегда воздействуют три основных и непременных фактора — механическая обработка почвы, удобрения и сами культурные растения. Они создают возможно более благоприятный водно-воздушный и пищевой режимы на период роста растений. Вместе с этим каждый из этих факторов оказывает на почву и негативное влияние. Механическая обработка способствует разрушению структуры и минерализации гумуса, с урожаями из почвы выносятся элементы питания, внесение кислых минеральных удобрений может усилить токсикоз почвы и т. п.

В условиях культурного земледелия, когда учитываются и предупреждаются все негативные стороны воздействия на почву указанных факторов — возмещаются вынос элементов питания и потери гумуса, принимаются меры по оструктуриванию почв, проводится известкование кислых почв и другие мероприятия по окультуриванию почвы, — стадия слабой окультуренности вновь освоенных почв может быть очень кратковременной, а эффективное плодородие почвы прогрессивно повышается.

В условиях экстенсивного земледелия имеют место случаи, когда почва используется для получения урожаев без соблюдения всех мер по предупреждению и устранению воздействия отрицательных сторон технологии возделывания культур на свойства почвы; стадия слабой окультуренности и низкого уровня плодородия почвы может надолго затянуться во времени и привести к деградации почвы и ее плодородия. У таких деградированных («выпаханных») почв все благоприятные для культурных растений свойства почвы, сформированные природными факторами почвообразования, становятся хуже, чем они были до освоения целинной почвы.

После освоения целинной почвы ее структура, созданная в течение очень длительного времени формирования природной почвы при большом участии почвенной фауны, постепенно разрушается и вместе с тем в пахотном слое происходит образование новой, комковатой структуры, свойственной хорошо окультуренным почвам. В разрушении и образовании структурных агрегатов большую роль играют механическая обработка почвы и процессы минерализации органического вещества, скрепляющего агрегаты. Сильно разрушает структуру обработка сухой почвы.  Однако если обрабатывают «спелую» почву после дождей или весной при влажности, соответствующей «оптимальной влажности структурообразования» (около 60% НВ), то механическая обработка почвы не разрушает, а, наоборот, образует структурные агрегаты путем крошения глыб и агрегирования пылеватых частиц. У распыленных и природно малоструктурных почв структура, образованная в результате механической обработки оптимально влажной почвы, является основным фактором создания благоприятного для культурных растений сложения пахотного слоя на весь период их вегетации.

В условиях осенне-зимнего переувлажнения почвы ее структура разрушается механически при расширении объема замерзающей воды в порах почвы. Очень сильное разрушение структуры и уплотнение почвы происходит под влиянием давления на почву сельскохозяйственных машин.

Разрушение структуры приводит к усилению водной эрозии, тем более, что на пахотных угодьях при возделывании однолетних (особенно пропашных) культур почвы длительное время находятся без растительного покрова. В результате смыва почвы ее плодородие, как и при сильном уплотнении, значительно снижается.

В образовании структурных агрегатов и придании им прочности и пористости большое значение имеют гумусовые вещества, особенно гуматы кальция, мицелий микроскопических грибов и актериальные слизи. Исключительно важную роль в образовании структуры играют растения, особенно многолетние травы. Их корни расчленяют уплотняющуюся почву на агрегаты и скрепляют их сетью мелких корешков, продуктами гумификации прижизненного корнепада и органических корневых выделений.

На фоне удобрений при хорошем росте растений и увеличении численности микроорганизмов их оструктуривающая роль увеличивается (табл. 56).

Чем большее время почва находится под покровом возделываемых растений, особенно трав, тем лучше ее структура и выше ее противоэрозионная стойкость.

В условиях достаточного увлажнения и на поливных землях структура пахотных почв может быть улучшена органическими удобрениями и химическими препаратами — структураторами.

В первые годы освоения целины усиленно минерализуется органический детрит, накопленный за длительный период формирования природной почвы, а затем, в процессе земледельческого ее использования, минерализуется и часть специфических гумусовых веществ. Скорость их минерализации зависит от климатических условий и системы обработки почвы, которая в значительной мере определяет водно-воздушный и тепловой режимы ее пахотного слоя. Ежегодно в зависимости от условий минерализуется от 1—2 до 3 т/га гумуса, что приводит к ухудшению свойств почвы и снижению ее плодородия. Для поддержания положительного гумусового баланса и улучшения гумусового состояния почвы его потери должны постоянно возмещаться внесением органических удобрений и за счет увеличения поступления в почву растительных остатков, путем посева сидеральных и промежуточных культур.

Еще при жизни растений в процессе их роста в почву поступает много органического вещества прижизненного корнепада и корневых выделений, а также микробной массы постоянно отмирающих популяций ризосферных микроорганизмов. Поэтому под покровом живых растений наблюдается образование подвижных гумусовых веществ. Многолетние травы, сидеральные и промежуточные культуры не только дают много растительных остатков, поступающих в почву после их уборки, но и обогащают почву органическим веществом в процессе роста.

С урожаями культурных растений из почвы выносится много элементов питания и тем больше, чем выше урожай. Кроме того, большое количество элементов питания теряется в результате вымывания осадками, выделения летучих форм азота в атмосферу, за счет эрозии почвы. Истощение запаса элементов минерального питания растений, особенно в формах соединений, которые могут служить в качестве ближних резервов элементов питания, приводит к снижению плодородия почвы. Для поддержания уровня плодородия почвы и его повышения отчуждение элементов питания с урожаями необходимо возмещать удобрениями. Следует при этом подчеркнуть, что увеличение потребления элементов питания растущими урожаями, при условии возмещения их выноса удобрениями, нужно рассматривать как фактор постоянного повышения плодородия почвы. С ростом урожаев в биологический круговорот вовлекается все больше зольных элементов из нижних горизонтов почвы, углерода и азота атмосферы в процессе несимбиотической, а под бобовыми растениями и симбиотической азотфиксации. В этом отношении посев промежуточных культур и получение в год двух урожаев на одном поле является одним из приемов расширенного воспроизводства плодородия почвы.

Кроме истощения запасов элементов питания растений, деградация пахотных почв и их плодородия бывают связаны с неправильным, часто односторонним использованием минеральных удобрений. Длительное систематическое применение неусредненных кислых минеральных удобрений даже на почвах, насыщенных основаниями, таких, как чернозем, подкисляет почву, приводит к замене обменного кальция на водородный ион, уменьшает емкость поглощения и отрицательно сказывается на биологических свойствах почвы и ее структуре. На слабоокультуренных подзолистых почвах сильное ухудшение их свойств наблюдается уже в первые годы после внесения средних доз кислых минеральных удобрений. В результате этого прибавки урожаев от удобрений с каждым годом уменьшаются и со временем урожаи культур по фону удобрений становятся ниже, чем на контроле без удобрений. Известны случаи на легких малобуферных почвах, где применение кислых форм минеральных удобрений в течение 10 лет привело к полному выпадению посевов и образованию «мертвых» пятен. Обязательное внесение извести является средством предупреждения этой антропогенной кислотности. На известкованной и хорошо окультуренной почве отрицательное действие минеральных удобрений не проявляется и они повышают урожай культур. Их эффективность повышается при совместном внесении с органическими удобрениями.

Деградация и снижение плодородия слабоокультуренных почв часто связаны с развитием биогенной токсичности почвы, т. е. при монокультуре накоплением в ней веществ, токсичных для культурных растений. Накапливаются в почвах также минеральные токсичные подвижные соединения марганца и оксида железа (II) (в кислых почвах), сероводород и метан в переувлажненных, богатых органическим веществом почвах, токсичные соли при неправильном режиме орошения.

В почвах слабоокультуренных и кислых, особенно при внесении кислых минеральных удобрений, увеличивается численность и активность токсичных бактерий и грибов, которые резко отрицательно влияют на всхожесть семян, рост и урожай культурных растений. Усиливается при этом и токсическое влияние соединений ртути, цинка, хрома индустриального происхождения.

Каждая культура оставляет после себя почву с измененными ею свойствами. Эти изменения могут быть незначительными, но культуры последующих посевов на них очень чутко реагируют и даже при благоприятных условиях возделывания могут снижать урожай. Потерю или сильное снижение плодородия почвы при повторном или с небольшим перерывом выращивании некоторых культур называют почвоутомлением. К таким почвоутомляющим культурам относятся лен, клевер, люцерна, сахарная свекла. Есть культуры самосовместимые, например рожь, кукуруза, фасоль, которые можно выращивать на одном поле в течение нескольких лет без снижения урожаев.

Причины почвоутомления могут быть разные — односторонний вынос и недостаток элементов питания, в том числе отдельных микроэлементов, сопутствующая сорная растительность и др.

Но главные из них — это развитие фотопатогенной микрофлоры, микроорганизмов, выделяющих токсические вещества, а также токсины (колины), выделяемые самими растениями. Они действуют на растения непосредственно (непосредственная аллелопатия) или косвенно (косвенная аллелопатия), стимулируя развитие токсичных микроорганизмов. Корни льна, например, выделяют в почву токсичные ароматические вещества, корни люцерны — алкалоиды, которые являются, в частности, причиной снижения урожаев хлопчатника первого года по пласту 4-летней люцерны.

Основными мерами борьбы с токсикозом почвы и с почвоутомлением являются обязательный плодосменный севооборот, известкование кислых почв и внесение органических удобрений, в том числе зеленых, которые оказывают большое влияние на стимулирование полезных и подавление токсичных микроорганизмов в почве.

Таким образом, приемы возделывания культурных растений наряду с созданием благоприятных условий для роста растений и урожая могут усиливать процессы, которые приводят к ухудшению свойств почвы, снижению ее плодородия и застою урожаев (при монокультуре).

В условиях интенсивного земледелия, где учитываются и предупреждаются негативные стороны влияния технологии возделывания культур на почву и осуществляется весь комплекс мероприятий по окультуриванию почвы, в ней развивается культурный процесс почвообразования, а свойства почвы улучшаются и повышается ее плодородие.

Свойства почв разных природных зон различны и, соответственно, различны системы мер по их окультуриванию. Кроме общих для всех почв мероприятий по созданию мощного структурного пахотного слоя и возмещению потерь гумуса и элементов питания, в системе мер по окультуриванию подзолистых и серых лесных почв важное значение имеют известкование, постепенное уничтожение подзолистого горизонта, борьба с сезонным переувлажнением почвы; для черноземов — мероприятия по сохранению запасов гумуса и накоплению влаги; для солонцеватых почв сухих степей, кроме того, — замена обменного натрия на кальций.

В процессе интенсивного окультуривания почв изменяется отчасти и значение природных факторов почвообразования. Например, снегозадержание, регулирование стока воды приемами вспашки, террасирования, осушение и орошение меняют значение климата и рельефа в формировании водного и теплового режима почв; известкование, гипсование, внесение песка или глины влияют на роль в формировании свойств почвы такого, казалось бы, незыблемого фактора, как материнская порода.

Однако, несмотря на эти изменения роли факторов почвообразования, они не утрачивают своего значения и придают культурным почвам особые, зональные черты. При ослаблении или прекращении мероприятий по окультуриванию почвы, они могут усилить развитие в почве тех опасных процессов, которые формируют неблагоприятные для культурных растений свойства почвы.

Поэтому мероприятия по окультуриванию и охране почвы должны начинаться с момента освоения целины и продолжаться непрерывно из ротации в ротацию.

ПОЧВООБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ПРОЦЕСС

 Общая схема почвообразования

Почвообразовательный процесс, или почвообразование, — это сложный природный процесс образования почв из слагающих земную поверхность горных пород под воздействием комплекса факторов почвообразования.  

Почвообразование начинается с момента поселения живых организмов на скальных породах или на продуктах их выветривания и переотложения. На первых стадиях процесса на скальных горных породах, первичный почвообразовательный процесс по существу совпадает с выветриванием, и формирующаяся на плотной скальной породе почва физически совмещена с корой выветривания. В дальнейшем на более зрелых стадиях развития земной поверхности выветривание и почвообразование разделяются в пространстве и времени. Почва формируется лишь в самой верхней зоне коры выветривания горных пород.

Разделение процессов выветривания и почвообразования и, соответственно, коры выветривания и почвы как разных природных тел имеет принципиальное значение. И хотя факторы (агенты и условия) выветривания и почвообразования одни и те же и протекают эти процессы в одних и тех же термодинамических условиях земной поверхности конечные результаты, т.е. продукты этих процессов разные. Кора выветривания горных пород — это продукт их разрушения, трансформации минеральных компонентов, сортировки и переотложения.  

Почва — это результат новообразования специфического биокосного природного тела, отличающегося от коры выветривания наличием гумуса, морфологическим строением, иерархической структурой, глобальными функциями.

В процессе выветривания, транспортировки и переотложения горные породы приобретают ряд новых свойств, уже отличающих их от исходных пород.  1) из плотных, массивных образований они становятся рыхлыми. 2) приобретают порозность, а вместе с нею воздухоемкость и воздухопроницаемость, влагоемкость и водопроницаемость; 3) помимо первичных породообразующих минералов появляются вторичные минералы, в том числе глинистые минералы предколлоидного и коллоидного размера, обладающие обменной поглотительной способностью; 4) идет дифференциация по  гранулометрическому, минералогическому и химическому составу; 5) появляются химические элементы, как биофильные, так и токсичные, в форме доступных живым организмам соединений; 6) и, наконец, они приобретают  литологическую слоистость, формирующуюся в процессе выветривания, перемещения и переотложения материала.

Таким образом, уже в процессе выветривания горные породы приобретают ряд свойств, существенных для формирующихся из них почв. В процессе почвообразования, накладывающегося на выветривание или следующего за ним, эти свойства получают дальнейшее развитие, трансформируясь в почвенные свойства.

Стадийность почвообразования

В процессе почвообразования каждая почва проходит ряд последовательных стадий, направление, длительность и интенсивность которых определяются конкретным комплексом факторов почвообразования в каждой точке земной поверхности. Стадия начального почвообразования (на скальных горных породах она носит название первичного почвообразования). Стадия развития почвы и стадия равновесия — климаксное состояние почвы. Материал уже рассматривался в начале лекционного курса.

Вынос и аккумуляция при почвообразовании

Почвообразование в определенном смысле можно рассматривать как соотношение процессов выноса и аккумуляции, причем выносу из охваченной почвообразованием толщи подвергаются одни вещества, а аккумуляции — другие. Выделяют абсолютную аккумуляцию веществ и относительную.

Абсолютная аккумуляция веществ при почвообразовании —это поступление веществ в почвообразующую породу из атмосферы или гидросферы и накопление их в формирующейся почве. Таким путем в почвах накапливаются углерод в результате фотосинтеза идет создание биомассы, затем идет отмирание биомассы, процессы разложения, гумификации приводят к гумусонакоплению, Накопление азота происходит в результате следующих процессов: азотфиксация, потребление организмами, отмирание биомассы, нитрификация, аммонификация. Появление в почвах водорастворимых солей (гипса, извести, соединений железа, кремнезема) происходит, преимущественно из грунтовых вод, особенно при выпотном режиме.

Относительная аккумуляция веществ при почвообразовании — это остаточное накопление в результате выноса каких-то других веществ. Например, в результате выноса из выветривающейся породы соединений щелочных и щелочно-земельных металлов в ней относительно увеличивается содержание кремнезема и полуторных оксидов; вынос щелочей, щелочных земель и кремнезема может относительно обогатить почву оксидами алюминия и т. д. Относительная аккумуляция веществ — это всегда следствие элювиального процесса, под которым понимается процесс нисходящего передвижения веществ в почве при промывном режиме и частичного или полного выноса в нижележащую толщу или за ее пределы ряда соединений, особенно солей щелочей и щелочно-земельных металлов; элювиированию могут также подвергаться соединения железа, алюминия, марганца, фосфора, серы и в некоторых случаях кремния (при аллитизации). Элювиированию (партлювации) могут подвергаться и тонкодисперсные минералы. Вынос и аккумуляция веществ при почвообразовании являются следствием взаимодействия малого биологического и большого геологического круговоротов веществ на земной поверхности, которое развивается противоречиво и неоднозначно в разных природных условиях. Результатом биологического круговорота веществ является, прежде всего, биологическая аккумуляция в почвах углерода, азота и ряда других биофилов. Результатом геологического круговорота может быть как обеднение почвы теми или иными элементами (элювиальный процесс), так и обогащение (засоление, корообразование). Биологический круговорот веществ вырывает часть элементов на какой-то период из их геологического круговорота, вовлекая их в биологические циклы, а почва служит при этом промежуточным резервуаром благодаря своим особым свойствам, предохраняя биофилы от выноса.

Вследствие этого почвообразование в целом часто определяют как сложный процесс взаимодействия малого биологического и большого геологического круговоротов веществ, а также потоков энергии в пределах коры выветривания горных пород, ведущий к образованию почвы, ее развитию и эволюции. Почвообразовательный процесс — это совокупность явлений превращений и перемещений вещества и энергии в пределах педосферы Земли.

Противоположные явления при почвообразовании

Описанное взаимодействием биологического и геологического круговоротов веществ проявляется через серию противоположно направленных процессов и противоречивых явлений, из которых складывается почвообразование. К ним относятся: 1) разрушение первичных и вторичных минералов — синтез новых минералов; 2) биологическая аккумуляция элементов в почве — потребление элементов организмами из почвы; 3) гидрогенная аккумуляция элементов в почве — геохимический вынос элементов из почвы; 4) разложение органических соединений — синтез новых органических соединений; 5) поглощение ионов из раствора твердой фазой — переход ионов из твердой фазы в раствор; 6) растворение веществ — осаждение веществ; 7) пептизация коллоидов —коагуляция коллоидов; 8) нисходящее движение растворов —восходящее движение растворов; 9) увлажнение — высыхание; 10) набухание — усадка; 11) нагревание — охлаждение; 12) окисление— восстановление; 13) азотфиксация — денитрификация.

Многие из указанных противоположных процессов носят циклический характер, связанный с общей цикличностью природных явлений. Можно выделять суточные, сезонные, годовые, многолетние, вековые циклы почвообразования, формирующие режимы почвообразования, специфичные для каждого типа почвы.

Перечисленные противоположные процессы, из которых складывается почвообразование, А. А. Роде назвал общими почвообразовательными процессами, поскольку они имеют место во всех почвах, хотя и в разном качественном и количественном проявлении, в разнообразных сочетаниях.

А вот специфические проявления этих общих процессов в зависимости от специфики факторов и условий почвообразования А А. Роде назвал частными почвообразовательными процессами. К ним относятся  относятся такие процессы, как гумусообразование или торфообразование, засоление или рассоление, синтез каолинита или монтмориллонита и т. д.

Кроме того, А. А. Роде разделил все почвообразовательные процессы на макропроцессы, охватывающие весь почвенный профиль в целом, и микропроцессы, минеральные и органические преобразования в пределах изолированных участков почвенного профиля.

Разделение почвообразовательных процессов на общие и частные, макро- и микропроцессы полезно в анализе почвообразования в целом, а также в анализе генезиса почв.