Факторы почвообразования

Под факторами почвообразования понимают элементы природной среды, под влиянием которых образуются почвы.

Основоположник почвоведения В.В. Докучаев заложил начало учения о факторах почвообразования. Он первым установил, что формирование почвы тесно связано с физико-географической средой.

В.В. Докучаев выделил пять факторов почвообразования – климат, почвообразующие породы, живые и отмершие организмы, возраст и рельеф местности. В современном почвоведении к перечисленным факторам добавляют хозяйственную деятельность человека, грунтовые воды. При изучении почв важно учитывать взаимные связи и влияние всех факторов почвообразования.

Функциональную зависимость почвы от факторов почвообразования можно показать схематичной формулой:

где f – функция; К – климат; П – порода; О – организмы; Р – рельеф;
ХД – хозяйственная деятельность; ГВ – грунтовые воды; t – время.

Функциональная зависимость между почвой и факторами почвообразования настолько сложна, что решение вышеприведенной формулы пока не представляется возможным. Однако В.В. Докучаев указывал, что затруднения эти временные и есть все основания ожидать, что сложные зависимости между почвой и факторами, ее образующими, будут найдены. В настоящее время основанием для такого заключения являются, во-первых, нарастающие темпы получения количественных (цифровых) данных о свойствах почв в различных условиях и, во-вторых, широкая компьютеризация и использование математических методов изучения массовых цифровых данных.

Почвообразующие породы

Почвообразующие породы. Горные породы, на которых формируются почвы, называют почвообразующими или материнскими. Самыми распространенными являются рыхлые осадочные породы. Имеют плейстоценовый (четвертичный) возраст. Покрывают 90 % территории внетропической части северного полушария. Осадочные породы отличаются рыхлым сложением, пористостью, водопроницаемостью и другими благоприятными для почвообразования свойствами. Мощность их может достигать больше сотни метров.

Встречаются следующие генетические типы осадочных пород: элювиальные, делювиальные, аллювиальные, моренные, водно-ледниковые, озерно-ледниковые, эоловые и др.

Материнская порода является материальной основой, субстратом, на котором формируется почва. Почва в значительной мере наследует от исходной породы ее гранулометрический, минералогический, химический состав и свойства. Однако почвообразующая порода не есть скелет почвы, инертный к развивающимся в ней процессам. Она состоит из разнообразных минеральных компонентов, различным образом участвующих в процессе почвообразования. Среди них имеются частицы, практически инертные к химическим процессам, но играющие важную роль в образовании физических свойств почвы. Другие составные части почвообразующих пород легко разрушаются и обогащают почву определенными химическими элементами, таким образом, состав и строение почвообразующих пород оказывает чрезвычайно сильное влияние на процесс почвообразования.

Так, например, в условиях хвойно-лиственных (смешанных) лесов обычно формируются дерново-подзолистые почвы. Однако, когда в пределах лесной зоны почвообразующие породы содержат повышенное количество карбонатов кальция, то образуются почвы, резко отличающиеся от дерново-подзолистых. Но в ландшафтах, где расположены лёссовидные отложения, содержащие повышенное количество карбонатов кальция, формируются своеобразные дерново-карбонатные почвы, резко отличающиеся внешним видом и свойствами от дерново-подзолистых почв. Таким образом, существенное значение имеет карбонатность породы, на которых могут образовываться почвы с хорошими физико-химическими свойствами. Лучшими почвообразующими породами являются лессы и лессовидные суглинки, а также карбонатные породы – на них образуются относительно плодородные почвы.

Рельеф принадлежит к числу важнейших факторов почвообразования. Влияет на почвообразование главным образом косвенно, перераспределяя воду, тепло и твердые частицы почвы. Влияние рельефа сказывается главным образом на перераспределении тепла и воды, которые поступают на поверхность суши. Значительное изменение высоты местности влечет за собой существенное изменение температурных условий, сравнительно незначительное изменение высоты сказывается на перераспределении атмосферных осадков, экспозиция склона имеет большое значение для перераспределения солнечной энергии, определяет степень воздействия на почву грунтовых вод.

Роль и значение макро-, мезо- и микрорельефа заметно отличается. С формами макрорельефа (равнины, горы, низины) может быть связано изменение количества осадков по мере распространения воздушных масс, приносящих их. Это создает условия для постепенной смены типов растительности, а значит, и почв. В горах при изменении высоты местности изменяется температура воздуха, характер увлажнения, что и обусловливает вертикальную зональность климата, растительности и почв.

Элементы мезорельефа (холмы, гряды, водоразделы, овраги) перераспределяют солнечную энергию и атмосферные осадки на ограниченной территории. На равнинных участках рельефа почти все атмосферные осадки воспринимаются почвой; склоны из-за стока теряют воду, а в понижениях она может излишне накапливаться, вызывая заболачивание.

Существенно различие в инсоляции южных и северных склонов – до 10°С, что отражается на водном режиме и характере растительности.

Отрицательные и положительные элементы рельефа, рядом находящиеся, имеют, как правило, разный водно-воздушный и пищевой режим, неодинаковую реакцию (рН).

Поверхностный и внутренний сток вызывает направленную миграцию твердых частиц (растворенных веществ) – устанавливается обмен веществ между формами мезо- и микрорельефа. В итоге мощность гумусового горизонта на склоне может в 2–3 раза меньше, чем в понижении. Сильный сток воды с крутых склонов вызывает эрозию почв, создает тяжелые условия для поселения растений.

Формы микрорельефа (мелкие западины, кочки, пригорки) содействуют возникновению отличий в среде обитания растений, формированию микроструктуры растительного покрова и большого разнообразия почвенных сочетаний и комплексов.

В зависимости от положения в рельефе и степени увлажнения различают автоморфные (почвы водоразделов, склонов), полугидроморфные (заболачиваемые) и гидроморфные почвы. Последние две группы (ряды) почв находятся в сопряженной зависимости от автоморфных почв, то есть почвы понижений испытывают воздействие поверхностных и грунтовых вод, обогащенных химическими элементами и соединениями, извлеченными из почв выше расположенных участков. Геохимическая зависимость полу- и гидроморфных почв от автоморфных называется геохимическим сопряжением.

Геохимическая связь в условиях мезорельефа имеет одностороннюю направленность.

В условиях микрорельефа эта связь имеет двухстороннюю направленность – химические элементы, мигрирующие с поверхностным стоком в микрозападины, обогащает их. Но иссушение микроповышений вызывает капиллярное подтягивание почвенных вод из понижений – некоторая часть элементов тоже подтягивается.

Климат. Большое влияние на развитие почвообразовательных процессов оказывает климат. С ним связано обеспечение почвы энергией (теплом) и водой. Именно они определяют гидротермический режим почвы.

От годового количества поступающего тепла и влаги, особенностей их суточного и сезонного распределения зависит развитие почвообразовательного процесса. Водный и тепловой режимы почвы непосредственно влияют на развитие и разнообразие организмов, величину их биомассы, на скорость и характер разложения органических веществ, на образование гумуса, разрушение минеральной части почвы. Так, в условиях сухого горячего климата большого количества гумуса в почве не накапливается – образуется небольшое количество опада, органическое вещество его быстро минерализуется. В засушливых районах в период отсутствия осадков наблюдается замедление биологических и физико-химических процессов. Иная картина наблюдается в условиях холодного, бореального климата – здесь идет замедленное разложение опада и может образовываться даже торф. Наличие морозного периода обусловливает промерзание почвы, прекращение биологических и резкую подавленность физико-химических процессов.

Гидротермический режим также обусловливает скорость и направленность процессов перемещения водорастворимых солей по профилю. Так, в условиях умеренно холодного влажного климата происходит значительный вынос органических и минеральных соединений в нижнюю часть почвенного профиля или в грунтовые воды. По-иному идут процессы перемещения солей в условиях горячего сухого климата – вода поднимается по капиллярам с нижних слоев, что может вызвать засоление почвы.

Движение воздушных масс (ветер) влияет на газообмен почвы и захватывает мелкие частицы почвы в виде пыли. Ветер вызывает процесс физического выветривания горных пород. Выдувает с поверхности почвы глинистые и пылеватые частицы, опесчанивает ее, обусловливает эрозию. Ветер может содействовать также засолению почв, занося соли с поверхности соленых водных бассейнов.
Климат оказывает влияние на почву не только непосредственно, но и косвенно, воздействуя на биологические процессы (распределение высших растений, интенсивность микробиологической деятельности).

Климатические условия земного шара закономерно изменяются от экватора к полюсам, а в горных странах – от подножия к вершине. В этом же направлении закономерное изменение испытывает состав растительности и животных. Взаимосвязанные изменения столь важных факторов почвообразования влияют на распространение основных типов почв. Следует подчеркнуть, что влияние элементов климата, так же как и всех других факторов почвообразования, проявляется лишь во взаимодействии с другими факторами. Так, например, в условиях высокогорной альпийской зоны количество осадков примерно такое же, как в условиях таежной зоны, однако одинаковое количество осадков в первом и во втором случаях не обусловливает одинаковый тип почв: в альпийской зоне развиты горно-луговые, а в таежной – подзолистые почвы, благодаря существенному различию многих факторов почвообразования.

Воды. Формирование почв происходит под влиянием поверхностных и грунтовых вод. Их роль сводится главным образом к перемещению взмученных веществ, растворенных соединений под влиянием гравитационных и капиллярных сил, гидролизу почвенных минералов; при застое воды развиваются глеевый и болотный процессы.

Определенное влияние на почвообразование оказывают почвенно-грунтовые воды. Вода является средой, в которой протекают многочисленные химические и биологические процессы в почве. Для большей части почв на междуречных пространствах основным источником воды служат атмосферные осадки. Однако там, где грунтовые воды расположены неглубоко, они оказывают сильное воздействие на почвообразование. Под их влиянием меняется водный и воздушный режимы почв. Грунтовые воды обогащают почвы химическими соединениями, которые в них содержатся, в отдельных случаях вызывают засоление. В переувлажненных почвах содержится недостаточное количество кислорода, что обусловливает подавление деятельности некоторых групп микроорганизмов. В результате воздействия грунтовых вод формируются особые почвы.

Биологический фактор. Является ведущим в процессе почвообразования. Его развитие стало возможно только после возникновения жизни. Без жизни не было бы почвы. Почвообразование на Земле началось только после появления жизни. Любая горная порода, как бы глубоко разложена и выветрена она ни была, еще не будет почвой. Только длительное взаимодействие материнских пород с растительными и животными организмами в определенных климатических условиях создает специфические качества, отличающие почву от горных пород.

В почвообразовании участвуют следующие группы организмов: микроорганизмы, зеленые растения и животные. Действуя совокупно, они образуют сложные биоценозы. Вместе с тем каждая из этих групп выполняет специфические функции.

Благодаря деятельности микроорганизмов происходит разложение органических остатков и синтез содержащихся в них элементов в соединения, поглощаемые растениями. К микроорганизмам относятся бактерии, актиномицеты, грибы, водоросли и простейшие. Их количество в 1 г почвы колеблется от миллионов до миллиардов особей. Масса микроорганизмов составляет от 3 до 8 т/га, или около 1–2 т/га сухого вещества. Особенно много микроорганизмов в верхних горизонтах почвы, в прикорневой зоне. Микроорганизмы – пионеры почвообразования, они первыми поселяются на материальной породе.

Бактерии – самая распространенная группа микроорганизмов в почве. Осуществляют разнообразные процессы преобразования органических и минеральных соединений. Благодаря их деятельности осуществляется грандиозный процесс переработки колоссального количества мертвого органического вещества, которое ежегодно поступает в почву. При этом происходит высвобождение химических элементов, которые были прочно связаны с органическим веществом.

Большое значение имеет деятельность гетеротрофов, которые обусловливают процесс аммонификации – разложение органического вещества с образованием аммонийных форм азота. Полезной является и нитрификация – деятельность автотрофных аэробных бактерий, окисляющих аммонийный азот сначала до азотистой, а потом до азотной кислоты. В результате этого растения получают такой необходимый им элемент питания, как азот. За один год деятельности нитрифицирующих бактерий может образоваться до 300 кг солей азотной кислоты на 1 га почвы.

Вместе с тем в почве с недостатком кислорода может происходить денитрификация – восстановление нитратов почвы до молекулярного азота, что ведет к потере его почвой.

Определенные группы бактерий способны поглощать молекулярный азот воздуха и переводить его в белковую форму. Этой способностью владеют свободноживущие в почве и клубеньковые бактерии, которые живут в симбиозе с бобовыми растениями. После смерти азотфиксирующих бактерий почва обогащается биологическим азотом – до 200 кг/га.

С помощью бактерий осуществляются процессы окисления различных веществ. Так, серобактерии окисляют сероводород до серной кислоты – в результате в почве за год накапливается до 200 кг/га сульфатов.

Большая группа железобактерий для поглощения углерода использует энергию окисления закисного железа.

Актиномицеты, или лучистые грибы, разлагают клетчатку, лигнин, перегнойные вещества почвы, участвуют в образовании гумуса.

Грибы. Содержание их измеряется десятками тысяч экземпляров в одном грамме почвы. Наиболее распространены плесневые грибы, а в лесных почвах – гриб-мукор. Грибы разлагают лигнин, клетчатку, белки, дубильные вещества. При этом образуются органические кислоты, способные преобразовать почвенные минералы. Часто грибы вступают в симбиоз с зелеными растениями, образуя при этом на корнях микоризу, улучшающую азотное питание растений.

Водоросли развиваются на поверхности почвы. Максимальное количество их наблюдается во влажные периоды. В лесных почвах преобладают диатомовые, сине-зеленые водоросли. Они обогащают почву органическим веществом, активно участвуют в выветривании горных пород.

Лишайники – сложное симбиотическое образование гриба и водоросли. Встречаются повсюду – на почве, на деревьях, голых скалах. Разрушают породы, воздействуя на них механически и химически. Органические остатки лишайников и минеральные зерна горной породы являются по существу примитивной почвой для поселения на ней высших организмов.

Высшие растения. Зеленым растениям принадлежит главная роль в почвообразовании. На суше ежегодно образуется 15•1010 т биомассы, синтезируемой зелеными растениями за счет фотосинтеза.

Биомасса – общее количество живого органического вещества растительного сообщества. Наибольшая биоомасса в лесных сообществах – 1–4 тыс. ц/га. Травянистые сообщества образуют меньшую биомассу. Луговые степи – 250 ц/га, сухие степи – 100 ц/га, пустыни – 43 ц/га. Часть биомассы в виде корневых остатков и наземного опада возвращается в почву. Ежегодно поступает в почву (опад, корни): таежный лес – 4–6 т/га, луговые степи – около 14 т/га, агрофитоценоз – 3–8 т/га. Растения в процессе своей жизнедеятельности синтезируют органическое вещество и определенным образом распределяют его в почве в виде корневой массы, а после отмирания надземной части – в виде растительного опада. Составные части опада после минерализации поступают в почву, способствуя накоплению перегноя и приобретению характерной темной окраски верхнего горизонта почвы. Кроме того, растения аккумулируют отдельные химические элементы, в небольшом количестве содержащиеся в почвообразующих породах, но необходимые для нормальной жизнедеятельности растений. После отмирания растений и разложения их остатков эти химические элементы остаются в почве, постепенно ее обогащая.

Вторая важная функция зеленых растений – концентрация зольных элементов и азота. До 95 % массы сухого вещества растений приходится на углерод, кислород, водород и азот. Кроме того, в растениях накапливаются так называемые зольные элементы (около 5 %) – кальций, магний, калий, натрий, сера, хлор и др. – около 70 химических элементов. Многие химические элементы накапливаются в почве (в составе органических веществ) за счет биогенной аккумуляции. Установлено, что бобовые растения в своем составе больше накапливают кальция, магния, азота; злаки – фосфора, кремнезема, т.е. имеет место избирательность в поглощении химических элементов.

Лесной опад хвойных пород, разлагаясь, образует много фульвокислот, что способствует развитию подзолистого процесса почвообразования. Под луговой травянистой растительностью развивается дерновый процесс почвообразования. Мхи выделяются высокой влагоемкостью и поэтому способствуют заболачиванию почв.

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 травянистой формации.

Животные организмы (насекомые, дождевые черви, мелкие позвоночные и др.), обитающие в почве, также участвуют в почвообразовании. Их в почве огромное количество. Их основная роль – преобразование органического вещества почвы. Важна и роющая деятельность почвенных животных.

Зоомасса на Земле меньше фитомассы и составляет несколько миллиардов тонн. Наибольшую зоомассу имеют широколиственные леса– 600–2000 кг/га, в тундре – 90 кг/га.

Дождевые черви – наиболее распространенная группа почвенных животных – на одном гектаре их тысячи – миллионы особей. Они составляют 90 % зоомассы в таежных и лиственных лесах. За год перерабатывают на 1 га 50–380 т почвы. При этом улучшается структура почвы, ее пористость, физические свойства. Ч. Дарвин установил, что в условиях Англии на каждом гектаре черви ежегодно пропускают через свой организм 20–26 т почвы. Ч. Дарвин считал, что почва есть результат деятельности животных, и даже рекомендовал ее именовать животным слоем.

Почвенные насекомые разрыхляют почву, перерабатывают растительные остатки, обогащают почву растительным веществом, элементами минерального питания.

Землерои (суслики, кроты, мыши и др.) перерывают почву, создают в почве норы, перемешивают почву, тем самым способствуют лучшей аэрации и быстрейшему развитию почвообразовательного процесса, а также обогащают органическую массу почвы продуктами своей жизнедеятельности, изменяют ее состав.

Совершенно особый фактор почвообразования – время. Все процессы, протекающие в почве, совершаются во времени. Чтобы сказалось влияние внешних условий, чтобы в соответствии с факторами почвообразования сформировалась почва, требуется определенное время. Так как географические условия не остаются постоянными, а меняются, то происходит эволюция почв во времени. Возраст почвы – продолжительность существования почвы во времени. Почвообразовательный процесс, как и всякий другой, протекает во времени. Каждый новый цикл почвообразования (сезонный, годовой, многолетний) вносит определенные изменения в преобразование минеральных и органических веществ в почве. Степень накопления веществ в почве или их вымывания может определяться продолжительностью этих процессов, Поэтому фактор времени («возраст страны», по В.В. Докучаеву) имеет определенное значение в формировании и развитии почв.

Исследованиями установлена продолжительность протекания отдельных процессов почвообразования. Так, определенный уровень накопления, гумуса в почве устанавливается из 100–600 лет. На молодых горных моренах, отложениях спущенных озер достаточно сформированная почва образуется за 100–300 лет.

Различают понятие абсолютного и относительного возраста почв. Абсолютный возраст – это время, которое прошло с начала формирования почвы до современной стадии ее развития. Он может колебаться от нескольких тысяч до миллиона лет.

Почвообразовательный процесс начался раньше на тех территориях, которые быстрее освободились от водного и ледникового покрова. Так, на территории Беларуси молодыми являются почвы ее северной части (в границах последнего валдайского (поозерского) оледенения) - их возраст около 10–12 тыс. лет; почвы южных территорий республики имеют более зрелый возраст. Вместе с тем в границах одной и той же территории, одного абсолютного возраста почвообразовательный процесс может идти с различной скоростью. Это обусловлено территориальной неоднородностью почвообразующей породы, рельефа и др. В итоге образуются почвы с разной степенью развитости почвенного профиля – их относительный возраст будет неодинаковым.
Для определения абсолютного возраста почв и органического вещества используют радиоактивный изотоп 14С и его соотношение с 12С. Период полураспада 14С составляет 5600 лет. Изотоп 12С стабильный. Зная радиоуглеродную активность гумуса, можно определить его возраст в пределах до 40–50 тыс. лет.

Хозяйственная деятельность человека – мощный фактор воздействия на почву, особенно в условиях возрастающей интенсификации сельского хозяйства. От всех остальных факторов резко отличается по своему влиянию на почву. Если влияние природных факторов на почву проявляется стихийно, то человек в процессе своей хозяйственной деятельности действует на почву направленно, изменяет ее в соответствии со своими потребностями. С развитием науки и техники, с развитием общественных отношений использование почвы и ее преобразование усиливаются.

Человек и его вооруженность мощными средствами воздействия на окружающую среду, в том числе и на почву (удобрения, машины, осушение, орошение, химизация и др.) существенно изменяют природные экологические системы.

Мелиорация земель, вырубка или посадка леса, создание искусственных водоемов – все это соответствующим образом воздействует на водный режим территории, а значит, и почв.

Внесение минеральных и органических удобрений, известкование кислых почв, торфование песчаных и пескование глинистых почв изменяет химический состав почв, их свойства. Механическая обработка почвы вызывает смену комплекса физических, химических и биологических свойств почвы.

Систематическое применение мероприятий по повышению плодородия почвы ведет к их окультуриванию.

Однако неправильная реализация тех или иных мероприятий, нерациональное использование почв может вызвать существенное их ухудшение – привести к заболачиванию, развитию эрозии, загрязнению почвенной среды, резкому ухудшению химических и физических свойств. Поэтому воздействие человека на почву должно быть научно обосновано; направленно на повышение ее плодородия, на формирование устойчивых высокопродуктивных агроэкосистем.

На протяжении последних десятилетий было установлено, что взаимодействие факторов почвообразования приводит в движение огромные массы вещества. В результате взаимодействия горных пород и живых организмов происходит закономерное перераспределение химических элементов, своеобразный обмен вещества. То же самое имеет место в системах живые организмы – атмосфера, горные породы – выпавшая атмосферная вода и т.п. В почве эти процессы миграции протекают особенно напряженно, так как в них участвуют одновременно все факторы почвообразования. Первоначально полагали, что движение химических элементов осуществляется в виде более или менее замкнутых кругооборотов. В дальнейшем выяснилось, что движение вещества в почве многообразно, но основное значение имеют незамкнутые циклы миграции. Процессы миграции, протекающие при почвообразовании, в свою очередь, входят в общепланетарные циклы, охватывающие всю биосферу.



Следовательно, можно заключить, что почва – это особое природное образование, где процессы цикличной миграции химических элементов на поверхности суши, обмена веществ между компонентами ландшафта достигают наивысшего напряжения. Одновременно с энергичным перераспределением вещества в почве активно трансформируется и аккумулируется солнечная энергия.