Сущность почвообразования

Связь почвы со средой осуществляется благодаря почвообразовательному процессу, постепенно превращающему исходные горные породы в самостоятельное естественно-историческое тело природы — почву. Впервые четкую формулировку его дал С. С. Неуструев: «Почвообразовательный процесс не только неоднороден в различных условиях, но сам представляет сложное явление, составляющееся из элементарных процессов, отдельных физико-химических явлений: та или иная степень и направление разложения минеральной основы и органического вещества; аэробный и анаэробный характер разложения; те или иные черты почвообразования; энергия и направление выщелачивания, растворение и переносы и т. д.».

По определению А. А. Роде, почвообразовательный процесс, или почвообразование, — это совокупность явлений превращения и передвижения веществ и энергии, протекающих в почвенной толще.

Следует отметить, что процесс почвообразования взаимосвязан с выветриванием горных пород под влиянием факторов внешней среды, в результате которого происходит их разрушение и химическое изменение, освобождение из кристаллической решетки элементов питания растений, преобразование в рыхлый субстрат. Почвообразование начинается с поселения на этих породах живых организмов.

Явления, из которых складывается почвообразовательный процесс, весьма разнообразны и имеют физическую, химическую и биологическую природу.

Первая характерная особенность почвообразования — синтез и распад органического вещества с накоплением энергетического материала. Так, корни растений, проникая в горные породы, извлекают из них фосфор, калий, кальций, магний, натрий, серу и другие элементы зольного питания. Вследствие биохимической деятельности микроорганизмов в породе появляется азот, потребляемый растениями. Таким образом, растения синтезируют органическое вещество из С0₂ атмосферы, воды и зольных элементов, безусловно, при использовании энергии Солнца. Элементы питания, аккумулированные в вегетативных органах растений, после отмирания последних вновь попадают в верхние слои породы, где разлагаются микроорганизмами, превращаясь в гумус — новые органические соединения. Постепенно со временем в поверхностных слоях породы происходит накопление органического вещества и концентрация зольных элементов. Породы переходят в новое качественное состояние — почвы, приобретая своеобразный состав, строение и свойства.

Вторая характерная особенность почвообразования — перемещение продуктов разложения и выветривания, при которых образуются различные растворимые и нерастворимые соединения. Первые вместе с коллоидными веществами в зависимости от степени растворимости вымываются атмосферными осадками на разную глубину по профилю. На месте образования остаются, накапливаясь постепенно, нерастворимые соединения.

Элементарные процессы, определяющиеся составом и жизнедеятельностью растительных и животных организмов, особенно почвообразующих пород, климата, рельефа, времени, в зависимости от физико-географических зон образуют почвообразовательные процессы, или типы почвообразования, понятие о которых было введено П. С. Коссовичем и развито В. Р. Вильямсом, К. Д. Глинкой, К. К. Гедройцем. Новые представления о почвообразовании изложены в трудах В. А. Ковды, А. А. Роде, И. П. Герасимова, М. А. Глазовской, И. С. Кауричева, С. В. Зонна, В. О. Таргульяна и др.

Типовые почвообразовательные процессы формируют определенные генетические группы, или типы, почв: подзолообразовательный (подзолистый), дерновый (гумусо-аккумулятивный), буроземообразовательный, болотный (гидроморфный), солонцовый, солончаковый, латеритный (ферраллитный). Эти процессы будут подробно рассмотрены в последующих главах при описании почв различных зон.

Элементарные (частные) почвообразовательные процессы (ЭПП) — сочетание взаимосвязанных физических, химических и биологических явлений, складывающихся при определенных внешних условиях и на определенных стадиях развития почвы. Они участвуют в образовании всех типов почв.

 И. П. Герасимов выделял три группы ЭПП, в которых ведущую роль играют:

превращение минеральной части почвенной массы (первичное почвообразование, оглинение, или сиалитизация, аллитизация, или латеризация);

превращение органической части почвенной массы (гумусонакопление, торфонакопление);

превращение и передвижение минеральных и органических продуктов почвообразования (засоление, рассоление, оглеение, выщелачивание, оподзоливание).

Первичное, или примитивное, почвообразование — первая ступень развития почвообразовательного процесса. Обычно прослеживается на выходах горных пород при участии низших организмов (микроорганизмов, лишайников, мхов).

Элементарные почвообразовательные процессы можно объединить в следующие группы:

физические (образование суспензий, почвенных растворов; перемещение растворов и суспензий под действием силы тяжести, осмоса, диффузии и т. д.; осадкообразование, адсорбция);

химические (химические реакции, связанные с действием воды, газов, кислот, солей, а также с действием гуминовых и фульвокислот); гумификация.

По А. А. Роде, к наиболее важным слагаемым почвообразовательного процесса относят процессы превращения минеральных соединений, гумификацию и минерализацию органических остатков, синтез органо-минеральных веществ, передвижение по профилю почвы с почвенным раствором минеральных, органических и органо-минеральных продуктов почвообразования. Элементарные почвообразовательные процессы занимают промежуточный уровень между микропроцессами и типовыми процессами.

Микропроцессы — наиболее простые и многочисленные явления и процессы в почвах, идущие на молекулярном, ионном, атомарном и подобных уровнях (нагревание, охлаждение, увлажнение, высыхание, поглощение питательных веществ растениями, пептизация и коагуляция почвенных коллоидов и т. д.).

В настоящее время выделена следующая система элементарных почвенных процессов:

метаморфизм органического вещества (поступление органических остатков, их трансформация, гумификация, минерализация органического вещества, комплексообразование и миграция продуктов гумификации, иммобилизация органо-минеральных соединений);

метаморфизм минерального вещества (дезинтеграция, то есть физическое дробление, физическое выветривание, гипсообразование, карбонатизация, брюнификация и рубефикация, глинообразование, трансформация глинистых минералов, разрушение глинистых силикатов, ферраллитизация);

переорганизация почвенной массы (оструктуривание, педотурбации);

оглеение почвенной массы;

миграция вещества (осолонцевание, рассолонцевание, солевая, кальциевая, кремниевая, Аl—Fe-гумусовая миграции, миграция твердого вещества);

сегрегация и цементация вещества (окислительная, кремниевая, гипсовая, солевая);

поступление вещества на поверхность почвы и его потери (принос и унос твердого вещества — эоловый, текучими водами, импульверизация солей, солифлюкация и др.; принос и унос растворенного вещества с флювиальными, морскими и озерными водами, атмосферными осадками и антропогенным путем; принос и сорбция в почвах газообразных веществ: вулканических — во время извержения вулканов, антропогенных — выхлопных или транспортных, промышленных и других газообразных веществ, являющихся продуктами хозяйственной деятельности человека).

Для ясности необходимо уточнить некоторую используемую терминологию.

Дезинтеграция минерального вещества — измельчение пород любого состава, их обломков, минералов без изменения минералогического и химического составов вследствие температурного, морозного и гидратационного выветриваний.

Брюнификация (оземление) — процесс образования глинисто-железисто-гумусовых комплексов и кристаллитов гётита и гидрогётита, пропитывающих глинистую фазу почвы, с появлением мелкозема бурой окраски.

Рубефикация — появление красных тонов окраски в связи с почвообразованием, из-за образования значительного количества тонкодисперсного гематита, пропитывающего глинистую фазу почвы или образующего пленки на поверхности песчаных частиц.

Ферраллитизация — конечная стадия выветривания горных пород, сопровождающаяся преобразованием почвообразующих минералов и алюмосиликатов, выносом продуктов их разрушения и преобразованием минералов группы каолинита, оксидов-гидроксидов железа и алюминия при высоких среднегодовых температурах и больших количествах осадков.

Оглинение, или глинообразование (силлитизация), — процессы образования глинистых минералов из первичных слоистых силикатов в кислых почвах при промывном водном режиме (подзолах, буроземах, подбурах и др.) или в результате синтеза из продуктов разрушения неслоистых силикатов и аморфных оксидов Fe, Аl и Si в основном в почвах, формирующихся на вулканических пеплах в условиях влажных субтропиков и тропиков. Глинообразование из первичных слоистых силикатов происходит вследствие реакций окисления, гидратации, замещения. Оно начинает развиваться при первичном почвообразовании, достигая максимума в полноразвитых почвах.

Трансформация органических остатков — процесс, складывающийся из физических (механическое измельчение и др.), химических (окисление, деструкция), фотохимических (окисление и разложение под воздействием солнечного света), биохимических (ферментативное расщепление биополимеров) реакций при участии микроорганизмов, различных видов мезофауны, гетеротрофной растительности. В результате этого процесса образуются промежуточные высокомолекулярные продукты разложения опада.

Гумификация — сложный биофизико-химический процесс трансформации промежуточных высокомолекулярных продуктов разложения органических остатков в особый класс органических соединений — гумусовых кислот. По Д. С. Орлову, гумификация — всеобщий процесс постмортального превращения органических остатков; он может протекать в почвах, природных водах, илах, торфах, при углеобразовании и образовании горючих сланцев, любых каустобиолитов; его нельзя ограничить только почвенной средой. Глубина гумификации в почвах определяется их биохимической активностью. На трансформацию органического вещества, интенсивность процессов гумификации большое влияние оказывают степень увлажнения, гранулометрический состав почв, климатические условия и другие факторы среды. В результате гумификации образуется гумус, то есть происходит гумусонакопление, которое часто называют дерновым процессом. При замедленной гумификации в анаэробных условиях происходит торфонакопление.

Минерализация органического вещества — комплекс физико-химических и биохимических окислительно-восстановительных микропроцессов, приводящих к полному разложению органических остатков и гумусовых веществ до оксидов и солей. В торфянистых почвах минерализация растительных остатков выражена слабо, а в тропиках автоморфные почвы минерализуются быстро. В степях опад минерализуется быстро, а гумусовые вещества устойчивы к минерализации и закрепляются в почвенном профиле.

Комплексообразование — процессы взаимодействия органических кислот гумусовой природы, образующихся при гумификации, и неспецифических соединений с минеральной частью почвы, приводящие к мобилизации продуктов гумификации за счет образования истинных солевых растворов щелочных и щелочноземельных металлов, растворов комплексных соединений. Миграционные процессы в почвах осуществляются под действием тяготения, осмотических явлений, диффузии, капиллярного перемещения растворов и др.

Иммобилизация органического вещества и органо-минеральных соединений — процессы, действующие на различных биогеохимических барьерах и приводящие к осаждению этих веществ из почвенных растворов и суспензий и их закреплению (например, надмерзлотное осаждение в тундрах, коагуляция в степных почвах при их иссушении, при изменении окислительно-восстановительных условий в пределах почвенного профиля, насыщенность почв Са и др.).

Оструктуривание — процесс образования агрегатов из отдельных механических элементов при одновременном действии механизмов консолидации почвенной массы и обособление отдельностей, в результате чего происходит дифференциация почвенных горизонтов на почвенные агрегаты, неагрегированную массу и межагрегатные пустоты в различных соотношениях.

Педотурбации — процессы механического передвижения почвенной массы под действием сил напряжения внутрипочвенного и внепочвенного генезиса. Например, нарушение строения почвенного профиля в результате: землетрясений, интенсивного сжатия почвы из-за сильного промерзания или иссушения с образованием вертикальных щелей или трещин, резких периодических смен увлажнения и иссушения, приводящих к смещению почвенной массы, росту кристаллов солей (сульфатные солончаки бессточных котловин Центральной и Западной Сахары), деятельности роющих и почвенных животных (кротов, сусликов, слепышей, термитов, жуков, дождевых червей и др.), корневого перемешивания и вывалов деревьев, сельскохозяйственной обработки земель, землекопных планировочных работ, корчевки деревьев.

Выщелачивание — вынос из почвы или ее отдельных горизонтов малорастворимых солей Са и Mg под действием нисходящего или бокового тока почвенного раствора с формированием горизонтов, бедных основаниями и их солями.

Огипсование — процесс образования вторичных аккумуляций гипса в форме новообразований, горизонта или коры.

Окарбоначивание — процесс аккумуляции (иллювиальной, грунтово-водной) солей Са и Mg в почвенном профиле в форме новообразований — налетов, выцветов, псевдомицелия, прожилок, белоглазки, журавчиков, дутиков, куколок, прослоев, кор, панцирей, плит.

Десиликация — процесс выноса кремнезема из почвы или отдельных почвенных горизонтов, наиболее выраженный в почвах тропических областей.

Окремнение — процесс накопления в почвах аморфных форм кремнезема в виде натеков, прослоев, конкреций, мелких скоплений в результате выпадения в осадок, испарения раствора, биогенной аккумуляции, в качестве остаточного продукта при выветривании вулканических пород.

Партлювация — процесс перемещения по почвенному профилю твердых частиц любого гранулометрического состава. Она протекает наиболее интенсивно в почвах, формирующихся на щебнистых породах в гумидных умеренно холодных и холодных областях.

Сегрегация — процесс формирования стяжений, прослоев и кор, отличающихся от вмещающей их массы химическим составом и морфологическими свойствами.

Цементация — процесс превращения рыхлой почвенной массы в твердый горизонт или прослои вследствие скрепления частиц цементирующими веществами, выпадающими из раствора.

Сегрегация и цементация вещества может быть марганцовистой, железистой (конкреции, бобовины, псевдофибры, ортзанды, плинтиты, латериты), кремниевой (желваки натечной формы, опаловые и халцедоновые трубки, псевдоморфозы, кремниевые коры, дурипэны, силкриты), карбонатной (белоглазка, журавчики, дутики, погремки, лёссовые куклы, глобулярные облака, луговой мергель, шох, панцири, кристаллические трубки, аккырши и др.), гипсовой (кристаллические трубки, двойники, ласточкины хвосты, розы, камеры, прослои, гажи, шестоватый гипс, бозынгены, коры и др.), солевой (коры или себкхи).

Латеритизация — процесс глубокого и длительного выветривания алюмосиликатных горных пород в жарком или влажном климате под воздействием растительных организмов. При этом разрушаются даже глинистые минералы, в почвах накапливаются гидроксиды железа и алюминия.

Сущность всех связей в почвообразовании И. П. Герасимов выразил в триаде: факторы—процессы—свойства.

Следовательно, естественный почвообразовательный процесс включает комплекс процессов, в результате которых горная порода превращается в течение длительного времени под влиянием различных организмов (микроорганизмов, растений и животных) и в определенных условиях климата и рельефа без вмешательства человека в почву.

В настоящее время важнейшая особенность почвообразования — воздействие человека на естественный почвообразовательный процесс. Сельскохозяйственное использование почв приводит к существенным изменениям их состава и свойств, а следовательно, и плодородия. Современное развитие пахотных почв происходит под воздействием генетически самостоятельного культурного или естественно-антропогенного почвообразовательного процесса, имеющего специфику в каждой природной зоне в соответствии с климатическими условиями и своеобразием использования. Результатом естественно-антропогенного почвообразования является улучшение или ухудшение исходных целинных почв. Культурная или пахотная почва представляет собой зеркало хозяйственной деятельности человека.

В пахотных почвах весьма наглядны изменения в строении их профиля, содержании и качестве гумуса, питательном режиме, составе обменных катионов и т.д., то есть происходят генетические изменения. Так, при окультуривании дерново-подзолистых легких почв увеличивается гумусово-элювиальный пахотный слой, происходит смещение нижней границы элювиального горизонта, а в серых лесных почвах усиливается фиксация гумуса, ослабляются элювиально-иллювиальные процессы и происходит подтягивание карбонатов из материнских пород вверх по профилю. Окультуривание приводит к созданию агрономически ценной структуры. При распашке и сельскохозяйственном использовании почв снижаются содержание гумуса, емкость поглощения в пахотном слое. Поэтому необходимо вносить органические и минеральные удобрения.

Общие закономерности естественно-антропогенного почвообразования:

значительно усиливается микробиологическая активность, в связи с чем возрастают скорость и емкость биологического круговорота веществ и энергии в агробиогеоценозах, интенсивность процессов минерализации и трансформации органического вещества, формирование более ценного гумуса (большее содержание гумусовых кислот и коллоидной активной части его, более узкое отношение С : N и С : Р_орг;

усиливаются выветривание и трансформация ила почв, увеличивается содержание монтмориллонита, вермикулита и смешаннослойных минералов, в результате чего повышается поглотительная способность пахотных почв;

повышается насыщенность основаниями почвенного поглощающего комплекса и усредняется реакция почвенного раствора;

формируется питательный режим с высокой интенсивностью биохимических процессов и биодинамичностью при участии человека.

Для поддерживания высокой интенсивности этих процессов, стабильного повышения плодородия почв необходимо постоянное поступление должного количества энергетического материала (свежего органического вещества, минералов, богатых в химическом отношении).

Зональные различия между культурными почвами проявляются в различной интенсивности микробиологических процессов. Они отражают содержание и качество гумуса, относительную стабильность валового химического состава, своеобразие физико-химических свойств и др., мобилизацию резервов при недостатке энергетического материала.