2. Факторы почвообразования.

Учение о факторах почвообразо­вания является, по выражению самого В. В. Докучаева, крае­угольным камнем почвоведения как науки. Изучение почвы в от­рыве от изучения факторов почвообразования может привести к неправильным выводам.

К пяти факторам почвообразования, установленным В. В. До­кучаевым,— почвообразующим породам, растительным и живот­ным организмам, климату, рельефу и времени — позже были добавлены воды (почвенные и грунтовые) и хозяйственная дея­тельность человека.

Кратко отметим особенности отдельных факторов почвооб­разования.

Почвообразующие породы представляют собой тот субстрат, на котором происходит формирование почвы. Эти поро­ды являются как бы фундаментом и каркасом сложного природ­ного сооружения —почвы. 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 оказывают чрезвычайно сильное влияние на про­цесс почвообразования.

Поясним это следующим примером. В условиях таежно-лесной зоны обычно формируются почвы подзолистого типа. Однако когда в пределах этой зоны почвообразующие породы содержат повышенное количество карбонатов кальция, то образуются почвы, резко отличающиеся от подзолистых. Например, к восто­ку от Москвы, в области Мещеры, преобладают подзолистые или болотные почвы на выщелоченных ледниковых отложениях. Но там, где расположены лёссовидные отложения, содержащие по­вышенное количество карбонатов кальция, формируются серые лесные почвы. В Прибалтике и под Ленинградом, там, где почво­образующие породы обогащены обломками известняков, сфор­мировались своеобразные дерново-карбонатные почвы, резко отличающиеся внешним видом и свойствами от подзолистых почв.

Несмотря на большую важность почвообразующих пород, ве­дущую роль в почвообразовании играет биологическая деятельность. 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.

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.

Говоря о растительности, обычно имеют в виду высшие рас­тения. Однако для процесса формирования почв не менее важное значение имеют низшие растения. Благодаря деятельности низ­ших растений происходит разложение остатков отмерших выс­ших растений и синтез содержащихся в них элементов в соеди­нения, усвояемые растениями.

Низшие и высшие растения образуют определенные комплек­сы (растительные формации), 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.

Важное значение для почвообразования имеют животные организмы, которых в почве огромное количество. Почвен­ные землерои многократно перерывают почву, этим они спо­собствуют ее перемешиванию, лучшей аэрации и быстрейшему развитию почвообразовательного процесса, а также обогащают органическую массу почвы продуктами своей жизнедеятельности. Известно, какое большое значение придавал почвенным организ­мам такой крупный ученый, как Ч. Дарвин. Он 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.

Важное значение климатических условий для поч­вообразования давно обратило на себя внимание. С климатом связано обеспечение почвы энергией (теплом) и в значительной мере водой. От величины годового количества поступающего теп­ла и влаги, особенностей их суточного и сезонного распределения зависит развитие почвообразовательного процесса. Наличие мо­розного периода обусловливает промерзание почвы, прекращение биологических и резкую подавленность физико-химических процессов. Аналогичный результат получается в засушливых рай­онах в период отсутствия осадков. Движение воздушных масс (ветер) влияет на газообмен почвы и захватывает мелкие части­цы почвы в виде пыли. Но 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 случае не обусловливает одинаковый тип почв: в альпийской зоне развиты горно-луговые, а в таежной — подзолистые почвы благодаря существенному различию многих факторов почвообразования.

Определенное влияние на почвообразование оказывают почвенно-гpунтовые 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.

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. С этим связано явление вертикальной зональности в горах. Сравнительно незна­чительное изменение высоты сказывается на перераспределении атмосферных осадков. Большое значение для перераспределения солнечной энергии имеет экспозиция склона. Очень часто степень воздействия на почву грунтовых вод определяется особенностями рельефа.

Роль времени в почвообразовании. Среди факторов почвообразования, установленных В. В. До­кучаевым, особое значение имеет время. Время является необ­ходимым условием всякого природного процесса, в том числ.е почвообразования. Определенное время требуется для образова­ния полностью сформированной почвы, находящейся в подвиж­ном равновесии с факторами почвообразования. Дальнейшее развитие почв в связи с эволюцией факторов почвообразования также совершается во времени.

Имеется ряд исследований скорости протекания отдельных частных процессов почвообразования и наблюдений за ско­ростью формирования нормально развитой почвы. М. М. Коно­нова, учитывая динамику годовой продуктивности растительно­сти, полагает, что накопление гумуса в почвах осуществляется за несколько сотен лет. Американский ученый Р. С. Далман об­наружил, что уровень содержания гумуса в почвах прерий устанавливается на протяжении 100—600 лет.

Изучение почвенного покрова на молодых горных моренах, речных и морских террасах и отложениях спущенных озер пока­зало, что на протяжении 100—300 лет образуются достаточно определенно сформированные почвы. В дальнейшем профиль почвы становится более проработанным, мощность генетических горизонтов увеличивается, их морфологические признаки при­обретают большую четкость.

О сравнительно небольшом времени, необходимом для обра­зования почвы с хорошо выраженным профилем, свидетельству­ют наблюдения над почвами на искусственных сооружениях {земляных валах, развалинах древних крепостей и пр.). Еще в 1883 г. В. В. Докучаев описал образование почвы на стенах Староладожской крепости, построенной в 1116. г. Наши иссле­дования почв на древних сооружениях Новгорода, Пскова, Вла­димира, Москвы, на руинах древних городов Крыма показали, что образование почв на этих зданиях связано не столько с вы­ветриванием материала, из которого сложены сооружения, сколько с отложением эоловой пыли, на которой затем форми­руется почва. Поэтому возраст этих почв значительно меньше возраста самих сооружений.

Изложенные факты указывают, что скорость образования профиля современных почв составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч лет. Это подтверждается результатами опре­деления абсолютного возраста почв Восточно-Европейской рав­нины, Западной Сибири, Северной Америки и Западной Европы радиоуглеродным методом (по содержанию С₁₄ в гумусе).

Следует различать время образования данной почвы и время ее существования. Последнее может быть значительно больше первого. Например, абсолютный возраст гумуса верхней части современных почв Восточно-Европейской равнины составляет от нескольких сотен до 1,5 тыс. лет. Следовательно, за указанное время образовался гумусовый горизонт современных почв со всеми особенностями его состава. Длительность же существова­ния этих почв большая, не менее 5—7 тыс. лет. Поэтому гумус из нижней части профиля этих почв имеет значительно более древний возраст.

Образование полно сформированной почвы следует понимать как достижение почвой динамического равновесия с условиями данного ландшафта. Имеющиеся факты свидетельствуют о том, что этот процесс совершается сравнительно быстро. Но так как элементы ландшафта, являющиеся одновременно факторами почвообразования, находятся в развитии, то это отражается в эволюции почв во времени. На протяжении геологической исто­рии меняются климатические условия, рельеф, химические осо­бенности земной коры, эволюционирует животный и раститель­ный мир. Взаимосвязанно с этим эволюционируют выветривание и почвообразование.

Современный почвенный покров в геологическом масштабе времени характеризуется молодостью. Почвы сформированы преимущественно на отложениях плейстоцена. К началу этого периода в результате мощной тектонической деятельности зна­чительно увеличились площадь суши и ее абсолютная высота. Это обстоятельство и, по-видимому, некоторые астрономические причины обусловили повсеместное похолодание климата и раз­витие материковых оледенений. Одновременно с конца неогена происходит — возможно, как реакция приспособления раститель­ности к более холодным и засушливым условиям — широкое распространение травянистых растений. На равнинах субтропи­ческой и умеренной зон распространяются пустынные и степные ландшафты, а в бореальном поясе формируются подзоны лист­венных и хвойных лесов и тундровая зона. В начале плейстоцена складывается геохимическая специализация растительности и биологический круговорот приобретает современные черты.

Для плейстоцена характерны не только указанные общие особенности географических условий, но и резкая ритмичность природных изменений. В высоких широтах ледниковые эпохи сменялись межледниковьями, в низких широтах ксеротермические (засушливые) эпохи сменялись плювиальными (эпохами обводнения).

В силу указанных особенностей географических условий поч­вы и продукты выветривания плейстоцена резко отличаются от аналогичных образований более древнего возраста, а ритмич­ность изменения природных условий отражена в периодической смене эпох образования мощного почвенного покрова эпохами ускоренной денудации и аккумуляции рыхлых отложений.

Детальное изучение погребенных почв позволило О. П. До­бродееву (1972) восстановить последовательность формирова­ния почвенного покрова Восточно-Европейской равнины на про­тяжении плейстоцена. Как видно на рисунке 45, хорошо образо­ванные почвы формировались только в межледниковья, а также между отдельными стадиями оледенений на территории, свобод­ной от ледниковых покровов. Так как условия почвообразова­ния в межледниковья были непохожи на современные, то гео­графия древних почв Восточно-Европейской равнины отличалась от их современного распределения. Так, в период климатического оптимума московско-валдайского межледниковья мощные лес­ные почвы распространялись значительно южнее границы совре-• менных лесных почв, достигая примерно линии Киев —-- Воро­неж — Куйбышев. Южнее, там, где сейчас находятся засушливые каштановые почвы, были развиты сверхмощные черноземы и связанные с ними гидроморфные почвы — черноземно-луговые.

От всех остальных факторов резко отличается влияние на почву человека, точнее, человеческого общества. 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.

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, совершаются не в замкнутой системе, а входят в общепланетарный круговорот химических элементов.

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

Геохимия и энергетика почвообразования

Характерной особенностью почвы как особого природного образования является положение ее на месте совмещения геоло­гического и биологического круговоротов вещества. Почва — основная арена взаимодействия живой и мертвой природы и ха­рактеризуется разнообразием геохимических и биологических процессов. С одной стороны, почва наследует те химические эле­менты, которые содержатся в почвообразующих породах в итоге геологического развития данного района. С другой стороны, эти химические элементы энергично перераспределяются под влия­нием факторов почвообразования, в первую очередь под влия­нием жизнедеятельности животных и растительных организмов.

По данным В. А. Ковды (1973), высшие растения суши еже­годно синтезируют 1010 т сухого органического вещества. При­нимая, что зольные элементы и азот составляют около 5% этой массы, можно заключить, что на суше вовлекается в биологиче­ский круговорот более 100 млн. т химических элементов.

Оценить влияние биологического круговорота на перераспределение химических элементов можно путем определения сте­пени концентрации химических элементов наземной раститель­ностью. Эта величина выражается отношением содержания хи­мического элемента в сухом веществе растений к содержанию этого же элемента в земной коре. Если степень биологической концентрации невелика, то, несмотря на значительное абсолют­ное содержание химического элемента в растительном веществе, растительность не оказывает существенного влияния на перераспределение данного химического элемента. Например, среднее содержание кремния в наземной растительности составляет око­ло 0,2% от всей массы растительного вещества. Абсолютное значение этой величины, безусловно, значительное. Однако содер­жание кремния в литосфере составляет 27,6%. Следовательно, концентрация кремния растительностью невелика — около 0,01. Поэтому значение растительности для перераспределения крем­ния сравнительно небольшое.

Порядок содержания фосфора и кремния в растениях одина­ков, однако содержание фосфора в литосфере в несколько сотен раз меньше, чем кремния. Следовательно, растительность весь­ма энергично концентрирует фосфор, и этот процесс имеет важ­ное значение для перераспределения фосфора.

О направленности биологического круговорота можно полу­чить представление, определив ориентировочную величину кон­центрации наземной растительностью распространенных хими­ческих элементов. Растительность оказывает активное воздействие на перераспределение ряда химических элементов, в первую оче­редь углерода, азота, фосфора, серы и галогенов.

Влияние геологического круговорота проявляется в вовлече­нии в миграцию химических элементов, входящих в состав поч­вы. В целом поверхностными водами выносится в течение года со всей суши 3 • 10⁹ т растворенных и 16 -10⁹ т твердых веществ. Степень вовлечения может быть охарактеризована миграцион­ной способностью химического элемента, которая равна отноше­нию содержания элемента в сухом остатке поверхностных вод к его содержанию в земной коре. Чем меньше эта величина, тем меньше выносится химического элемента и тем больше его остается в почве. Как было показано Б. Б. Полыновым, наибольшая геохимическая подвижность свойственна сере, хлору, брому и иоду. Несколько меньшей величиной обладают щелочные и щелочноземельные макроэлементы, а также строн­ций, молибден, серебро, цинк и др. Миграционная способность отдельных химических элементов весьма невелика, как, напри­мер, у циркония. Ничтожна миграционная способность кремния кварца, но она обычно маскируется повышенной миграцией кремния силикатов.

Под влиянием геохимических особенностей биологического и геологического круговоротов формируется элементарный состав почв. В некоторых случаях направленность этих геохимических круговоротов совпадает. Например, цирконий не только сла­бо вовлекается в геологический круговорот, но и весьма ограни­ченно поглощается растительностью. Это способствует прогрес­сирующему накоплению циркония в почвах. В других случаях накопление в почве какого-либо химического элемента происхо­дит под влиянием одного из круговоротов, например аккумуля­ция азота в процессе биологического круговорота. В отдельных случаях направленность биологического и геологического кру­говоротов взаимно уравновешивается, что приводит почти к оди­наковому содержанию химического элемента в почве и литосфе­ре. Умеренное поглощение бария растительностью и слабая миграционная способность этого элемента обусловливают оди­наковое его содержание в почве и литосфере.

В итоге элементарный состав почвы закономерно отличается от состава литосферы повышенным содержанием, во-первых, эле­ментов, интенсивно накапливаемых растительностью (углерод, азот, водород), и, во-вторых, элементов, относительно накапли­ваемых за счет их очень низкой миграционной способности (цирконий, кремний). Часть химических элементов содержится в почве в меньшем количестве, чем в литосфере, благодаря их энергичному вовлечению в геологический круговорот. Таковы кальций, натрий, калий, хлор и др.

Средние величины содержания химических элементов в поч­ве и коре выветривания являются, как правило, наиболее часто встречающимися (модальными). Однако при анализах обнару­живаются и другие величины, больше или меньше средних значений. Если выразить в процентах частоту встречаемости различных величин, то можно построить график, на горизон­тальной оси которого будет отложена величина содержания хи­мического элемента, а на вертикальной оси — частота встречае­мости. Г. Йенни еще в 1941 г. обратил внимание на то, что распределение содержаний часто бывает симметричным, т. е. подчиняется закону нормального распределения. Обобще­ние многочисленных данных, полученных за последние десяти­летия, свидетельствует о том, что распределение содержания макроэлементов обычно подчиняется закону нормального рас­пределения а рассеянных химических элементов — закону логарифмически-нормального распределения.

Состав почв складывается не только в результате взаимодей­ствия литосферы и живых организмов. В итоге биологического круговорота почва ощутимо обогащается химическими элемен­тами, наиболее активная миграция которых совершается в ат­мосфере,— азотом и углеродом. Атмосферный кислород регули­рует многие биологические и геохимические процессы в почве. В свою очередь процесс почвообразования прямо и косвенно (через высшие растения) влияет на изменение состава атмо­сферы.

Геологический и биологический круговороты не являются чем-то постоянным, а определенным образом эволюционировали на протяжении геологической истории.

Данные геохимии свидетельствуют о том, что такие трудно-подвижные (в современных условиях выветривания) химические элементы, как железо и марганец, в докембрии обладали высо­кой миграционной способностью, а сера — элемент с высокой миграционной способностью — в то время отличалась слабой. геохимической подвижностью. Биологический круговорот в ка­менноугольном периоде, несмотря на огромную массу матери­ковой растительности, был значительно менее емким, чем в настоящее время (в силу низкой зольности древней растительно­сти), и отличался иным соотношением химических элементов. Таким образом, в геохимическом плане почвообразование представляет собой сложный, развивающийся во времени про­цесс обмена вещества между литосферой, атмосферой и назем­ными организмами. Наряду с обменом вещества почвообразова­ние сопровождается определенным обменом энергии. Основы учения об энергетике почвообразования заложены крупным со­ветским ученым В. Р. Волобуевым (1963). Согласно данным этого исследователя, суммарная затрата энергии на почвообра­зование составляет в тундрах и пустынях 1000—5000 кал/см2 в год. В лесах и степях умеренного пояса годовой расход энергии возрастает до 10 000—40 000 кал/см2. Во влажнотропических ландшафтах эта величина достигает максимума — 50 000— 70 000 кал/см².

Основная часть энергии почвообразования расходуется на испарение и транспирацию (от 95 до 99,5% всей энергии). За­траты на биологические процессы составляют от 0,5 до 5,0% всей энергии (большей частью около 1,0%). По-видимому, это находится в связи с тем, что на фотосинтез идет 0,01—0,001 поглощенной солнечной энергии. На гипергенное преобразование минералов расходуются сотые и тысячные доли процента от всей энергии почвообразования.

Полнота использования поступающей солнечной энергии на почвообразование определяется отношением суммарных затрат энергии на почвообразование к величине радиационного балан­са. Величина этого отношения зависит от степени увлажнения. В аридных условиях, при малых значениях коэффициента увлажнения, степень использования солнечной энергии на поч­вообразование очень мала. В хорошо увлажняемых ландшафтах степень использования солнечной энергии на почвообразование резко возрастает, достигая 70—80%. При увеличении коэффициента увлажнения вначале использова­ние солнечной энергии увеличивается, однако при коэффициенте увлажнения более 2 полнота использования энергии увеличива­ется значительно медленнее, чем нарастает увлажненность ланд­шафта. Полнота использования солнечной энергии при почвооб­разовании не достигает единицы.

Соотношение затрат энергии на почвообразование сложилось на протяжении длительного времени. Можно предполагать, что в иные геологические эпохи это соотношение было другим.