ПОЧВА - МНОГОКОМПОНЕНТНАЯ ПОЛИФАКТОРНАЯ ОТКРЫТАЯ БИОКОСНАЯ СИСТЕМА

После того как проведен анализ вклада географических факто­ров в различные стороны почвообразования — в энергетику, мате­риальную основу, механизмы, — может быть дана адекватная харак­теристика основному результату почвообразовательного процесса, т. е. самой почве. Почва — это своеобразное и целостное образова­ние. Вместе с тем исчерпывающее понимание того, что такое почва, слагается из нескольких разноплановых представлений о ней.

Во-первых, почва — это тело весьма специфического состава, отличающего ее от других компонентов географической оболочки и вообще объектов природы. Как вещество почву нельзя отнести ни к живой, ни к мертвой материи. Почва образуется на земной поверх­ности в той части биосферы, где смыкаются и проникают друг в друга три частные оболочки (литосфера, атмосфера и гидросфера) и где плотность живого вещества планеты достигает максимальных величин.

Быстрые циклы биокруговорота веществ, активность живого вещества в почвах

позволили В.И. Вернадскому отнести почву к особой категории природных тел — биокосным телам.

Именно в биокосной природе и высокой энергетической актив­ности почв лежит причина их плодородия — их способности обес­печивать растения элементами питания, влагой и необходимыми для дыхания корней и населяющих почву микроорганизмов возду­хом и теплом.

Таким образом, в субстантивном аспекте почва — это самостоя­тельное естественно-историческое биокосное тело, которое возни­кает при взаимодействии живого вещества (этой «активированной формы материи») с минеральными (косными) компонентами ли­тосферы, атмосферы и гидросферы.

Кроме того, что почва — особое вещественное образование, важно иметь в виду и представление о ней как о сложной, постоянно функ­ционирующей системе. Все фазы почвы — твердая, жидкая, газообраз­ная и фаза живого вещества — тесно соприкасаются между собой посредством множества процессов различной природы, скорости и интенсивности, сливающихся в единую совокупность динамичес­ких явлений.

Почва живет в суточных, годовых, многолетних и вековых гид­ротермических ритмах. В соответствии с ними изменяются скорость, а часто и направление почвенных процессов. Одни процессы уси­ливаются, другие ослабляются.

Во влажные и теплые периоды активизируются процессы синте­за и разложения органического вещества, увеличивается скорость разрушения первичных минералов и кристаллизации ряда вторич­ных, усиливаются процессы растворения и выноса подвижных со­единений.

Во влажные и холодные периоды все процессы ослабляются, в почвах зачастую возникают восстановительные условия, замедляет­ся скорость разложения органического вещества, накапливаются полуразложившиеся органические остатки — грубый гумус, а в осо­бенно влажных условиях — торф. В такие периоды развиваются турбационные явления, обусловленные замерзанием почвенной влаги.

В сухие и теплые периоды в почвах происходят испарение по­чвенных растворов, переход при испарительной концентрации ряда растворенных соединений в твердую фазу, перемещение наиболее подвижных соединений с влагой вверх и накопление в почвах легко растворимых соединений. В сухие периоды в почвах протекает также консервация органических и органо-минеральных образований.

В соответствии с гидротермическими циклами изменяются и ак­тивность живого вещества, его масса, плотность, интенсивность роста и отмирания.

Динамичность почвы определяется биологической активностью по многим направлениям. Сильный расход влаги на транспирацию, например, может быть причиной значительного повышения кон­центрации биологически слабо поглощаемых элементов и частич­ного выпадения их в осадок. Поглощение влаги корневыми систе­мами растений из горизонтов их максимального распространения (т. е. из верхних горизонтов) вызывает (наряду с испарением влаги с поверхности почвы) иссушение их и подтягивание вверх пленоч­ной влаги из более глубоких горизонтов почв, а вместе с ней и части растворенных веществ.

В связи с биологическими циклами и изменением состава и кон­центрации почвенных растворов изменяется состав адсорбирован­ных почвенными коллоидами катионов и анионов.

Ослабление или усиление процессов дыхания корней вызывает соответствующие изменения в составе газов и фитонцидов (летучих органических соединений) в почвенной атмосфере.

Режим различных форм соединений азота (образование и умень­шение содержания нитратного, нитритного, аммиачного азота) свя­зан с активизацией или заторможенностью деятельности микроор­ганизмов в почвах. Обитающие в почве животные влияют на дина­мику многих внутрипочвенных процессов: в периоды иссушения или похолоданий многие из них опускаются в нижние слои почвы, а в более влажные и теплые периоды вновь поднимаются к поверх­ности. В результате они перемешивают почвенную массу, создают порозность, сложную систему ходов, существенно изменяющих, в свою очередь, водный, воздушный и тепловой режимы почвы.

Итак, почва — это сложный комплекс разнообразных процес­сов, в результате которых вещества, участвующие в них, неоднок­ратно переходят из одной фазы в другую: из живого вещества — в раствор и в почвенный воздух, из последних — в твердую и газовую фазы, могут быть вновь поглощенными живыми организмами, мно­гократно переместиться вниз и вверх по почвенной толще и т. д.

И наконец, третий аспект в понимании того, что такое почва. Как было подчеркнуто выше, она является сложной, своеобразно Функционирующей динамической системой. Но это — открытая система, т. е. одновременно почва оказывается подсистемой в более сложной системе — элементарном ландшафте, биогеоценозе.

Потоки материальных частиц, атомов и их соединений связыва­ют почву в единое целое с другими компонентами ландшафта (гор­ными породами, корами их выветривания, водами, растениями и животными, приземной частью атмосферы). Из атмосферы в почву приникают газы, поступают атмосферные осадки с растворенными в них химическими веществами и взвесями. На поверхность почвы оседает пыль. Из почвы в атмосферу идут обратные потоки веще­ства: почва «дышит», из нее выделяются газы — главным образом углекислый газ, водяные пары (при непосредственном испарении из почвы или путем транспирации через растения). При развевании почвы в атмосферу поступает пыль.

Атмосферная влага, стекающая по поверхности почвы или просачивающаяся сквозь почву вглубь, обогащается растворимыми минеральными, органическими и органо-минеральными продукта­ми почвообразования. Почвы, таким образом, оказываются постав­щиками растворенных веществ в воды поверхностных водотоков (ручьев, рек) и в грунтовые воды. Так, из лесных и болотных почв в умеренных и экваториальных поясах выносится такое большое коли­чество органического вещества, что вода в реках местами окрашива­ется в соломенный цвет или цвет чая, а во влажных тропиках — в почти черный цвет.

И наоборот, почвы нижних частей склонов и депрессий, речных долин получают часть твердых и растворенных веществ с делюви­альными водами, водами паводков и половодий, а также за счет грунтовых вод, из которых к поверхности поступает капиллярная и пленочная влага и растворенные в ней вещества.

Массивные горные породы, кора выветривания, различные рых­лые наносы являются поставщиками минеральных компонентов в почву. В свою очередь часть растворенных в почвах веществ выно­сится с почвенной влагой за пределы почвенной толщи, проникает в подстилающую породу, влияет на скорость и направление про­цессов выветривания, состав вторичных минералов и общее строе­ние коры выветривания. В условиях, когда почвы подвергаются эро­зии, обогащенный органическим веществом смываемый почвенный материал участвует в той или иной степени в сложении делювиаль­ных, аллювиальных и других типов отложений. В данном случае можно даже говорить о «породообразующих» почвах.

Постоянный обмен веществ идет между почвой, растительнос­тью и другими организмами.

Теснейшим образом почва связана с географической средой энер­гетическими потоками. Само ее существование и функционирова­ние обусловлено постоянным притоком энергии извне — все с но­вым и новым поступлением солнечной радиации и органического вещества, продуцируемого живыми организмами. Вследствие этого почвы оказываются аккумулятором солнечной энергии, зафиксиро­ванной в массе заключенного в ней живого вещества, в гумусе, в разнообразных вторичных минеральных и органо-минеральных об­разованиях. Причем в отличие от других мощных природных акку­муляторов солнечной энергии (каменные угли, горючие сланцы и др.) накопление энергии в почвах не сопровождается длительной консервацией в какой-либо одной форме. В почвах происходит не­прерывное обновление и трансформация форм энергии. Благодаря высокой энергетической насыщенности и энергетической активно­сти почв поддерживаются многие биосферные процессы.

Все три составляющие понятия «почва» (почва как вещество, как совокупность динамических явлений — функционирующий аппарат, как часть системы) и их «тяготение» к субстантивной, функциональной и энергетической сторонам почвообразования показаны на рис. 5.1.

Важным моментом в понимании сущности почвообразования является вопрос о том, каким образом множество циклических, не­редко противоположных по результату химических, физических, биологических и других почвенных процессов приводит к форми­рованию почвы как своеобразного природного тела.

Как заметил А.А. Роде, многие рассмотренные ранее почвенные микропроцессы, отражая ритмику гидротермических условий и био­логического развития растений и животных, естественно разбива­ются на пары противоположно направленных и последовательно сменяющих друг друга явлений:

1. а) поглощение живыми организмами из почвы минеральных соединений и синтез органического вещества;

б) выделение живыми организмами в почву органических и ми­неральных соединений;

2. а) разложение и минерализация органических остатков;

б) синтез из органических и минеральных соединений гумусо­вых веществ почв;

3. а) подкисление почвенных растворов органическими кисло­тами;

б) нейтрализация почвенных растворов основаниями, осво­бождающимися при минерализации органических остатков и раз­ложении первичных минералов;

4. а) разрушение первичных минералов почвообразующей по­роды;

б) синтез вторичных минералов и органо-минеральных комп­лексов;

Рис. 5.1. Общая схема почвообразования

5. а) коагуляция почвенных коллоидов и образование устойчи­вых агрегатов;

б) пептизация коллоидов и разрушение агрегатов;

6.а) гидратация минеральных соединений;

б) их дегидратация;

7.а) окислительные процессы, идущие при свободном доступе кислорода в почву;

б) восстановительные процессы, возникающие при переувлаж­нении почвы и затрудненности доступа в нее кислорода;

8.а) движение растворов вверх к фронту испарения и накопле­ние подвижных соединений в верхней части почвы;

б) движение растворов вниз, растворение и вынос подвижных соединений;

9.а) нагревание почвы;

б) охлаждение почвы;

10. а) увлажнение почвы;

б) ее иссушение;

11. а) адсорбция почвенными коллоидами и поглощение организмами газов почвенной атмосферы;

б) выделение газов при дыхании организмов, в процессе их раз­ложения и десорбции и др.

В пределах перечисленных пар смены полуциклов одного направ­ления полуциклами другого осуществляются с различной частотой, зависящей от того, с каким природным циклом (суточным, сезон­ным, годовым, многолетним) связан управляемый им цикл почвен­ных процессов. Циклы процессов разной длительности накладыва­ются в почвах друг на друга, сложно взаимодействуют между собой.

В целом же при протекании различных почвенных микропроцессов имеет место тенденция их обратимости когда бедствие действия каждого последующего полуцикла исчезает результат дей­ствия предшествующего. Особенно отчетливо эта тенденция выра­жена на протяжении относительно коротких отрезков жизни по­чвы когда микропроцессы проявляются лишь в текущей Динамике наиболее лабильных почвенных свойств (например увлажнение - просыхание, нагревание-охлаждение, подкисление-нейтрализация почвенных растворов и др.).

Но описанные циклы почвенных микропроцессов не иногда пол­ностью замкнуты. Абсолютно полной компенсации полуцикла другим, противоположно направленным, не происходит. После завершения цикла, как правило, остается некоторое остаточное изменение в состоянии почвы, имеющее необратимый характер. Это, например, происходит вследствие того, что часть веществ процес­се циклической динамики почв удаляется из сферы почвообразования с нисходящими токами почвенных растворов и безвозвратно выносится в грунтовые воды. Часть растворимых соединений вымываемых из растительного наземного опада и из верхней части почв и выносится с поверхностным или внутрипочвенным боковым стоком. Первичные минералы в процессе почвообразований необратимо замещаются вторичными. Часть коллоидальных осадков дегидратируется и кристаллизуясь, необратимо теряют свои коллоидные свойства. Другие вещества перемещенные из одной части почвы в другую, теряют подвижность и аккумулируются в виде трудномобилизуемых скоплений. Газообразные продукты уходят из почв, поступая в наземную атмосферу, и уже не восполняются за счет притока из почвенного воздуха.

В почве могут устойчиво накапливаться привносимые извне химические элементы и их соединения: атмосферная влага, переходя в гидратную или кристаллизационную, связывается почвенными минералами; с осадками в почвы приносится ряд растворенных в них соединений и особенно такие важные, как соединения азота. Микроорганизмы-азотфиксаторы усваивают все новые и новые пор­ции атмосферного азота и переводят его в органическое вещество почв. Зеленые растения ассимилируют углекислоту.

В почвах, образующихся при воздействии фунтовых или делюви­альных вод, к указанным процессам прибавляется накопление веществ, которые приносятся с этими водами. Аккумуляция может происхо­дить при испарении вод, повышении концентрации растворов и вы­падении части растворенных веществ в твердую фазу. Осаждение ра­створенных веществ, приносимых со стороны, может вызываться из­менением окислительно-восстановительных условий. Именно по этой причине в результате перехода - закисного железа в окисное в гидроморфных почвах образуются скопления ожелезненного материала.

По завершении циклов указанные остаточные явления в почвах могут быть исчезающе малы или более заметны, но они последова­тельно накапливаются в ряду следующих друг за другом циклов и с течением времени характеризуют поступательный необратимый про­цесс, преобразующий устойчивые свойства почвенной толщи в оп­ределенном направлении.

Представление о почвообразовании как многоуровневом про­цессе, включающем субпроцессы различной степени сложности, яв­ляется основой генетического анализа почв.

Ранее уже говорилось о том, что сочетания взаимосвязанно про­текающих в почвах микропроцессов (т. е. процессов самого низкого уровня) получили название элементарных почвообразовательных про­цессов (или макропроцессов). Их протекание в почве запечатлевается в ее морфологии, минералогическом и химическом составах твер­дой фазы. Впервые это понятие было введено С.С. Неуструевым. Позднее И.П. Герасимовым и М.А. Глазовской (1960) были назва­ны десять элементарных процессов почвообразования, объединен­ных в три группы:

1) элементарные процессы, в которых ведущую роль играет пре­вращение минеральной части почвенной массы;

2) элементарные процессы, в которых ведущую роль играет пре­вращение органической части почвенной массы;

3) элементарные процессы, в которых ведущую роль играют пре­вращение и передвижение минеральных и органических продуктов почвообразования.

Представления об элементарных почвообразовательных про­цессах развивались и использовались при рассмотрении генезиса почв целым рядом исследователей — М.А. Глазовской (1966, 1972), И.П. Герасимовым (1973), В.О. Таргульяном (1974, 1991), Б.Г. Роза­новым (1975), О.В. Макеевым (1977) и др.

К элементарным могут быть отнесены следующие почвообразо­вательные процессы:

1) метаморфизм органических остатков и накопление различ­ных типов органического вещества: торфа, подстилки, грубого гу­муса и гумуса различного состава;

2) метаморфизм минеральной массы: сапролитизация, кислот­ный гидролиз, щелочной гидролиз и накопление определенных промежуточных и вторичных минералов, окисление, сегрегация, гидратация и дегидратация соединений железа и марганца, огле- ение;

3) абсолютное накопление в почвенной толще минеральных со­единений: субаэральное обызвесткование, соленакопление, гидро­генное ожелезнение, окремнение и засоление;

4) элювиально-иллювиальное перераспределение по почвенной толще минеральных и органических веществ: рассоление, выщела­чивание карбонатов; лессиваж (механическая миграция тонких час­тиц — илистой фракции); вынос и переотложение минеральных и органических коллоидов, насыщенных натрием (процесс осолонцевания); вынос и переотложение коллоидальных органо-минеральных комплексов (альфегумусовый процесс), глинисто-органических комплексов и др.;

5) перераспределение почвенных масс при замерзании — оттаи­вании (криотурбации), увлажнении и просыхании (педотурбации), деятельности почвенных животных (зоогенные турбации почв).

В результате необратимых элементарных почвообразовательных процессов происходит дифференциация первоначально однородной толщи материнской породы на генетические почвенные горизонты. Каждый горизонт имеет специфический химический состав, физи­ческие и физико-химические свойства и определенную степень на­сыщенности живым веществом.

Совокупности элементарных почвообразовательных процессов, протекающих совместно и приводящих к обособлению определен­ных почвенных генетических горизонтов, называются горизонтообразующими, или частными почвообразовательными, макропроцессами. Например, в формировании подзолистого горизонта (т. е. горизон­та, в котором в значительной мере разрушены первичные и вторич­ные минералы и который обеднен продуктами разрушения) уча­ствуют: кислотный гидролиз минералов, вынос продуктов распада в истинных и коллоидных растворах и др.

Сочетание тех или иных горизонтов, их последовательность дают определенный тип генетического профиля почв и характеризуют его строение.

Совокупности совместно протекающих частных почвообразова­тельных макропроцессов, приводящих к формированию определен­ного генетического профиля почв, слагаются в общие почвообразова­тельные макропроцессы. Результатом действия общего почвообразо­вательного макропроцесса является почва в целом. К таким профилеобразующим процессам относятся: черноземный, болотный, солонцовый и многие другие, сущность которых будет раскрыта в следующих разделах.

По мере дифференциации почвенного профиля и формирова­ния горизонтов процесс почвообразования все более и более услож­няется. Вместо первоначальной однородной среды он происходит уже в пределах существенно разнородных сред, с различными кис­лотно-основными, окислительно-восстановительными условиями, различными газовым и гидротермическим режимами. Развитие ге­нетических горизонтов — это следствие почвообразования, но в то же время и причина дальнейшего направленного поступательного

Рис. 5.2. Строение почвенных профилей: а — подзол; б — чернозем; в — солонец

развития процесса почвообразования в сторону все большего его усложнения. Генетические горизонты внешне хорошо различимы. Они выделяются по цвету, гранулометрическому составу, структу­ре, сложению, плотности, характеру новообразований и включений, т. е. по совокупности морфологических признаков. Для обозначе­ния генетических горизонтов еще со времен В.В. Докучаева исполь­зуются заглавные буквы латинского алфавита: А — гумусовые гори­зонты, В — переходные, С — почвообразующая порода, не изменен­ная почвообразованием.

По мере накопления данных о почвах система горизонтов полу­чила более расширенную индексацию; в ней используются большие и малые буквы латинского алфавита и введены арабские и римские цифры. Более подробная информация о генетических горизонтах будет дана в гл. 6.

Различные комбинации генетических горизонтов образуют по­чвенный профиль. Строение генетического профиля является важ­ным диагностическим признаком почв и используется для опреде­ления почв в поле (рис. 5.2). При описании почвенных горизонтов используют представления о разнообразных морфологических при­знаках почв.