Особенности почвообразования в степях

Зональные и интразональные степные почвы и особенности почвообразования

Почвы являются важнейшим географическим компонентом ландшафта, результатом взаимосвязи и взаимодействия компонентов живой и неживой природы, наглядным доказательством целостности и самостоятельности геосистем. Для почв как и для других биотических компонентов геосистем характерна широтная зональность. От луговых степей лесостепной ландшафтной зоны к опустыненным степям полупустынной ландшафтной зоны последовательно сменяются следующие типы и подтипы почв: чернозёмы выщелоченные, типичные, обыкновенные, южные, тёмно-каштановые, каштановые и светло-каштановые почвы. Наряду с зональными здесь широко распространены и интразональные почвы. Их образование связано с литологическим разнообразием пород и особенно с широким развитием карбонатных отложений, с неравномерностью засоления и увлажнения почвообразующих пород и почв и другими причинами. По долинам рек развиты аллювиально-луговые, болотные и другие почвы. В недалеком прошлом они занимали большие площади по долинам Волги, Дона и других рек. После сооружения на них водохранилищ значительные площади этих почв были затоплены. Кроме того, встречаются почвы и других типов,

Первые научные сведения о почвах степей появляются с 70-х гг. XIX века. Благодаря многолетним исследованиям, результатом которых стала классическая книга В.В. Докучаева «Русский чернозём» (1883). В ней детально рассмотрены область распространения, способ происхождения, химический состав чернозёма, принципы классификации и методы исследования почв.

В.В. Докучаев первым провёл почвенное районирование и показал, как изменяется характер почв и содержания в них гумуса с юго-востока на северо-запад на территории юго-востока Русской равнины. Он первым приходит к выводу о том, что климатические условия имеют важнейшее значение для почвообразования, и почва подобно живому организму зависит от комплекса географических условий, что послужило в дальнейшем основой для разработки учения о природной зональности. В 1883 г. В.В. Докучаев открыл почвы сухих степей, названные им каштановыми.

Особенности почвообразования в степях

Наряду с зональностью на процессы почвообразования оказывает влияние история развития земной коры, определившая характер рельефа, состав слагающих его пород, возраст почв.

Основными почвообразующими породами степных почв Евразии, Северной и Южной Америки являются лёссы, лёссовидные и делювиальные плейстоценовые суглинки, супеси и глины. Лёсс - это светло-жёлтая (палевая) пылеватая однородная, неслоистая, сильнопористая осадочная горная порода слегка сцементированная и карбонатная. Кроме глинистых минералов зёрна кварца и силикатов (27 - 90%), содержит слюды, полевого шпата, оксидов железа и карбоната кальция (СаСО₃) от 6% до 10 - 15%. Залегает плащом (в т. ч. нередко на высших точках водоразделов), обычно мощностью от десятков сантиметров до 400 м. Лёссы и другие лёссовидные породы широко распространены в периферических частях пустынь и покровных ледников. Типичный лёсс — это эоловая осадочная порода (образовавшаяся под воздействием ветра), отлагавшаяся в ледниковые эпохи в перигляциальной зоне у южных окраин покровных ледников («холодные» лёссы) или на периферии резко-континентальных пустынь Центральной Азии («тёплые» лёссы). Лёсс зонален, приурочен к областям умеренного семигумидного, семиаридного и аридного климата.

Например, в соответствии с особенностями основных этапов формирования почвенного покрова территорию юго-востока Русской равнины можно подразделить три естественно-исторических региона:

1 - область древнего оледенения Окско-Донской равнины, где почвы формировались в основном на размытых моренах, на покровных и ледниковых глинах и суглинках (в т.ч. лёссовидных), и где распространены чернозёмы;

2 - область внеледниковых денудационных и аккумулятивно-денудационных возвы­шенностей, где почвы формировались на покровных четвертичных суглинках и выходах более древних пород (глин, песков, песчаников, мела, известняков, опок), и где распро­странены почвы каштанового типа: карбонатные, солонцеватые и в комплексе с солонца­ми;

3 - область молодой морской аккумулятивной Прикаспийской равнины, где почвы формируются на морских засолённых глинах, и преобладают светло-каштановые почвы в комплексе с солонцами и солончаками, за исключением района Приволжской древне­дельтовой песчаной гряды.

Закономерная смена типов почв степей с севера на юг связана с действием трёх ведущих процессов степного почвообразования: гумусонакопления, карбонатизации и осолонцевания.

Гумусонакопление (или гумификация — Humification) — процесс образования в почве гумуса — особого органоминерального вещества, содержащего все химические элементы, необходимые для питания растений. В целинных и старых вторичных степях на поверхности почвы ежегодно из остатков травянистой растительности накапливается довольно мощный слой наземной мортмассы - ветоши, или степного войлока, который имеет ведущее значение для гумусообразования. Запасы ветоши составляют от 4 до 10 т/га (Титлянова, Базилевич, Снытко и др., 1988). Кроме того, в гумусообразовании участвуют отмирающее корневое органическое вещество, а также экскременты травоядных животных, которые усиливают просачивание органических веществ в почвы. В лесах в составе мортмассы преобладают неразложившиеся растительные остатки - листовая подстилка, а также сухостой, валежник, мертвые корни и др. Запасы подстилки в широколиственных лесах - до 10 - 15 т/га.

Опад травянистых растений богат азотом и зольными элементами. В сухих степях с опадом в почву поступает 200 — 250, а в луговых и богаторазнотравно-дерновиннозлаковых степях — 600 — 1400 кг/га азота и зольных элементов. Растительный опад степей разлагается в оптимальных условиях увлажнения при нейтральной реакции среды. В этих условиях формируется гумус, в составе которого преобладают сложные гуминовые кислоты, связанные преимущественно с кальцием. Периоды летнего иссушения и зимнего промерзание способствуют усложнению и закреплению гумусовых веществ. Степная травянистая растительность имеет мощную, глубоко проникающую корневую систему. Накопление гумуса происходит за счёт и наземной мортмассы и разложения отмерших корней, поэтому органическое вещество в степных почвах распространяется на значительную глубину. Мощные корневые системы способствуют также и оструктуриванию чернозёмных почв, которые имеют высоко водопрочную, зернистую или зернисто-комковатую структуру. Биологический круговорот под травянистой растительностью степей приводит к значительному накоплению в почвах кроме гумусовых веществ, таких важнейших элементов питания растений, как азот, фосфор, сера, кальций и других в форме органоминеральных соединений (Чибилев,1992).

Мертвое органическое вещество и запас биомассы в органах растений служат важным резервом питательных веществ, обеспечивающих устойчивость биоты к внешним воздействиям и позволяющих поддерживать биологический метаболизм в условиях интенсивного абиогенного выноса элементов зольного и азотного питания. Леса в степной зоне существуют в условиях достаточного дополнительного увлажнения и интенсивного стока, ведущего к безвозвратной потере элементов питания; лесные почвы относительно бедны этими элементами. Поэтому запас элементов-органогенов в живом веществе и в мощной подстилке, прочно удерживающей необходимые элементы питания, обеспечивает определенную автономность (высокую степень замкнутости) биологического круговоро­та. В степях, где растительность не способна аккумулировать большие запасы живой фитомассы, а опад быстро за 1 - 2 года разрушается, резерв минерального питания сосредоточен преимущественно в почвенном гумусе.

Степной войлок играет огромную роль во влагообороте степных геосистем. Зимой снег задерживается сухой растительностью. Весной под покровом растительной ветоши снег тает медленнее и не испаряется, дождевые и талые воды не стекают по поверхности, а просачиваются в почву, создавая значительные запасы почвенной влаги. При наличии мощной подстилки из растительных остатков поверхностный сток практически прекращается. Ещё в конце XIX века В.В. Докучаев (Докучаев,1951) отмечал, что целинные степи с мощным степным войлоком по своим влагоудерживающим свойствам не уступают лесам, препятствуют водной и ветровой эрозии и заилению рек.

При распахивании почв, перевыпасе и регулярном выжигании растительности в гумусонакоплении ведущую роль начинают играть корневые остатки, так как практически вся наземная масса растений удаляется. Происходит обеднение чернозёмов и других степных почв гумусом (дегумификация). Например, на неудобренных распаханных чернозёмах по сравнению с целинными запасы гумуса существенно снижаются не только в пределах пахотного слоя, верхних 50 см,но и до глубины 1 м от поверхности. Корневые системы культурных растений не могут восполнить потерю гумусовых веществ, вызываемую распашкой территории (Зонн, 1971). Мощность гумусовых горизонтов связана с вымыванием постоянно образующихся подвижных органических соединений, которые могут достигать карбонатных горизонтов и на пути передвижения в большом количестве адсорбироваться минеральной частью почвы и превращаться в специфические гумусовые вещества. Этому способствуют насыщенность минеральной части почв кальцием и магнием и нейтральная реакция её, переходит с глубиной в щелочную.

Мощность гумусового горизонта в естественных степях Русской равнины уменьшается с северо-запада на юго-восток от 100 см до 15 - 20 см. Наибольшие запасы гумуса в целинных степях (600 - 700 т/га)отмечаются в выщелоченных и типичных чернозёмах лесостепи, наименьшие (300 - 500 т/га) — в южных; в оподзоленных и обыкновенных чернозёмах они достигают 500 - 600 т/га, в широколиственных лесах - около 300 т/га. В тёмно-каштановых почвах подзоны сухих степей запасы гумуса составляют - 150 т/га, и в каштановых - 100 т/га, в светло-каштановых почвах зоны полупустынь - менее 70 т/га.

Карбонатность является одной из особенностей степных почв и влияет на важнейшие свойства геосистем. Процесс карбонатизации (или кальцификации - Calcification) проявляется в формировании особого почвенного горизонта, насыщенного карбонатами кальция (СаСО₃).

В процессе образования различных видов почв формируются типичные новообразования - химические соединения, чётко обособленные от почвенной массы. Для степных почв наиболее типичными являются карбонатные новообразования, образующие тонкие нежные налёты, напоминающие плесень или грибной мицелий, рыхлые скопления, пятна («белоглазка») и разнообразные плотные конкреции («журавчики»). Часто в нижней части почвенного профиля встречаются мелкокристаллические друзочки и конкреции гипса. В условиях сухих степей и полупустынь к карбонатным и гипсовым новообразованиям добавляются водорастворимые хлориды и сульфаты, образующие тонкие налёты и скопления. Наличие карбонатов диагностируется воздействием на почву 10%-ного раствора соляной кислоты. Широкое распространение карбонатных почв в степях обуславливается, в первую очередь, высоким содержанием карбонатов в почвообразующих породах (лёссах, лёссовидных суглинках и др.) Русской равнины и Урала, а во вторых — их накоплением в степной растительности.

Влияние процесса карбонатизации к юго-востоку (от лесостепной ландшафтной зоны к полупустынной) резко усиливается. Глубина вскипания от соляной кислоты и выделения карбонатов наряду с другими показателями служит важным диагностическим признаком и для разделения черноземов и каштановых почв на подтипы. Например, глубина вскипания от 10%-ной соляной кислоты степных почв изменяется следующим образом: в выщелоченных чернозёмах она отмечается на глубине 140 - 160 см, в типичных — на глубине 92 - 105 см, в обыкновенных — 41 - 80 см и в южных — 18 - 30 см, в тёмно-каштановых почвах - 20 см и в каштановых — на поверхности почвы (Дегтярева, Жулидова, 1970; Зонн, 1971). Строго установленных градаций содержания гумуса для разделения чернозёмов и каштановых почв на подтипы нет; они региональны, что объясняется особенностями гумусонакопления в различных частях занятой чернозёмами территории. Колебания свойств почв по подтипам обусловлены их механическим составом, степенью карбонатности и особенностями водного режима. Хотя для чернозёмов в целом и характерен периодически промывной водный режим, но отклонения в сторону большей или меньшей глубины и частоты промывания их значительны как по годам, так и по расположению в той или иной части рассматриваемой территории, что связано с её рельефом (Зонн, 1971).

Третьим специфическим процессом степного почвообразования является осолонцевание (Solonization) — образование органоминеральной илистой субстанции из гумуса и глинистых частиц, вступающих в тесную химическую связь с одновалентными ионами натрия. Выраженность этого процесса, препятствующего накоплению гумуса, возрастает в степях с севера на юг. Каштановые почвы степной зоны и светло-каштановые почвы полупустынь, формирующиеся на глинистых и суглинистых отложениях, почти все являются солонцеватыми. Соединяясь с гумусом, ионы натрия вместе с водой перемещается вниз по почвенному профилю. Эти соединения, осаждаясь в подгумусовом слое, образуют своеобразный солонцовый горизонт, который при промачивании набухает и становится вязким. При недостатке увлажнения он растрескивается на ярко выраженные многогранные столбчатые отдельности, плотные и твёрдые как камень.

Как центральное связующее звено ландшафта почва формируется в тесном взаимодействии растений и животных. Животные не только поедают растения, но и затаскивают их в норы, разрушают копытами ветошь, превращая её в гумус и т.д. Значительное воздействие на степное почвообразование оказывают суслики, сурки и другие животные землерои. Их воздействие носит двоякий характер. При рытье нор на поверхность выбрасывается грунт, обогащённый карбонатами кальция и водорастворимыми солями. В тоже время норы способствуют лучшей аэрации почв, накоплению талых и дождевых вод, препятствуют поверхностному смыву почв. Все живущие в почве животные так или иначе перемешивают, разрыхляют её, обогащают органическим веществом и азотом (Чибилёв, 1992).