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.
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.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 п
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).
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.
Совершенно особый фактор почвообразования – время. Длительность процессов почвообразования накладывает определенный отпечаток на свойства и облик каждой почвы, развивающейся из конкретной горной породы. В связи с этим почвы могут различаться по абсолютному и относительному возрасту.
Абсолютный возраст почв связан с геологическим прошлым в каждом регионе. С тех пор, когда любая конкретная территория стала сушей и на ней поселились растения и животные, началось наземное почвообразование. Однако в определении понятия абсолютного почвенного возраста следует также учитывать подводный период почвообразования, который связан с возрастом материнских пород.
Относительный почвенный возраст характеризуется разновременностью и различными скоростями протекания биологических, физико-химических и других процессов в сравниваемых почвах. Относительный возраст почв тесно связан с сельскохозяйственной деятельностью человека. Учет почвенного возраста важен для оценки результатов мелиорации земель, а также перспективных возможностей в деле повышения почвенного плодородия.
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.
очвообразующие (материнские) породы в формировании почв играют одну из важнейших ролей как субстрат для поселения живых организмов. Они выполняют роль твердой фазы — каркаса в вертикально-профильном строении почвенного тела и определяют исходные составляющие почвы: минеральную, химическую, физико-химическую и др. Почвообразующие породы влияют на исходный уровень плодородия почв и служат своеобразным банком и резервом, откуда в процессе непрекращающегося во времени почвообразования почва обогащается новыми порциями первичных и глинистых минералов разного химического состава и механических свойств.
Материнские породы обусловливают следующие важнейшие свойства почв: 1) гранулометрический (механический) состав почв; 2) химический и минералогический составы почв; 3) физические и физико-механические свойства почв; 4) водно-воздушный, тепловой и пищевой режимы почв.
В то же время почвообразующие породы, определяя строение почв, характер их эволюции, пестроту почвенного покрова, существенно влияют на многие факторы и процессы почвообразования:
на скорость почвообразовательного процесса, обусловливающую разную мощность почвенных профилей;
на уровень плодородия, прямо зависящий от исходного состава пород, богатых или бедных химическими элементами, разной степени устойчивости в зоне формирования почв — зоне гипергенеза;
на характер орошаемого земледелия и осушительных мелиорации, а также на фильтрационную составляющую почв, дозы полива, водоудерживающую способность почвенного профиля и т.д.;
на структуру почвенного покрова, определяющую разную мозаичность, сложность и контрастность почвенного покрова.
По своему составу почвообразующие породы чрезвычайно разнообразны. Как правило, они делятся на группы пород разного генезиса, физико-механических и химических свойств и потенциального плодородия.
Массивно-кристаллические породы магматического и метаморфического генезиса. Магматические породы по своему составу достаточно стабильны и содержат главным образом соединения кремния, алюминия, железа, щелочей, магния и кальция. По содержанию Si02 магматические породы подразделяются на четыре группы: кислые (>65%), средние (52 — 65%), основные (40—52%) и ультраосновные (<40 %). Наиболее представительны две большие группы: кислые и основные породы. Как будет видно в дальнейшем, при характеристике многих типов почв именно этот фактор приуроченности почв к кислым или основным магматическим почвообразующим породам является решающим в отношении генезиса, эволюции и свойств почв.
Кислые магматические породы — граниты, пегматиты, риолиты, дацит и другие — обычно имеют светлую и буроватую окраску с выраженными кристаллами кварца, полевых шпатов, слюд. Содержание Si02 в них высокое (более 65 %) при заметном количестве калия и натрия. В то же время железа немного, а кальция и магния ничтожно мало. Почвы на кислых магматических породах, например на гранитах, отличаются на ранних стадиях выветривания рыхлостью, гравийным характером исходного материала. При выветривании в гумидных условиях они легко теряют щелочноземельные элементы, вследствие чего почвы на таких выветрелых субстратах (элювии пород) чрезвычайно бедные, малоплодородные.
Основные магматические породы — базальт, габбро и др., как правило, имеют темную (до черной) окраску. Для них характерно более низкое по сравнению с кислыми породами содержание SiOj. Основные магматические породы относительно богаты соединениями железа, марганца, хрома, кобальта, цинка, титана, никеля, меди. Продукты их выветривания довольно быстро приобретают глинистый характер, длительно сохраняют щелочную и нейтральную реакцию, отличаются повышенным содержанием гумуса и глинистых минералов. Почвы на таких породах более плодородны.
Кроме кислых и основных пород нередко встречаются магматические породы переходного типа (средние) — интрузивные породы группы диорита и их эффузивные аналоги — андезиты. Соответственно и почвы на этих породах приобретают черты, сходные с почвами, приуроченными к кислым или основным породам. Значительно реже распространены ультраосновные породы: перидотиты и пикриты, у которых содержание Si02 самое низкое.
Метаморфические породы — переходные между массивно-кристаллическими и осадочными породами. Древние осадочные породы при погружении, высоком давлении и температурах метаморфизируются, образуя гнейсы, серпентиниты, мрамор, кварциты, глинистые сланцы. Гнейсы по своему составу особенно близки к гранитам. Почвы, формирующиеся на таких породах, имеют сходные черты с почвами на собственно кислых магматических породах.
Осадочные почвообразующие породы преобладают на земной поверхности и по своему генезису делятся на породы морского и континентального происхождения. По объемной массе они легче магматических пород и разнообразнее по сложению, цвету, структуре. Доминируют глинистые сланцы (77 %), песчаники и известняки встречаются значительно реже (11,3 %). Среди осадочных пород морского происхождения наиболее типичны известняки, конгломераты, кварциты, песчаники, глинистые сланцы, глины. Континентальные осадочные породы представлены конгломератами, галечниками, песчаниками, песками, глинами, суглинками, солями и другими отложениями. Они плащом покрывают изверженные магматические породы и древние морские осадочные породы, образуя покровы на горных хребтах, в конусах выноса и дельтах рек. Возраст осадочных пород сильно варьирует от древних (десятки и сотни миллионов лет) до молодых — четвертичных (десятки и сотни тысяч лет). Четвертичные отложения, как правило, более рыхлые и территориально тяготеют к регионам четвертичных оледенений.
По происхождению и химизму осадочные породы делятся на следующие группы.
Механические наносы: а) грубообломочные (> 1 мм) — каменистая морена, галечники, отложения щебня, дресвы, гравия; б) пески (1—0,1 мм) — прибрежные, ледниковые, речные (флювиальные), эоловые; в) суглинки (0,1 — 0,01 мм) — ледниковые, флювиальные (среди суглинистых осадочных пород особенно важны лессы и лессовидные породы, распространенные в Центральной Азии, Восточной и Западной Европе, США, Аргентине, Уругвае); г) глины (<0,01 мм) — осадки стоячих водоемов, рек, озер, лагун, эстуариев, заливов и т.д.