Ковда В.А., Розанов Б.Г. (ред.) Почвоведение. Часть 1 Почва и почвообразование

Подождите немного. Документ загружается.

изогумусовых полос, составленной В. В. Докучаевым в 1883 г.,

с современной Картосхемой содержания гумуса в черноземах

ETC показало резкое обеднение гумусом этих почв за послед-

ние 100 лет (табл. 70), а особенно за последние 20 лет в связи

с увеличением техногенной нагрузки на черноземы.

Отрицательный баланс гумуса свойствен не только распахи-

ваемым черноземам, но и пахотным почвам всех типов, если не

применяются соответствующие мероприятия. Так, по данным

Н.В. Бугаева и А. В. Осиновой (1968), за 30 лет земледелия

потери гумуса в пахотной дерново-подзолистой почве соста-

вили 26% от первоначального содержания, или 0,4 т/(га•год).

При наименее благоприятном балансе эти потери могут достигать

2—3 т/га, например в посевах пропашных культур.

Потери гумуса обусловлены в значительной мере эрозией

почв. Так, на слабоэродированных черноземах запас гумуса

снижен на 5—10% по сравнению с почвами, не затронутыми

эрозией, на средне- и сильно эродированных снижение составляет

30—40%. В среднем на площади черноземной зоны ежегодные

потери гумуса от эрозии могут составлять до 200 кг/га.

Возникла проблема бездефицитного баланса гумуса в окуль-

туренных почвах, т. е. проблема сохранения хотя бы нулевого

баланса. Это достигается определенными приемами агротехники,

включающими обязательное применение органических удобрений,

севообороты с травяным клином, посевы сидератов и промежу-

точных культур, повышение количества растительных остатков

путем увеличения урожайности культур, борьбу с эрозией.

Вместе с отчуждаемой частью выращенной растительной

массы с полей вывозится большое количество элементов питания.

Если в естественных экосистемах эти элементы рано или поздно

с опадом возвращались в почву, то с урожаем сельскохозяйст-

венных культур ежегодно удаляется из почвы 60–70% от по-

требленного количества элементов питания и тем больше, чем

выше урожай. При средних урожаях на разных почвах под раз-

ными культурами вынос (в кг/га) азота колеблется от 65 до 285,

фосфора (Р

) —от 26 до 67, калия (K

O) —от 42 до 235.

Кроме того, выносятся десятки и сотни килограммов на 1 га

таких биофильных элементов, как кальций, магний, сера. Эти

потери компенсируются применением минеральных и органиче-

ских удобрений. Однако, по данным А. В. Петербургского (1979),

за счет органических и минеральных удобрений и в меньшей

степени других источников в среднем по СССР бездефицитным

является лишь баланс фосфора. Баланс двух других питатель-

ных элементов сводится с дефицитом (табл. 71). Баланс всех

питательных элементов под зерновыми и подсолнечником не

скомпенсирован.

Необходимо подчеркнуть, что приведенные показатели не-

скомпенсированности баланса питательных элементов занижены,

так как в числе потерь не учтены потери питательных элементов

с эрозией. В зоне подзолистых почв ежегодно смывается в сред-

378

Таблица 70. Изменение содержания гумуса и его потери в пахотном слое

(0—30 см) черноземов лесостепи ETC за 100 лет

(Г. Я. Чесняк, 1983)

Подтип черноземов

Районы исследований

Содержание и запасы гумуса

Потери

гумуса за

100 лет,

т/га

Среднего-

довые по-

терн гуиу-

са,т/га

Потери

гумуса от

исходных

запасов, %

Подтип черноземов

Районы исследований

1881 г.

1981 г.

Потери

гумуса за

100 лет,

т/га

Среднего-

довые по-

терн гуиу-

са,т/га

Потери

гумуса от

исходных

запасов, %

Подтип черноземов

Районы исследований

% к мас-

се почвы

т/га

% к мас-

се почвы

т/га

Потери

гумуса за

100 лет,

т/га

Среднего-

довые по-

терн гуиу-

са,т/га

Потери

гумуса от

исходных

запасов, %

Черноземы типичные

То же

Черноземы выщелочен-

ные

Черноземы обыкно-

венные

Черноземы типичные

Черноземы обыкно-

венные

Черноземы выщело-

ченные

Тамбовская и Воро-

нежская области

Курская и Харьков-

ская области

Ставропольский край

Воронежская обл.

Молдавская ССР

Куйбышевская обл.

Оренбургская обл.

Ульяновская обл.

10–13

7–10

4–7

13–16

9–11

13–16

300–390

221–315

231–330

221–315

126–221

390–480

270–330

390–480

7–10

4–7

2–4

8–10

6–8

4–7

210–300

142–248

150–263

75–150

240–300

180–240

120–210

67–79

67–81

52–71

51–71

150–180

270

0,9

0,7–0,8

0,5–0,7

1,5–1,8

0,9

2,7

23–30

21–36

20–34

17–32

32–40

38–39

27–33

56–69

379

нем с каждого гектара пашни 1 т почвы, в черноземной зоне эта

величина возрастает до 4 т. При этом с каждого гектара рас-

паханного чернозема с твердым стоком выносится в среднем

(в кг): N — 20, К — 7, Р — 6, Са — 50, Mg — 25, S — 8.

20.8. Водно-солевой баланс

Осушительные и оросительные мелиорации изменяют водный

и солевой баланс территорий и почв. При осушении увеличива-

ются расходные статьи водного баланса и он становится отрица-

тельным; при орошении резко возрастают приходные статьи

баланса и он становится положительным.

Проектирование новых осушительных и оросительных систем

и водных мелиораций должно базироваться на знании естествен-

ного водно-солевого баланса территории и его прогнозе после

орошения и осушения. Переосушка и развеивание гидроморфных

почв, вторичное засоление и заболачивание орошаемых почв

связаны главным образом с явлениями резкой декомпенсации

баланса грунтовых вод и вместе с тем водного баланса почв,

вызванными ошибками проектирования и эксплуатации ороси-

тельных систем.

Рассмотрим изменение водно-солевого баланса почв при оро-

шении. В числе приходных статей баланса появляются ороси-

тельные воды. Как правило, на поля подается больше воды, чем

может быть потреблено растениями. Избыток поливной воды сте-

кает вниз по профилю и пополняет грунтовые воды. Этот источ-

ник пополнения грунтовых вод — инфильтрацию на поливных

и промывных полях обозначим I

inf

. Кроме того, приходная часть

баланса грунтовых вод возрастает за счет инфильтрации в ир-

ригационных каналах (I

inc

), инфильтрации из водохранилищ (I

sip

инфильтрации избыточных сбрасываемых вод (I

). К статьям

расхода на орошаемых полях добавляется лишь отток в дрены —

Таблица 71. Баланс питательных веществ в земледелии СССР

(А. В. Петербургский, 1979 год)

Пита-

тельные

вещества

Поступление в почву, млн. т

Отчуж-

дение

урожа-

ями,

млн.

Баланс

Пита-

тельные

вещества

с органи-

ческими

удобре-

ниями

с мине-

ральны-

ми удоб-

рениями

с посев-

ным ма-

териалом

за счет

симбио-

тической

фиксации

Всего

Отчуж-

дение

урожа-

ями,

млн.

кг/га

пашни

2,82

1,27

2,96

6,53

4,02

4,19

0,64

0,26

0,27

0,44

–

10,43

5,55

7,42

12,68

4,36

12,00

–

2,25

+ 1,19

– 4,56

– 10,3

+ 5,5

–

20,9

380

, если оборудован искусственный дренаж. Для орошаемых

территорий баланс грунтовых вод выражается формулой

+ I

inf

+ I

inc

+ I

sip

+ I

=/>,

</Q

+ Q

. (100)

Если отток от дрены не превышает дополнительных приход-

ных статей, это увеличивает запас грунтовых вод и вызывает

подъем их уровня. В связи с изменением баланса грунтовых вод

и водного баланса в целом меняется и солевой баланс террито-

рии и почв. Однако солевой баланс не является простым отра-

жением элементов и знака водного баланса.

В формировании солевого баланса большую роль играет ис-

ходный запас легкорастворимых солей в грунтовой воде и поч-

венной толще, поскольку эти соли очень легко мобилизуются

и перераспределяются в почвенно-грунтовой толще. Вторым

важным фактором является концентрация солей в оросительной

воде, почвенных растворах и, особенно, грунтовых водах. При-

нято выделять следующие элементы солевого баланса: 1) сум-

марный запас легкорастворимых солей; 2) приход солей за опре-

деленный период; 3) расход солей за этот же период.

Приходные и расходные статьи баланса совпадают с приход-

ными и расходными статьями водного баланса.

В наиболее общем виде, исключая малозначащие компоненты

баланса, уравнение солевого баланса орошаемых почв можно

записать в следующем виде (В. А. Ковда, 1966):

ΔS = S

+ S

– SUW + S

+ S

– S

, (101)

где ΔS — изменения в суммарном запасе солей; S

— запас солей

в начале балансового периода; S

, — приток солей от грунтовых

вод; S

— приток солей с ирригационными водами; S

— приток

солей из атмосферы; SUW — вынос солей в грунтовые воды;

— вынос солей с урожаем.

Выделяют три основных типа солевого баланса при орошении:

1) транзитный, когда содержание солей почти не меняется и ба-

ланс грунтовых вод регулируется в основном их слабым подзем-

ным стоком и транспирацией; 2) положительный накопительный

баланс — засоление; в этом случае баланс грунтовых вод регули-

руется в основном испарением; 3) отрицательный баланс — рас-

соление; баланс грунтовых вод регулируется в основном подзем-

ным оттоком.

При орошении необходимо поддерживать либо транзитный

баланс (в случае использования незаселенных почв), либо отри-

цательный баланс, если орошаются засоленные почвы. Отрица-

тельный баланс достигается с помощью правильно построенной

дренажной системы.

Глава двадцать первая

ПЕРВИЧНОЕ ПОЧВООБРАЗОВАНИЕ

21.1. Концепция первичного почвообразовательного

процесса

Под первичным почвообразованием понимается развитие

почвообразовательного процесса под воздействием литофильных

организмов на плотных магматических, метаморфических либо

осадочных породах.

В результате первичного почвообразования на скальных гор-

ных породах формируются «эмбриональные» почвы, «препочвы»,

«почвы-пленки» мощностью от нескольких миллиметров до не-

скольких сантиметров, часто образующие лишь фрагментарный

почвенный покров среди выходов скал и каменистых осыпей.

Эти специфические природные образования не играют существен-

ной роли в общих биосферных процессах, не могут обеспечить

продуктивное развитие растительного покрова и поэтому не рас-

сматриваются в категории продуктивных земельных ресурсов.

Однако важность их теоретического изучения несомненна имен-

но как начального этапа почвообразования на земной поверх-

ности. Вероятно, изучая современное почвообразование под лито-

фильными организмами на плотных скальных породах, можно

в какой-то степени подойти и к изучению древнего почвообразо-

вания на суше Земли, когда только началось ее освоение авто-

трофными организмами. Особенно много исследований в этом

отношении провел академик В. Р. Вильяме, считавший, что

жизнь зародилась именно на суше Земли, в рухляке выветрива-

ния, и что развитие жизни и развитие почвообразования шло

параллельно. Изучение первичного почвообразования действи-

тельно имеет существенный теоретический интерес, позволяя, так

сказать, в чистом виде вскрыть многие закономерности почво-

образования в целом, в частности закономерности взаимодей-

ствия биологического и геологического круговоротов веществ,

процессов разложения и синтеза, процессов аккумуляции и вы-

носа, баланса почвообразования.

В первичном почвообразовании последовательно сменяют

друг друга следующие группировки организмов: микрофлора,

преимущественно бактерии — лишайники, сначала эндолитиче-

ские, затем эпилитические (накипные, листоватые, кустистые) —

мхи — древесные и травянистые растения.

21.2. Почвообразование при участии микрофлоры

Естественно, первые поселенцы должны обладать хорошей

приспособленностью к суровым экологическим условиям среды на

скальных 'поверхностях, где характерны большие амплитуды

382

между дневными и ночными, летними и зимними температурами,

периодичность увлажнения вплоть до полного обсыхания в связи

с отсутствием у субстрата свойства влагоемкости, отсутствие

органического вещества и азота, легкодоступных зольных эле-

ментов, прямое воздействие солнечной радиации. В этих экстре-

мальных экологических условиях первыми поселенцами являются

разнообразные автотрофные микроорганизмы, среди которых

преобладают неспороносные бактерии и микобактерии, способ-

ные к азотфиксации (табл. 72). Присутствуют в составе микро-

флоры и водоросли — диатомовые, зеленые, синезеленые. На

более поздних стадиях в группировках микроорганизмов появ-

ляются гетеротрофы — аммонификаторы и другие микробы, гри-

бы, актиномицеты, нуждающиеся для своей жизнедеятельности

в синтезированном другими организмами органическом веществе.

Таблица 72. Микрофлора примитивных почв на скальных породах, тыс. г

(Н. А. Красильников, 1956)

Горная порода

и район

Мико-

бактерии

Бактерии

Актино-

мицеты

Грибы

Всего

Горная порода

и район

Мико-

бактерии

споро-

носные

неспоро-

носные

Актино-

мицеты

Грибы

Всего

Базальт, Армения

Красный туф, Армения

Известняк, Крым

120

180

335

560

0,1

500

800

Поскольку большинство микроорганизмов этой стадии —

автотрофы, способные создавать биомассу путем хемосинтеза

или фотосинтеза, усваивая С, N, и О атмосферы при наличии

даже следовых количеств воды в среде, в частности за счет

конденсации паров воды на холодной поверхности камня или

в микротрещинах, они должны получать из субстрата минераль-

ные элементы. Биомасса бактерий этой стадии почвообразования

довольно богата элементами питания, она имеет высокую золь-

ность порядка 7—10%, содержит 10—12% азота. Специфичен

состав зольных элементов (%) бактерий: Р

— 42—52,

О + Na

О — 25—30, СаО + MgO — 15—18, Fe

— 1 — 10,

SО

— 3—4. Зольность водорослей такая же или даже выше,

но в составе золы больше щелочно-земельных элементов, чем

щелочных. В золе диатомей существенную роль играет крем-

незем.

Присутствие в золе микроорганизмов зольных элементов свя-

зано с их поступлением из разрушающихся минералов горной

породы, причем поступлением избирательно, не в тех соотноше-

ниях, в которых эти элементы содержатся в минералах. Способ-

ность многих микроорганизмов разрушать минералы была неод-

нократно показана прямыми экспериментами. Н. П. Ремезов,

Н. Н. Сушкина и Л. Е. Новороссова (1947) показали опытным

383

путем разрушение многих первичных и вторичных минералов

«силикатными» бактериями. Н. Н. Сушкина и И. П.Цюрупа позд-

нее продемонстрировали освобождение более 50% первоначаль-

ного содержания калия из микроклина, биотита и бентонита

после трехмесячного воздействия почвенных бактерий.

Естественно, что одновременно с биологическим выветрива-

нием идет и физическое выветривание породы и слагающих ее

минералов. Поскольку устойчивость к выветриванию разных ми-

нералов различна, процесс идет неравномерно, отдельными оча-

гами, но постепенно охватывает всю поверхность породы.

В результате под воздействием микроорганизмов образуется

незначительное количество мелкозема — органо-минеральной

микробной пыли, которая ни в коей мере еще не является почвой,

но уже представляет собой субстрат для поселения более тре-

бовательных к условиям среды организмов. Этот новообразован-

ный субстрат имеет существенные отличия от исходной породы:

в нем содержатся органическое вещество и азот, аккумулирова-

ны биофильные элементы — Р, К, Са, S, Mg и др., а также про-

дукты гидролиза силикатов и алюмосиликатов — гидроксиды Fe,

Al, Mn, опаловидный кремнезем, стяжения СаСО

, с одной сторо-

ны, с другой — вторичные глинистые или глиноподобные пере-

ходные минералы с еще не полностью оформленной кристал-

лической решеткой.

В различных условиях среды образующиеся почвопленки име-

ют разный состав и характер. В холодных (арктика) и жарких

(субтропики, тропики) пустынях образуются карбонатные, соле-

вые, железисто-марганцевые, кремнеземистые налеты, корки типа

«пустынного загара» в связи с отсутствием водного оттока про-

дуктов выветривания и интенсивной кристаллизацией вторичных

соединений. В гумидных условиях идет выщелачивание подвиж-

ных продуктов выветривания и относительное обогащение остатка

неподвижными. Во всех случаях имеет место сдувание материала

ветром и его накопление в микродепрессиях, трещинах.

На образованном микроорганизмами мелкоземе поселяются

лишайники, характерные для второй стадии первичного почво-

образования.

21.3. Почвообразование под покровом лишайников

Лишайники относятся к низшим растениям, тело (талом)

которых состоит из симбиотического переплетения грибного

мицелия и клеток зеленых или желтозеленых, а иногда и сине-

зеленых водорослей, способных к фотосинтезу. Для экологии

лишайников, которых насчитывается несколько десятков тысяч

видов, характерными особенностями служат: а) симбиоз гетеро-

трофного и фотосинтезирующего автотрофного компонентов

в едином организме; б) высокая устойчивость к инсоляции и

высушиванию; в) способность поглощать воду из атмосферы

при низкой относительной влажности воздуха; г) способность

384

прочного прикрепления к плотному субстрату путем образования

грибных присосок разного вида (гаустории, апрессории, импрес-

сории); д) способность проникать своими гифами в субстрат.

Указанные особенности позволяют лишайникам приспособиться

к суровым экологическим условиям скальных поверхностей.

Среди лишайников обнаружены свои сукцессии, связанные

с последовательным развитием субстрата. Первыми поселенцами

являются эндолитические лишайники, обитающие внутри субст-

рата по микротрещинам. За ними следуют эпилитические лишай-

ники, живущие на поверхности субстрата, среди которых после-

довательно сменяют друг друга накипные (корковые), листоватые

и кустистые. Растут лишайники медленно, но живут долго, от

30 до 80 лет.

Воздействие лишайников на субстрат двойственное, механи-

ческое и биохимическое, ведущее к интенсивному выветриванию

породы и накоплению продуктов выветривания. Своим таломом

лишайник защищает новообразованный мелкозем от сдувания

и смыва, что способствует его аккумуляции под лишайниковым

покровом. Механическое действие лишайника на плотную породу

связано с тем, что грибные гифы могут проникать на несколько

миллиметров по микротрещинам между минеральными зернами

в глубь породы, особенно по плоскостям спайности, постепенно

разрыхляя субстрат. С другой стороны, прочно прикрепленный

своими присосками к плотной породе талом лишайника при

чередовании высыхания и набухания (при увлажнении) просто

отрывает от монолитного камня небольшие кусочки породы, так

же постепенно разрыхляя субстрат.

Отличительной особенностью лишайников служит их способ-

ность образовывать и выделять в среду сложные органические

кислоты полифенольного ряда, получившие общее название ли-

шайниковых кислот, которые обладают высокой агрессивностью

по отношению к породообразующим минералам и ярко выражен-

ной хелатирующей способностью по отношению к катионам,

способствуя увеличению геохимической подвижности последних.

Исследования Н. А. Красильникова показали, что слоевища ли-

шайников служат местообитанием многочисленных микроорга-

низмов, включая дрожжевые грибки и бактерии, многие из кото-

рых являются олигонитрофилами и азотофиксаторами.

Лишайники потребляют довольно большое количество золь-

ных элементов из субстрата, хотя зольность их обычно не велика

по сравнению с бактериями (1—2%). Наибольшая зольность

у накипных лишайников, наименьшая — у кустистых. Среди

лишайников есть кальцефилы, обитающие на известняках,

и кальцефобы, обитающие на силикатных породах; некоторые

лишайники весьма специфичны в выборе субстрата, предпочи-

тая либо основные, либо кислые силикатные породы.

Лишайники достаточно сильно воздействуют на плотные по-

роды. Биологическое выветривание на этой стадии первичного

почвообразования протекает более интенсивно, чем на предыду-

385

щей. Под покровом лишайников накапливается уже слой мелко-

зема мощностью несколько миллиметров или сантиметров, обо-

гащенный гумусом (до 30—40%), азотом, биофильными элемен-

тами в доступной растениям форме. Этот мелкозем уже обладает

развитой порозностью, поглотительной способностью, влагоем-

костью, т. е. имеет все свойства почвы, и может, соответственно,

быть отнесен к почвенным образованиям. Примитивные почвы

под лишайниками обладают высокой активной и потенциальной

кислотностью, в составе их гумуса характерно преобладание

фульвокислот над гуминовыми кислотами. В условиях гумидного

климата и элювиальных ландшафтов, а почвообразование под

лишайниками характерно именно для таких условий (в холодных

и жарких пустынях стадия лишайникового почвообразования не

наступает, процесс там задерживается на бактериальной ста-

дии), кислая реакция среды способствует прогрессивному выще-

лачиванию щелочных и щелочно-земельных катионов, хотя воз-

можно и промежуточное окарбоначивание элювия. Мелкозем

под лишайниками содержит, как показала Е. И. Парфенова

(1950) на Кавказе, до 35% глинистых минералов.

21.4. Почвообразование под моховым покровом

Мхи поселяются на достаточно преобразованном лишайника-

ми субстрате, когда мощность примитивной почвы достигает уже

5—10 см. Мхи — это настоящие фотосинтезирующие автотрофы,

нуждающиеся в постоянном наличии в субстрате воды, азота

и элементов зольного питания в доступной растениям форме.

Их роль в непосредственном биологическом выветривании плот-

ных пород не известна в отличие от двух предыдущих групп орга-

низмов. Можно предположить выделение водородного иона

в среду ризоидами мхов при обменном поглощении катионов

из субстрата, но это лишь предположение самого общего харак-

тера. Во всяком случае, для их жизни необходим достаточно

развитый почвенный субстрат со всеми атрибутами настоящей

почвы.

Главная роль литофильных мхов в первичном почвообразо-

вании — это дальнейшее расширение биологического круговоро-

та вещества и на этой основе аккумулятивной ветви почвообра-

зования. Часто они поселяются вместе с лишайниками, образуя

сложный мохово-лишайниковый покров. В составе биоты боль-

шую роль продолжают играть многочисленные микроорганизмы,

особенно гетеротрофные; интенсивно развивается почвенная

фауна.

В мелкоземистом материале на этой стадии существенно

уменьшается содержание грубообломочного материала, содержа-

ние глинистых материалов достигает до 40%, растет обогащен-

ность органическим веществом вплоть до появления оторфован-

ности. Гумусоаккумулятивный горизонт достигает мощности 10—

386

20 см, а образующаяся примитивная почва уже имеет профиль,

состоящий из генетических горизонтов.

Мхи вовлекают довольно много зольных элементов в биоло-

гический круговорот. Зольность их колеблется от 6 до 12%.

Особенно концентрируют мхи серу, кальций, калий, фосфор,

магний.

Постепенно развивающаяся на этой стадии почва служит суб-

стратом для поселения высших растений, травянистых и древес-

ных. Дальнейшее развитие почвообразовательного процесса бу-

дет определяться конкретными сочетаниями факторов почвооб-

разования.

21.5. Роль первичного почвообразования

Образующиеся в процессе первичного почвообразования

почвы распространены на поверхности Земли довольно широко,

занимая большие площади в каменистых пустынях (холодных

и жарких) и в горных странах, особенно на больших высотах.

Это царство физического и биологического выветривания, где

почвообразование идет одновременно с выветриванием, физиче-

ски совмещаясь в едином субстрате.

В холодных и жарких пустынях почвообразование неопреде-

ленно долго задерживается на стадии почво-пленок пустынного

панциря, загара, детрита, покрова, который предохраняет нижеле-

жащие слои плотных пород от дальнейшего выветривания; в

местах, где покров нарушен, а мелкозем сносится ветром, в вы-

ветривание и почвообразование вовлекаются следующие порции

породы.

В гумидных условиях результатом первичного почвообразо-

вания являются более развитые примитивно-щебнистые почвы

с профилем О — А — R либо А — R.

В результате первичного почвообразования образуется субст-

рат для поселения высших растений и создаются условия для

расширенного воспроизводства биосферы на суше планеты.

Одновременно необходимо отметить грандиозную геологическую

роль литофильных организмов и первичного почвообразования

в геологическом круговороте веществ.

В зависимости от различий в климатических условиях и сос-

таве исходных горных пород почвы первых стадий почвообразо-

вания будут различаться между собой, однако эти отличия не

будут выходить за рамки единого типа первичного почвообразо-

вания. Поэтому формирующиеся в первичном почвообразовании

почво-пленки и примитивно-щебнистые почвы практически иден-

тичны (на уровне типа почвы) на всей планете от полярных

районов до тропических, хотя скорости их образования, вероятно,

существенно разные.