Изучение почв и почвенных покровов Земли началось значительно позже исследований таких элементов природы как растительный и животный мир. Наука почвоведение начала развиваться лишь во второй половине XIX века, значительно позже других естественных наук. В 1930-е годы начинает формироваться наука о древних (ископаемых) почвах и древнем почвообразовании – палеопедология. С момента возникновения органической жизни на земле процессы почвообразования происходили непрерывно, изменялись лишь их интенсивность и характер.
В настоящее время выявлены ископаемые почвы в большинстве геологических систем. Наиболее детально в мире изучаются почвенные покровы, существовавшие в плейстоцене (последний миллион лет). В этой области знаний украинские палеопедологи занимают ведущие позиции в мире. Установлены общие закономерности развития процессов почвообразования во времени и их ритмичность – этапы интенсивного почвообразования (в тёплые эпохи) чередовались с его замедлением и затуханием с преобладанием механического накопления осадочного материала (в холодные этапы). Это приводило к накоплению осадочной толщи, в которой чередовались ископаемые почвы различного происхождения с горизонтами лёссов и лессовидных суглинков.
Мелиорация почв Украины
Значительные площади в Украине занимают малоплодородные почвы: переувлажнённые почвы Полесья (более 3 млн. га) и предгорий Карпат (около 400 тыс. га); солонцы, солончаки и солоди лесостепи и степи (840 тыс. га) и почвы на эродированных склонах.
В современном природно-хозяйственном комплексе охрана и улучшение почвенных ресурсов является важнейшей задачей. Почвенные мелиорации (от лат. melioratio – улучшение) – это приёмы коренного улучшения свойств почв, направленные на оптимизацию почвенных условий развития сельскохозяйственных растений. Они обеспечивают улучшение неблагоприятных природных свойств малоплодородных почв, защиту высокоплодородных почв (их гумусного слоя) от разрушающего влияния неблагоприятных внешних природных процессов, предотвращение появления в почвах новых неблагоприятных свойств (засоленности, солонцеватости, уплотнённости и т.д.) и восстановление плодородия почв, нарушенного распашкой склонов, затоплением и подтоплением земель вблизи водохранилищ и т.д
Лесостепная зона сформирована под влиянием условий, которые в той или иной степени присущи лесной и степной зонам. Лесостепь — переходная полоса между этими зонами, что нашло свое отражение в характере почвообразования и особенностях почвенного покрова.
Главная отличительная особенность лесостепной зоны — неустойчивый характер увлажнения, переходный от влажного к засушливому.
Климат лесостепной зоны благоприятен для возделывания практически всех основных сельскохозяйственных культур, так как количество поступающей с осадками влаги уравновешивается приходом тепла (табл. 10). Среднемноголетний режим увлажнения почв — периодически промывной. Растительность отражает переходный характер зоны. Для лесостепи типично чередование лесных участков с открытыми пространствами, занятыми луговыми степями, с черноземами и серыми лесными почвами.
Рельеф лесостепной зоны преимущественно волнистый, с интенсивным и глубоким расчленением территории густой сетью рек, балок и оврагов. Наиболее распространенный элемент рельефа — склоны, что способствует развитию современных эрозионных процессов. Плакорные водораздельные участки с крутизной менее 2° представляют собой практически единственные эрозионно-безопасные пахотные земли.
Почвообразующие породы — в основном лёссы, лёссовидные суглинки, глины; главная их особенность — это карбонатность, благоприятные водно-физические и физико-химические свойства.
Лесостепная зона — это сплошная полоса, простирающаяся через всю территорию европейской части России. От границы с Украиной лесостепь подходит к Уральским горам и восточнее — до Алтая в пределах Западно-Сибирской низменности. Еще восточнее лесостепь дробится на «острова». Наиболее крупные из них Минусинский, Ачинский, Иркутский, Селенчинский и др. Лесостепь внедряется и в лесную зону. Такие участки называют опольем.
Формирование почв в лесостепной зоне протекает в условиях неустойчивого атмосферного увлажнения, сложного расчлененного рельефа, под воздействием широколиственной лесной и травянистой растительности на карбонатной материнской породе.
Светло-серые, серые и темно-серые лесные почвы, а также черноземы оподзоленные, выщелоченные и типичные формируют сложный почвенный покров. Однако общая закономерность залегания зональных лесостепных почв — это постепенная смена их подтипов от светло-серых лесных почв до черноземов типичных при движении с севера на юг.
Сформировавшиеся в лесостепной зоне почвы имеют почвенный профиль, дифференцированный по элювиально-иллювиальному типу (кроме чернозема типичного). Ведущими почвообразовательными процессами в этой зоне являются: гумусово-аккумулятивный, лессиваж, оподзоливание, выщелачивание, окарбоначивание.
Гумусово-аккумулятивный процесс — это аккумуляция в верхних слоях почвы органического вещества и биофильных элементов, формирование гумусово-аккумулятивных горизонтов.
В лесостепи процесс почвообразования проявляется по-разному. В широколиственных лесах основной источник органического вещества почвы — опад древесных растений, роль травянистой растительности незначительна.
Поступающий на поверхность почвы опад лиственных пород богат азотом (50—90 кг/га), основаниями и кальцием (70— 100 кг/га). Органические соединения, образующиеся в процессе микробной трансформации опада, частично нейтрализуются основаниями, что в условиях ослабленного промывного режима способствует формированию сложных гумусовых веществ с большим содержанием гуминовых кислот, не связанных с кальцием.
Под сомкнутыми широколиственными лесами формируются преимущественно светло-серые и серые лесные почвы, которым присуща дифференциация профиля по элювиально-иллювиальному типу. Однако органо-минеральные соединения этих почв не носят ярко выраженных признаков разрушения. Осветление лесов, увеличение доли травянистой растительности, преобладание в древостое дуба, липы усиливают процесс гумусонакопления.
Увеличение сухости территории, колебания суточных и сезонных температур, сокращение сезонного анаэробиоза усиливают разложение богатой зольными элементами подстилки, образование гуминовых кислот, связанных с кальцием. В этих условиях формируются темно-серые лесные почвы и черноземы оподзоленные. Для них характерно сохранение четко диагностируемого деления профиля на зоны вымывания и аккумуляции. Однако в этих почвах трудно установить признаки разрушения органоминеральных соединений, формирование новых почвенных минералов в иллювиальном горизонте.
Улучшение теплового режима способствует смене растительности на луговые степи. Травянистая растительность обладает мощной корневой системой, ежегодным возвратом в почву большей части накопленной за вегетационный период фитомассы. Количество азота, биофильных элементов в опаде возрастает. Гумификация органического вещества имеет четко выраженную гуматную направленность. Преобладают гуминовые кислоты, связанные с кальцием. Здесь формируются черноземы типичные, а в западинах, замкнутых понижениях — черноземы выщелоченные.
В местах с высоким уровнем грунтовых вод отмечаются серые лесные глеевые и лугово-черноземные почвы. Обилие влаги при непромывном водном режиме способствует накоплению в почвах гумуса, гуминовых кислот, подтягиванию карбонатов. Разделение профиля на элювиальный и иллювиальный горизонты сглаживается.
Второй по значимости процесс почвообразования в лесостепи — лессиваж, или лессивирование, — это процесс переноса илистых частиц без предварительного химического разрушения. Он развивается под лиственными лесами при участии органических кислот.
Лессиваж сочетается с третьим ведущим процессом почвообразования в лесостепи — оподзоливанием. В оподзоленных лесостепных почвах обезыливание верхних горизонтов — следствие процесса лессиважа, что подтверждается однородностью валового химического, а также минералогического состава илистой фракции по генетическим горизонтам.
Один из ярко выраженных морфологических признаков оподзоливания — кремнеземистая «присыпка», характерная для черноземов оподзоленных, может отсутствовать в темно-серой лесной почве и появиться в серых и светло-серых лесных почвах.
Кремнеземистая присыпка возникает в результате растворения органическими гумусовыми кислотами коллоидных органо-минеральных пленок, обволакивающих зерна кварца. Вынос растворенных веществ в иллювиальный горизонт приводит к обогащению последнего гидроксидами железа, алюминия и оглинению, образованию призмовидно-ореховатой структуры. Эта свойственная иллювиальному горизонту структура формируется главным образом в результате лессиважа.
Четвертый процесс почвообразования — выщелачивание. Это процесс обеднения почвенных горизонтов химическими элементами (прежде всего солями, карбонатами кальция) в результате их растворения и выноса нисходящими токами влаги.
В лесостепи по мере развития травянистой растительности, большего поступления органического материала в почву, увеличения доли гуминовых кислот лессиваж ослабевает и заменяется выщелачиванием. Выщелачивание может привести к выносу карбонатов кальция за пределы почвенного профиля. В серых лесных почвах нисходящий ток влаги, вымывая карбонаты кальция, определяет мощность почвенного профиля.
В черноземе оподзоленном процессы лессиважа и выщелачивания обусловливают появление карбонатов кальция только в материнской породе. Профиль чернозема выщелоченного сформирован в результате вымывания карбонатов. Карбонаты кальция находятся за пределами профиля, что служит одним из важнейших диагностических признаков.
Пятым процессом почвообразования, который наблюдается в лесостепи и определяет облик большинства типов почв, является окарбоначивание. Это процесс вторичной аккумуляции карбоната кальция при отложении его почвенными водами, насыщенными карбонатом. Он протекает не во всех почвах лесостепи. Водно-термический режим лесостепи сформировал в материнской породе карбонатные отложения в форме журавчиков. Новообразованные формы выделения карбонатов характеризуются наличием псевдомицелия, бесформенных пятен, мучнистых скоплений.
В лесостепи при использовании в пашне серых лесных почв и черноземов оподзоленных может происходить подтягивание по капиллярам к поверхности растворов с карбонатами кальция, наблюдается реградация (проградирование), или вторичное окарбоначивание оподзоленных почв. Это приводит к разрыхлению уплотненных горизонтов, усилению закрепления гумуса, усреднению реакции почвенного раствора. Такие почвы называют реградированными или проградированными.
Зональными почвами лесостепи считаются серые лесные почвы и черноземы (оподзоленные, выщелоченные и типичные).
Генетический профиль серых лесных почв характеризуется четким разделением на зоны выноса ила, гидроксидов и зону их накопления. В верхнем, небольшом по мощности горизонте отмечается аккумуляция органического вещества. В серых лесных почвах нет чисто элювиального (подзолистого) горизонта, в нем всегда присутствует гумус. Поэтому в серых лесных почвах выделяют гумусово-элювиальный и элювиально-иллювиальный горизонты; в светло-серых лесных встречается элювиальный гумусированный горизонт — светлый с обильной белесой присыпкой (А(А2).
Поглощающий комплекс серых лесных почв более насыщен основаниями, чем дерново-подзолистых почв, а материнская порода в большинстве случаев карбонатная и затронута процессом иллювиирования. Серые лесные почвы подразделяют на подтипы: светло-серые, серые и темно-серые лесные почвы.
Светло-серые лесные почвы характеризуются плитчатой структурой гумусово-элювиального горизонта с обильной белесой кремнеземистой присыпкой, очень слабой гумусированностью, а также плотным иллювиальным горизонтом с призматической структурой и четкой коллоидной лакировкой по граням структурных отдельностей. Карбонатный горизонт может отсутствовать.
Светло-серые почвы легкого гранулометрического состава отличаются рыхлым сложением, призмовидной структурой иллювиального горизонта, значительно меньшим количеством гумуса в верхних горизонтах.
Серые лесные почвы обладают более темной окраской гумусово-элювиального горизонта за счет большого количества накопленного органического вещества, менее выраженной дифференциацией профиля. В гумусово-элювиальном горизонте отсутствует слоисто-плитчатая структура, менее обильна кремнеземистая присыпка.
Темно-серые лесные почвы характеризуются значительной аккумуляцией органического вещества, меньшей степенью проявления дифференциации профиля по элювиально-иллювиальному типу, слабокислой реакцией почвенного раствора. В целинных темно-серых почвах часто отсутствует лесная подстилка, возрастает значение карбонатов.
Развитие темно-серых почв на некарбонатных породах незначительно изменяет описанные морфологические и диагностические признаки.
Наибольшего изменения диагностические морфологические признаки претерпевают в процессе сельскохозяйственного использования серых лесных почв. Поэтому на уровне подтипа выделены светло-серые лесные освоенные, светло-серые лесные окультуренные, серые лесные освоенные и темно-серые лесные освоенные почвы.
Для этих почв характерны увеличение мощности верхнего гумусово-элювиального горизонта, распыление структуры, уменьшение содержания гумуса в горизонте А,А2 (Не, НЕ).
Генетические горизонты, расположенные глубже (25—30 см), претерпевают незначительные морфологические изменения. Уменьшается мощность элювиально-иллювиального горизонта, изменяются физико-химические и агрохимические показатели почв.
Серые лесные почвы, расположенные в западинах, на слабо-дренированных водоразделах, в нижней части склонов при высоком залегании грунтовых вод, а также при наличии водоупоров подвергаются переувлажнению и нередко оглеению, формируют тип серых лесных глеевых почв.
Согласно широтно-зональной закономерности размещения почв в лесостепи за темно-серыми лесными почвами следуют черноземы.
Черноземы. К ним относятся темноокрашенные высокогумусированные почвы, не имеющие признаков современного переувлажнения.
Генетический профиль черноземов лесостепи характеризуется мощным гумусово-аккумулятивным горизонтом, отсутствием перераспределения ила, гидроксидов железа и алюминия по профилю почвы, постепенным снижением гумусированности к материнской породе и неизменной почвообразующей, как правило, карбонатной породой.
Черноземы лесостепи подразделяют на подтипы: черноземы оподзоленные, черноземы выщелоченные, черноземы типичные.
Черноземы оподзоленные наиболее близки к темно-серым почвам, так как характеризуются слабой дифференциацией профиля по элювиально-иллювиальному типу. Им свойственно наличие кремнеземистой присыпки в нижней части гумусово-аккумулятивного горизонта; отмечаются затеки глины, ила, гидроксидов железа.
В черноземах оподзоленных возможно выделение горизонта иллювиированной материнской породы.
Черноземы выщелоченные характеризуются отсутствием карбонатов в почвенном профиле. Дифференциация профиля на зоны вымывания и вмывания не имеет строгого морфологического подтверждения; отмечается некоторое осветление нижней части гумусово-аккумулятивного горизонта (слабое элювиирование), а для переходных горизонтов характерна ореховатая и призмовидно-комковатая структура (слабое иллювиирован ие). Главный диагностический признак — глубина вскипания карбонатов от НС1 в материнской породе.
Черноземы типичные отличаются наиболее четко выраженными морфологическими признаками черноземообразования. Это накопление гумуса, биофильных элементов в верхней полуметровой толще, неглубокое залегание карбонатов, отсутствие перераспределения коллоидов по профилю.
Среди черноземных почв в условиях избыточного увлажнения, которые могут возникать в результате скопления влаги поверхностного стока в западинах, у подножия склонов или при высоком уровне грунтовых вод (сезонная верховодка на глубине 3—7 м), формируется новый тип почв — лугово-черноземные.
Лугово-черноземные почвы. Наибольшее распространение они имеют в лесостепной зоне. Это полугидроморфные аналоги черноземов. Морфологическое строение лугово-черно-земных почв сходно с черноземами. Отличительными признаками являются оглеение в нижней части профиля и повышенное содержание органического вещества.
Особенность лугово-черноземных почв — периодическое исчезновение признаков глееватости в сухие периоды года. Поэтому для установления ареала лугово-черноземных почв необходимо учитывать условия рельефа и характер гидрологического режима территории.
Подразделение черноземов на виды проводят по содержанию гумуса и мощности гумусового слоя. По содержанию гумуса выделяют черноземы тучные — более 9 %, среднегумусовые — 6—9, малогумусовые — 4—6 и слабогумусированные — менее 4 %. По мощности гумусового слоя— сверхмощные (более 120 см), мощные (80— 120 см), среднемощные (40—80 см), маломощные (25—40 см).
Классификацию почв лесостепи проводят на основании стабильных генетических признаков, а также приобретенных в процессе сельскохозяйственного использования почв новых агрогенетических показателей.
Светло-серые и серые лесные почвы характеризуются кислой реакцией среды в верхних горизонтах (рН 4,5—5,0) и преобладанием фульвокислот, содержание которых в глубь по профилю снижается. Емкость поглощения в светло-серых почвах составляет 14— 18 мг экв/100 г почвы, в серых лесных — 18—30 мг • экв/100 г почвы. В иллювиальном горизонте емкость поглощения заметно возрастает, что связано с обогащением данного слоя илистыми частицами. Агрофизические свойства этих почв неудовлетворительные: слабая структурность, распыленность, низкая водопрочность агрегатов в гумусово-элювиальном горизонте.
Серые лесные глеевые почвы характеризуются меньшей дифференциацией профиля по сравнению с неоглеенными, большим содержанием органического вещества, преобладанием гуминовых кислот, связанных с кальцием, большей насыщенностью основаниями почвенного поглощающего комплекса.
В темно-серых лесных почвах накапливается больше гумуса и азота, что свидетельствует о более интенсивном развитии дернового процесса. В составе гумуса преобладают гуминовые кислоты.
Черноземы оподзоленные характеризуются наличием бескарбонатного слоя между гумусовым и карбонатным горизонтами иллювиированной материнской карбонатной породы, обильной кремнеземистой присыпкой в гумусовом и переходных горизонтах. Наблюдаются обеднение верхней части профиля гидроксидами железа и алюминия и некоторое накопление их в переходном иллювиированном горизонте. Отмечается также накопление илистой фракции, что вызвано не столько вымыванием илистых частиц из верхних горизонтов, сколько образованием высокодисперсного материала в результате разрушения первичных минералов.
Реакция верхних горизонтов слабокислая — рН 5,5—6,5, емкость поглощения 30—45 мг экв/100 г почвы и зависит в основном от гранулометрического состава. Коллоидный комплекс насыщен основаниями только в переходном иллювиированном горизонте, возможно содержание 2—3 % обменного водорода.
Черноземы выщелоченные имеют близкую к нейтральной реакцию почвенного раствора, отмечается преобладание гуминовых кислот над фульвокислотами (Сгк:СфК= 1,5—2). Характеризуются высокой емкостью поглощения (до 50 мг экв/100 г почвы), которая несколько уменьшается (до 50 %) в нижележащих горизонтах. Коллоидный комплекс практически полностью насыщен основаниями. Однако отмечается обедненность гидроксидами железа, алюминия и илом верхней части гумусового горизонта (в пределах 10—15 %).
Чернозем типичный имеет стабильные характеристики по профилю. Колебание валового состава связано с пестротой почвообразующих пород. Реакция почв близка к нейтральной (рН 6,5—7), в карбонатных горизонтах слабощелочная. Содержание гумуса плавно снижается вниз по профилю при устойчивом преобладании гуминовых кислот (Сгк: Сфк = 2 и более). Емкость поглощения в гумусовом горизонте высокая (35—60 мг экв/100 г почвы) и понижается с глубиной. Агрофизические параметры близки к оптимальным.
В процессе сельскохозяйственного использования почв лесостепи происходят качественные изменения показателей, определяющих их агрономические свойства: снижается содержание гумуса, начинается разрушение водопрочной структуры, уменьшается емкость поглощения. Наибольшую опасность представляют эрозионные процессы, которые приводят к утрате верхнего плодородного слоя.
Рациональное использование пахотных земель сопряжено с окультуриванием почв, что необходимо для повышения продуктивности сельскохозяйственных угодий.
По степени окультуренности почвы лесостепи разделяют на три уровня. У черноземов правильнее различать уровни плодородия, а не окультуренности, так как даже высокоплодородные пахотные почвы по основным агрономическим показателям не превосходят целинные аналоги. Характеристики серых лесных почв в процессе их рационального использования изменяются положительно.
Низкий уровень плодородия присущ почвам, которые по своим природным или приобретенным свойствам практически не поддаются окультуриванию. Их улучшение требует больших трудовых и финансовых затрат. Использование таких почв в качестве пахотных нерационально. Низкому уровню окультуренности и плодородия серых лесных почв соответствуют освоенные пахотные земли.
Средний уровень окультуренности соответствует существующему состоянию почвенного плодородия лесостепных почв. Значения отдельных его показателей могут быть адекватны низкому или высокому уровню окультуренности, но по урожайности эти почвы отвечают среднему уровню.
Высокий уровень окультуренности серых лесных почв и оптимальный уровень плодородия черноземных почв соответствуют наиболее высокому потенциальному уровню плодородия. Для оптимального уровня плодородия характерно отсутствие лимитирующих продуктивность показателей почвы. Продуктивность зависит от погодно-климатических и социально-экономических условий. Изменение технологических приемов, внедрение новых сортов и видов растений приводят к изменению оптимальных агрономических показателей почв.
Окультуривание почв лесостепи предусматривает:
улучшение агрофизических показателей, обусловленное накоплением гумуса в верхних слоях за счет гуминовых кислот, связанных с кальцием, при рациональной обработке пахотного слоя;
накопление доступной растениям влаги в почвогрунте при комплексной защите почв от эрозии, переводе поверхностного стока во внутрипочвенный;
изменение реакции почвы и поддержание на оптимальном уровне, главным образом путем внесения кальцийсодержащих соединений;
сохранение для черноземов присущих целинным аналогам свойств, благоприятных для сельскохозяйственных культур.
Возделываемые в лесостепи культурные растения характеризуются высокой потребностью в питательных элементах, значительным выносом питательных веществ из корнеобитаемого слоя. Это предполагает ежегодный возврат большого количества их в почву для поддержания плодородия. Возделывание пропашных технических культур, занимающих до 30 % посевных площадей, на фоне высокой микробиологической активности и меньшего поступления органического материала с пожнивными остатками в почву усиливает минерализацию гумуса. Эта особенность земледелия обусловливает необходимость регулярного внесения высоких доз органических удобрений, увеличения посевных площадей, занятых однолетними и многолетними травами, применения минеральных удобрений.
Использование потенциально богатых почв в климатически благоприятных для произрастания культурных растений условиях выдвигает новую и в современных условиях главную задачу окультуривания: определение экологически безопасного и экономически целесообразного уровня интенсификации сельскохозяйственного производства.