Органическое выветривание.

Органическое выветривание выражается в преобразовании горных пород растениями и животными. Корни растений, проникающие в породу по трещинам и порам, кроме физического разруше­ния породы, извлекают из нее необходимые для жизнедеятельности минеральные вещества (К, Р, S, Ca, Na, Mg, Fe, Al, Si и др.), а после отмирания разлагаются на органические кислоты, которые усиливают активность химических процессов (растворение и гидролиз) и превращаются в новые минеральные соединения. Особенно большую роль в таком биологическом круговороте вещества играют микроорганизмы (грибки и бактерии).

Почвы.

Понятие о почве. Может вызвать недоумение, почему наука о почве сложилась только в конце XIX в., хотя люди познакомились с почвой с момента перехода к земледелию, т. е. около 7000 лет назад. Казалось бы, объективные причины должны были обусловить появление науки о почве значительно раньше. Чтобы разобраться в этом, следует, прежде всего, ответить на вопрос: что такое почва?

На первый взгляд этот вопрос довольно простой. Мы живем на почве, ходим по ней, можем в своей памяти вызвать ее зрительный образ, но сформулировать исчерпывающий ответ на вопрос, что такое почва, весьма сложно. Уже это показывает, что почва далеко не простое образование.

Поверхностный слой земли, на котором можно выращивать нужные растения, привлекал внимание людей с появления земледелия. В результате многовекового практического опыта и на­учных агрономических исследований накопился обширный материал по характеристике поверхностного слоя земли. В середине 30-х годов прошлого века эта отрасль земледелия получила на­звание почвоведения. В соответствующих учебниках под почвой подразумевали верхний слой земли, содержащий основную массу корней растительности.

В процессе развития геологических исследований было обнаружено, что верхняя часть горных пород, находящихся на поверхности, в большей или меньшей степени изменена. На месте массивных горных пород образуется толща рыхлого элювия — кора выветривания. Этот элювий и продукты его переотложения стали также называть почвой.

Таким образом, к середине XIX в. сложились агрономическое и геологическое представления о почве, которые существенно различались между собой. Достаточно сказать, что мощность почвы согласно агрономическому представлению не превышала полметра, а по геологическому представлению могла иметь величину в несколько сотен метров. Однако следует ли отсюда вывод, что в природе существует несколько почв: одна — почва агрономическая, другая — почва геологов, третья — почва строителей и т. Конечно, нет. Почва существует в природе объективно, независимо от сознания людей, но является настолько сложным образованием, что на первых стадиях ее изучения исследователи обращали внимание на какое-нибудь одно качество почвы, на одну ее сторону. В результате у исследователей, обращавших внимание на различные стороны почвы, сложились о ней неодинаковые представления.

Почву нельзя отнести ни к минералам, ни к животным или растительным организмам. Но минерал, растение и животное — это определенные природные тела. Следовательно, почва также является самостоятельным природным (естественноисторическим) телом, подобно растению, животному или минералу. Однако сложность понятия почвы заключается в том, что это природное тело состоит из многих составных частей и может существовать только в процессе взаимодействия агентов - почвообразователей — факторов почвообразования.

Основоположник современного научного почвоведения В. В. Докучаев сформулировал «понятие о почве как вполне самостоятельном естественноисторическом теле, которое является продуктом совокупной деятельности грунта, климата, растительных и животных организмов, возраста страны, а отчасти и рельефа местности». Таким образом, В. В. Докучаев открыл почву как особое природное образование. Суть открытия В. В. Докучаева — установление почвы как функции всех факторов почвообразования — не сразу была оценена современниками.

Почвенно-элювиальная функция. Современное почвоведение относит к почвам широкий круг поверхностных образований, начиная от торфяников болот и тучных черноземов до каменистых развалов и песков, находящихся в экстремально жарких или холодных условиях (рис. 42). Одним из конечных продуктов корообразования является глинистое вещество. Оно активизирует микробиологические процессы и способствует образованию гумуса, а кроме того, сохраняет определенную часть солнечной энергии.

Рис. 42. Дифференциация продуктов выветривания в континентальных рыхлых отложениях при вымывании из коры выветривания

Наряду с этим глинистые частички являются хорошими адсорбентами, препятствующими вымыванию гумусовых веществ.

Однако для перечисленных образований больше подходит термин «кора выветривания». В кору выветривания входят как почвы, так и верхние части подстилающих горных пород, преобразованные в гипергенных условиях. В формировании почвенно-элювиального чехла принимают участие не только физико-химические (физическое и химическое выветривание), но и биохимические процессы. В образовании почвенного покрова и коры выветривания принимают участие растения, как низшие, так и высшие, и особенно микроорганизмы. Важное значение имеет накопление почвенного гумуса, в котором аккумулируется ряд важнейших питательных веществ. Разложение гумусовых веществ — это длительно протекающий процесс с участием многих видов микроорганизмов.

Почвенные организмы перераспределяют органическое вещество, вырабатывают более стойкие его модификации, создают фонд минерального питания растений, преобразуют пористую водоемкую структуру почвы. Особенно большую по масштабам и значению работу проводят дождевые черви. Они непрерывно перерабатывают почву и создают копролиты. Последние представляют собой высокопрочные органоминеральные агрегаты, сцементированные слизистыми выделениями из стенок кишечника червей и обладающие определенной стойкостью к размыву и дефляции. Особенно копролиты ценны как питательный субстрат, так как содержат в значительных количествах растворимые соединения фосфора, калия, магния.

Геохимические особенности и мощность коры выветривания напрямую связаны с ландшафтно-климатической зональностью. Наиболее мощная ферриаллитная и аллитная кора выветривания (латериты) приурочена к влажным тропикам и возникает на хорошо дренируемых приподнятых массивах. Там, где дренаж ослаблен, формируется сиаллитная каолинитовая кора выветривания. Там, где существует ослабленный термический режим, как, например, в умеренном поясе, формируются гидрослюдистые и реже монтмориллонитовые коры выветривания.

В глинистых образованиях коры выветривания в большом количестве присутствуют разнообразные бактерии, жизнедеятельность которых вызывает понижение кислотности циркулирующих вод. Несмотря на то, что скорость образования коры выветривания мала и составляет всего 0,02 — 0,5 мм/год, она играет огромную роль, так как служит местом обитания и работы многочисленных микроорганизмов.

При резком дефиците влаги в жарких пустынях в результате капиллярного поднятия богатых кремнием вод возникает кремнистая аккумулятивная кора — силькреты. При несколько лучшем увлажнении в полупустынях и в сухой саванне формируется акку­мулятивная карбонатная кора — калине. В аридных и семиаридных условиях часто возникает своеобразная гипсовая кора — гажа. В условиях тропического переменно-влажного климата на коре выветри­вания образуются кирасы, представляющие собой алюмо-железистую плотную корку.

Отсутствие промывного режима, низкое содержание в подземных водах биогенных веществ, а также высокая их минерализация служат непреодолимым барьером для развития процессов корообразования.

С переходом из областей с жарким климатом в умеренный и далее в холодный пояс наблюдаются сокращение масштабов биогеохимического выветривания и наращивание интенсивности физического типа выветривания.

Почвенно-элювиальный чехол находится в непрерывном развитии. Он то разрушается, то возобновляется. Процессы размыва наблюдаются в тех районах, где поверхность слабо защищена растительностью. Однако там, где почвенно-элювиальный чехол покрыт растительностью, он хорошо предохраняется от размыва и от воздействия температурного фактора. В этих условиях в случае достаточно высокой увлажненности могут выноситься растворенные соединения, т. е. осуществляться биогеохимическая денудация. Таким образом, в создании почвенно-элювиального чехла большая роль принадлежит биосу. Биогеохимическим путем создается основная масса глинистого вещества, которое преобладает среди всех существующих осадочных пород. В этом чехле происходят связывание в осадочном материале солнечной энергии и дифференциация некоторых важнейших элементов литосферы. С геохимическим потоком выносятся К, Na, Mg, Ca, Fe, Mn и происходит остаточное накопление А1, Si, О, Н в коре выветривания. И, кроме того, почвенно-элювиальный чехол является важнейшим резервуаром и восстановителем качества как поверхностных и грунтовых, так и подземных вод.

Факторы почвообразования. Учение о факторах почвообразования является, по выражению самого В. В. Докучаева, краеугольным камнем почвоведения как науки. Изучение почвы в от­рыве от изучения факторов почвообразования может привести к неправильным выводам.

К пяти факторам почвообразования, установленным В. В. Докучаевым,— почвообразующим породам, растительным и животным организмам, климату, рельефу и времени — позже были добавлены воды (почвенные и грунтовые) и хозяйственная деятельность человека.

Кратко отметим особенности отдельных факторов почвообразования.

Почвообразующие породы представляют собой тот субстрат, на котором происходит формирование почвы. Эти породы являются как бы фундаментом и каркасом сложного природного сооружения — почвы. 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 оказывают чрезвычайно сильное влияние на процесс почвообразования.

Поясним это следующим примером. В условиях таежно-лесной зоны обычно формируются почвы подзолистого типа. Однако когда в пределах этой зоны почвообразующие породы содержат повышенное количество карбонатов кальция, то образуются почвы, резко отличающиеся от подзолистых. Например, к востоку от Москвы, в области Мещеры, преобладают подзолистые или болотные почвы на выщелоченных ледниковых отложениях. Но там, где расположены лёссовидные отложения, содержащие повышенное количество карбонатов кальция, формируются серые лесные почвы. В Прибалтике и под Ленинградом, там, где почво­образующие породы обогащены обломками известняков, сформировались своеобразные дерново-карбонатные почвы, резко отличающиеся внешним видом и свойствами от подзолистых почв.

Несмотря на большую важность почвообразующих пород, ведущую роль в почвообразовании играет биологическая деятельность. 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.

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 (рис. 43).

Говоря о растительности, обычно имеют в виду высшие растения. Однако для процесса формирования почв не менее важное значение имеют низшие растения. Благодаря деятельности низ­ших растений происходит разложение остатков отмерших высших растений и синтез содержащихся в них элементов в соединения, усвояемые растениями. Низшие и высшие растения образуют определенные комплексы (растительные формации), под воздействием которых формируются различные типы почв.

Рис. 43. Схема биологического круговорота веществ в системе «почва-растение»

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.

Важное значение для почвообразования имеют животные организмы, которых в почве огромное количество. Почвенные землерои многократно перерывают почву, этим они спо­собствуют ее перемешиванию, лучшей аэрации и быстрейшему развитию почвообразовательного процесса, а также обогащают органическую массу почвы продуктами своей жизнедеятельности. Известно, какое большое значение придавал почвенным организмам такой крупный ученый, как Ч. Дарвин. Он 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.

Важное значение климатических условий для почвообразования давно обратило на себя внимание. С климатом связано обеспечение почвы энергией (теплом) и в значительной мере водой. От величины годового количества поступающего тепла и влаги, особенностей их суточного и сезонного распределения зависит развитие почвообразовательного процесса. Наличие морозного периода обусловливает промерзание почвы, прекращение биологических и резкую подавленность физико-химических процессов. Аналогичный результат получается в засушливых рай­онах в период отсутствия осадков. Движение воздушных масс (ветер) влияет на газообмен почвы и захватывает мелкие частицы почвы в виде пыли. Но климат оказывает влияние на почву не только непосредственно, но и косвенно, воздействуя на биологические процессы (распределение высших растений, интенсивность микробиологической деятельности).

Климатические условия земного шара закономерно изменяются от экватора к полюсам, а в горных странах — от подножия к вершине. В этом же направлении закономерное изменение испытывает состав растительности и животных. Взаимосвязанные изменения столь важных факторов почвообразования влияют на распространение основных типов почв. Следует подчеркнуть, что влияние элементов климата, так же как и всех других факторов почвообразования, проявляется лишь во взаимодействии с другими факторами. Так, например, в условиях высокогорной аль­пийской зоны количество осадков примерно такое же, как в условиях таежной зоны, однако одинаковое количество осадков в первом и во втором случае не обусловливает одинаковый тип почв: в альпийской зоне развиты горно-луговые, а в таежной — подзолистые почвы благодаря существенному различию многих факторов почвообразования.

Определенное влияние на почвообразование оказывают почвенно-гpунтовые воды. Вода является средой, в которой протекают многочисленные химические и биологические процессы в почве. Для большей части почв на междуречных пространствах основным источником воды служат атмосферные осадки. Однако там, где грунтовые воды расположены неглубоко, они оказывают сильное воздействие на почвообразование. Под их влиянием меняется водный и воздушный режимы почв. Грунтовые воды обогащают почвы химическими соединениями, которые в них содержатся, в отдельных случаях вызывают засоление. В переувлажненных почвах содержится недостаточное количество кислорода, что обусловливает подавление деятельности некоторых групп микроорганизмов. В результате воздействия грунтовых вод формируются особые 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. С этим связано явление вертикальной зональности в горах. Сравнительно незначительное изменение высоты сказывается на перераспределении атмосферных осадков. Большое значение для перераспределения солнечной энергии имеет экспозиция склона. Очень часто степень воздействия на почву грунтовых вод определяется особенностями рельефа.

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.

От всех остальных факторов резко отличается влияние на почву человека, точнее, человеческого общества. Если влияние природных факторов на почву проявляется стихийно, то человек в процессе своей хозяйственной деятельности действует на почву направленно, изменяет ее в соответствии со своими потребностями. С развитием науки и техники, с развитием обще­ственных отношений использование почвы и ее преобразование усиливаются.

На протяжении последних десятилетий было установлено, что взаимодействие факторов почвообразования приводит в движение огромные массы вещества. В результате взаимодействия гор­ных пород и живых организмов происходит закономерное перераспределение химических элементов, своеобразный обмен вещества. То же самое имеет место в системах живые организмы — атмосфера, горные породы — выпавшая атмосферная вода и т. п. В почве эти процессы миграции протекают особенно напряженно, так как в них участвуют одновременно все факторы почвообра­зования. Первоначально полагали, что движение химических элементов осуществляется в виде более или менее замкнутых кругооборотов. В дальнейшем выяснилось, что движение вещества в почве многообразно, но основное значение имеют незамкнутые циклы миграции.

Процессы миграции, протекающие при почвообразовании, совершаются не в замкнутой системе, а входят в общепланетарный круговорот химических элементов.

Следовательно, можно заключить, что почва — это особое природное образование, где процессы цикличной миграции химических элементов на поверхности суши, обмена вещества между компонентами ландшафта достигают наивысшего напряжения. Одновременно с энергичным перераспределением вещества в почве активно трансформируется и аккумулируется солнечная энергия.

Основные типы почв. Все почвы можно разделить на два ряда: элювиальные (автоморфные) и гидроморфные почвы.

Элювиальные почвы формируются в условиях глубокого залегания грунтовых вод на междуречьях, когда атмосферные осадки, проникая глубоко, обеспечивают активный вынос продуктов вы­ветривания и органического разложения. В профиле этих почв выделяется два основных генетических горизонта сверху вниз: 1) элювиальный, или горизонт вымывания (А), отличающийся преимущественным выносом веществ в нижние горизонты. Верхняя часть его выделяется как перегнойно-аккумулятивный подгоризонт (A₁), где идет основной процесс накопления гумуса; 2) иллювиальный, или горизонт вмывания (В), где происходит накопление веществ, вынесенных из других частей почвы. Ниже располагается слабо измененная материнская порода или глубокая часть коры выветривания (С) — подпочва. К этому ряду относится большинство почв земного шара. Из них наиболее важны подзолистые почвы, характерные для лесной зоны умеренного климата, и черноземные почвы степной зоны умеренного пояса (рис. 44-45).

Рис. 44. Профиль подзолистых почв Рис. 45. Профиль черноземных почв

Подзолистая почва формируется в лесах, в условиях достаточного количества осадков, которые, просачиваясь глубоко вниз, интенсивно выщелачивают верхние горизонты. Из горизонта А в горизонт В выносятся коллоидные растворы гидратов А1 и Fe; остается только кварц; гумуса почти нет. Поэтому в элювиальном горизонте под маломощными лесной подстилкой и перегнойно-аккумулятивным горизонтом (А₁) образуется светлоокрашенный, лишенный питательных веществ бесплодный подзолистый горизонт (А₂) мощностью 0,1—0,25 м.

В горизонте В происходит коагуляция гидратов Fe и А1, что приводит к цементации и окрашиванию в бурые тона на глубину до 0,9 м.

Черноземная почва развивается в зоне травянистых степей, где количество осадков приблизительно равно испарению. Происходит просачивание на глубину 1—2 м, и затем летом — высы­хание. Выносятся в иллювиальный горизонт (В) только легкорастворимые хлориды, сульфиды, карбонаты, а окислы Fe, A1 и Si остаются. Гумус в нейтральной среде коагулирует, становится неподвижным и накапливается в почве, составляя иногда до 25% веса и обеспечивая плодородность черноземных почв, достигающих мощности 1—1,4 м (рис. 45). При движении к югу от степной полосы ближе к пустыне, где растительности и осадков становится все меньше, уменьшается и количество гумуса; процессы почвообразования затухают, окраска становится светлее; черноземные почвы сменяются последовательно каштановыми (0,7 м), бурыми (0,5—0,6 м) и сероземами (0,2—0,3 м) (рис. 46.).

Рис. 46. Почвенные комплексы сухих степей и полупустынь

Гидроморфные почвы развиваются в условиях избыточного переувлажнения вследствие неглубокого залегания грунтовых вод, когда просачивание вниз и промывка атмосферными осадками исключается. В этом случае возможна обратная миграция влаги по капиллярам вверх в сухое время года. Горизонты А и В выделить трудно.

В жарких степях и пустынях, где воды минерализованы, при испарении в этих условиях вследствие засоления образуются солончаки, гипсовые, содовые, глауберовые, чаще натровые (NaCl),

К северу от подзолистых почв, в полосе тундр, происходит также замещение элювиальных почв гидроморфными. Встречаются они еще и в зоне тайги отдельными пятнами среди подзолистых почв, в переувлажненных низинах, так же, как и солончаки в степной полосе среди каштановых почв. В тайге такие почвы называются торфяно-болотными. Из-за переувлажнения и слабого доступа кислорода происходит обугливание растительных остатков, образование торфа; в восстановительной среде окись Fe переходит в закись; под торфяной подушкой (до 0,5 м) вследствие гидролиза алюмосиликатов образуется зеленовато-серый оглеенный горизонт — болотный глей. В тундре торфяно-глеевые почвы развиты почти повсеместно и, в отличие от лесных, маломощны (0,2—0,3 м).

В связи с особенностями состава материнской породы возникают почвы литогенного ряда. В лесной полосе на карбонатных породах образуется перегнойно-карбонатная почва, или рендзина, обогащенная гумусом. На кварцевых песках образуются подзолистые почвы, где резко (до 1—2 м) возрастает мощность горизонта А₂ (боровые пески). В степях и пустынях образуются солонцы, содержащие растворимые соли по всему профилю; в отличие от солончаков, где засоленность резко увеличивается кверху, в солонцах она может возрастать книзу, что связано с составом материнской породы.

При изменении геологических условий почвы, как и элювий вообще, могут быть перекрыты какими-либо континентальными отложениями. Изучение таких погребенных почв и элювия имеет важное значение в геоморфологии и четвертичной геологии, поскольку оно помогает восстановить историю развития рельефа и климата.