Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ПОЧВОВЕДЕНИЕ И ЗАКОНЫ ЭКОЛОГИИ

Околелова А. А.,

2. Факторы почвообразования

 Экзогенные процессы

(процессы внешней динамики)

 Источником энергии внешних процессов является солнечная радиация, превращающаяся на Земли в энергию воды, ветра.

Экзогенные – это процессы преобразования поверхностной части земной коры под действием лучистой энергии Солнца, силы тяжести, воды, воздуха, живых организмов.

Выветривание (гипергенез) – сумма процессов преобразования горных пород и слагающих их минералов на поверхности суши, под влиянием факторов и условий географической среды (Добровольский, Никитин, 2002). Это постоянно идущий процесс раз

                                                Рис. 1. Выветривание

 рушения и химического изменения горных пород на суше при их взаимодействии с атмосферой, гидросферой и живыми организмами, одно из основных звеньев круговорота веществ в литосфере (рис.1).

Выветривание + сила тяжести = перемещение масс

Выветривания + сила тяжести + движущая жидкость = эрозия (Уильмс, 2009).

Продукты выветривания разделяют по размерам: глыбы – более 20 см, щебень 20–1 см, дресва 1–0,2 см, песок 2–0,1 мм, алеврит 0,1–0,01 мм, целит (глина) – менее 0,01 мм.

Дезинтеграция – физическое дробление и выветривание минеральной части почвы.

Гальмиролиз – подводное выветривание, преобразование морских осадков под действием соленой воды (рис. 2).

 

 Рис. 2. Гальмиролиз

 Корразия – механическая обработка обнаженных горных пород при помощи переносимых ветром твердых частиц, шлифовка, высверливание обтачивание (рис. 3).

 Рис. 3. Корразия

                           Причины возникновения выветривания

1. Колебания температур в течение суток, сезонов. Суточные колебания наиболее сильны на поверхности породы, годичные – до глубины 10–20 м. В морском климате они минимальны, в континентальном разница доходит до десятка градусов.

Горные породы расширяются при повышении температуры и сжимаются при охлаждении. Их теплопроводность мала, поверхностные и более глубокие слои нагреваются неодинаково. Из-за этого в породе создается механическое напряжение, которое вызывает появление разрывов между отдельными слоями массивной породы, что является началом дробления. Происходит десквамация  - отшелушивание

 

 Рис. 4. Десквамация

2. Изверженные породы неоднородны, они состоят из зерен минералов различного размера, у них разный коэффициент теплового расширения.

При изменении температуры напряжения возникают не только между слоями, но и отдельными зернами различных минералов по поверхности их соприкосновения.

3. Вода капиллярно всасывается в трещины. При замерзании она расширяется на 1/10 своего объема и раздвигает частицы породы, разрушая ее. Вода с большой силой притягивается поверхностями кристаллов, поэтому входит в трещины с  усилием и оказывает расклинивающее действие, заставляя отдельности, разделенные трещиной, еще более отодвигаться.

В трещины попадают корни, которые тоже разрушают породу. Лишайники, растущие на поверхности скал, при периодическом увлажнении и высушивании то набухают, то съеживаются, отрывают небольшие частицы породы, с которыми прочно скреплены.

4. Оторвавшиеся от основного массива обломки породы скатываются по склону, сносятся водами и дробятся.

5. Ледники захватывают обломки, измельчают и истирают их. В итоге увеличивается общая поверхность породы. Чем она больше, тем большее число ионов находится на поверхностном слое и может участвовать в химическом выветривании (рис. 5).

                                       Рис. 5. Деятельность ледников

Виды выветривания

 Физическое. Распад массивов горных пород на обломки, щебень минералы без изменения их химического состава. Интенсивно в резко континентальных зонах при широком диапазоне дневных и ночных температур.

На поверхности породы происходит шелушение поверхностного слоя в ви-

                                                Рис. 6. Физическое выветривание      

де концентрических слоев – скорлупок (явление десквамации). Физическое выветривание ускоряется при наличии влаги (рнис. 6).

Морозное – разновидность физического. Разрушение пород происходит под воздействием замерзающей воды, проникающей в трещины и поры. Объем льда увеличивается на 9 %. Проявляется в арктических и субарктических зонах. Интенсивно при –45 °С, когда вода замерзает не только в трещинах, но и в капиллярах, разрывая породу и доводя ее до лессовидной (рис. 7).

                                                  Рис. 7. Морозное выветривание

Химическое – это совокупность различных химических процессов (гидролиз, окисление), в результате которых минералы, слагающие породы подвергаются распаду, изменяют свой химический состав и строение, формируют новые минералы и соединения (рис. 8).

 Рис. 8. Химическое выветривание

 Растворение и выщелачивание – итог действия воды. Дождевые капли захватывают из атмосферы газы, обогащают ими породу.

Окисление – переход элементов с низкой валентностью в высоковалентные:

Fes2 + nH2O = mO2  → FeSO4  →  Fe2(SO4)3  →  Fe(OH)3 + H2SO4

пирит                                 сульфат              сульфат           гидроокись                           

                                      закиси железа      окиси железа     трехвалентного    Fe 

Восстановление – элементы с высокой валентностью переходят в соединения с более низкой валентностью (рис. 9):

 

Рис. 10. Зона оксиления и восстановления

                                    Рис.11. Гидратация и растворение

                             Рис. 12. Гидролиз

 До глубины 30 м основные агенты химического выветривания – вода, СО2, О2, температура (рис. 34). Сульфат кальция с водой образует гипс и увеличивается в объеме на 33 %. В кристаллах каждого типа минералов существует определенная геометрическая пространственная система – кристаллическая решетка.

Растворение и выщелачивание – итог действия воды, которая за период циркуляции обогащается растворимыми солями, которые также усиливают разложение (рис. 10-12).

Химическое изменение и разрушение пород с образованием новых минералов и соединений. Интенсивно на экваторе и в тропиках, приводит к накоплению в озерах и болотах полезных ископаемых: бокситов, фосфоритов, никеля, кобальта, осадочного железа.

Живые организмы активно участвуют в химическом выветривании. Выделяя СО2, усиливают его действие на породу. Лишайники ускоряют действие влаги на породу.

                           Процессы превращения:

• глина → алевролит → глинистый сланец → кристаллический сланец → гнейс. При воздействии органических растворов – вместо глинистого сланца – горючий;

• остатки раковин → известняк → мрамор;

• бурый уголь → каменный → антрацит → графит.

Органическое (биологическое) выветривание (рис. 13). Происходит под действием дробления пород корнями растений и кислот, образующихся при разложении растительных и животных остатков, экскрементов животных, микроорганизмов, грибов, лишайников.

 

                                  Рис. 13. Органическое выветривание

 

Диатомовые водоросли, которые строят свой панцирь из кремнезема, разлагают алюмосиликаты, выделяя А1 в виде гидроокиси. Слизистые выделения бактерий разрушают полевые шпаты, грибы рода пенициллин выделяют вещество, разрушающее минералы. Бактерии-нитрификаторы окисляют аммиак, продуцируют азотную кислоту, которая вытесняет из минералов щелочи. Древесные растения на песках превращают биотит в каолинит.

Органические кислоты, образующиеся при разложении биоты, поступают в водные растворы, омывающие частицы минералов, вытесняют катионы из решетки минералов.

 Экзогенные процессы Волгоградской области

 Выветривание распространено по долинам рек, овражно-балочным системам. Оттепели и весенне-зимние заморозки вызывают растрескивание и разрушение пород, просадку и обрушение стен оврагов. Темно-серые майкопские глины, вязкие в выветренном состоянии,  рассланцовываются на мелкие чешуи, образуя осыпи щебнистой глины. При увлажнении набухают, уплотняются, заполняют трещины в породе.

С геологической точки зрения Волгоградская область осложнена большим количеством рек, очень много разветвлений и подвижный водный бассейн. Русла – проекция геологических разломов. Регион пересекает большая сеть водотоков. Они разрезают область на отдельные геологические блоки, устойчивость которых зависит от ряда факторов. Равновесие было нарушено после строительства двух ВДХ (Волгоградское и Цимлянское). Это вызвало дополнительную перегрузку поверхностных слоев, поднялся уровень грунтовых вод.

В результате строительства на Волге каскада ВДХ отступление берегов в Самаре – 16 м в год, на Саратовском ВДХ – на 7,5 м, Волгоградском –20 м.

 Факторы почвообразования

                                     Горные породы

Горные породы, на которых формируется почва – почвообразующие или материнские. Это материальная основа почвы. От нее почва наследует более 90 % своего состава, физический, механический, химический состав и свойства. Остальная часть – органические соединения, корни растений, живые организмы.

Осадочные породы (рис. 11) образуются из магматических и метаморфических пород в результате длительных процессов их разрушения и неоднократного перемещения продуктов выветривания водой, льдом, ветром (пески, глины и др.), а также из отложений остатков различных организмов (известняк и др., рис. 11)

 

 Рис. 11. Осадочные породы

 Кора выветривания – верхние горизонты горных пород, в которых протекают процессы физического, химического и биологического выветривания. Почвообразование приурочено к верхней части коры выветривания или во всей – при формировании почв на каменистых субстратах (рис. 12).

 Рис. 12. Кора выветривания

 Почвообразующая (материнская) порода – часть коры выветривания, из которой образовалась почва, иначе геологические породы, находящиеся у дневной поверхности, из которых образовалась почва в ходе жизнедеятельности поселившихся на них организмов.

Подстилающая порода – геологическое образование, на которой залегают материнские породы.

Основные почвообразующие породы четвертичных отложений осадочных пород:

1. Элювиальные, элювий – продукты выветривания коренных пород, оставшиеся на месте образования (рис. 16, 17).

 Рис. 16. Элювий

 

 Рис. 17. Строение элювия

2. Делювиальные, делювий – наносы, отложенные на склонах дождевыми или талыми водами  в виде пологого шлейфа (рис. 18).

 

 Рис. 18. Делювий

3. Пролювий формируется в горных странах временными водными и селевыми потоками значительной силы (рис. 19).

 

 Рис. 19. Пролювий

4. Аллювиальные породы, аллювий – осадки речных водных систем (рис. 20).

 

 Рис. 20. Аллювий

 5. Озерные ленточные отложения накапливаются в озерных депрессиях древнего происхождения.

6. Ледниковые моренные отложения – продукты выветривания пород, перемещенные и отложенными ледниковыми массами.

7. Флювиогляциальные или водно-ледниковые наносы песчаного состава образованы потоками воды тающих ледников.

8. Покровные суглинки и глины – отложения, остающиеся на месте тающих масс льда.

9. Лессы и лессовидные породы – суглинки и глины вне ледниковых равнин различного генезиса, расположенные в суббореальном и субтропическом поясах вне лесных зон (рис. 21).

 Рис. 21. Лёссовые породы

 Однородность лёссовидных и покровных глин и суглинков вызвана тем, что в свое время они были почвенными горизонтами (Вальков и др., 2006). Нижние горизонты постепенно превращались в породу, биологическое и физическое активное почвообразование показывало однородные гумусовые горизонты.

10. Эоловые пески – формируются под воздействием ветра в рельефных формах бугров, дюн, барханов.

Морские отложения, часто засоленные, формируются в ходе поднятия и выхода на поверхность морского дна.

Дочетвертичные древние коры выветривания встречаются чаще аллитного типа.

Почвообразующие породы Волгоградской области по содержанию основных компонентов разделяют следующим образом (Дегтярева, Жулидова, 1970):

– на кремнеземистые (пески и опоки), они почти полностью состоят из двуокиси кремния;

– глиноземно-кремнеземистые – из двуокиси кремния и алюминия (глины, суглинки, алевролиты);

– карбонатные (мел, известняк, мергель).

 Рельеф

 Рельеф формируется в результате взаимодействия внешних и внутренних процессов (рис. 22).

 

 Рис. 22. Формирование рельефа

 Он находится в постоянном развитии, и современный облик территории имеет длительную историю. Главная роль в формировании рельефа в послеледниковый период принадлежала эрозионным процессам, которые действовали совместно с выветриванием, накоплением рыхлого материала в речных долинах, на террасовых участках в нижних частях склонов.

Макрорельеф – самые крупные формы, определяющие облик большой территории (равнины, плато, горные системы, возвышенности, речные долины, приморские низменности, комплексы морских террас). Его возникновение связано с тектоническими движениями земной коры.

Мезорельеф – формы средних размеров: увалы, холмы, лощины, долины, террасы и их элементы (плоские участки, склоны разной крутизны).

При характеристике склонов как мезорельефных элементов учитывают их крутизну. По шкале С. А. Захарова пологие – 5°, покатые – 5–20°, крутые 20–45°, обрывистые – более 45°.

Микрорельеф – мелкие формы небольшой площади с колебаниями относительных высот в пределах одного метра: бугорки, понижения, западины, возникающие на ровных поверхностях из-за просадок, мерзлотных деформаций.

Элементы мезо- и микрорельефа, особенно склоны, перераспределяют влагу осадков на земной поверхности и регулируют соотношение вод, стекающих по поверхности и просачивающихся в почву. Поверхности разного наклона и экспозиции (направление по частям света) получают неодинаковое количества солнечной радиации, влаги. Сочетание температурных условий и увлажнения обусловливает различную скорость создания и разрушения органических веществ, состава и интенсивности деятельности микрофлоры и фауны, разнообразие растительности, формирование разных типов почв.

Экспозиция – определенное расположение элементов рельефа по отношению к частям света или преобладающим ветрам.

 Грунтовые и поверхностные воды как фактор почвообразования

        Геологическая работа подземных вод

Суффозия (подкапывание) – растворение и вынос растворенных и мелких частиц подземными водами. Интенсивна в  осадочных породах. Сопровождается образованием суффозионных воронок, западин и блюдец, в результате проседания пластов пород над образовавшимися пустотами.  Растворяющая способность воды значительно растет, если в ее составе много СО2, О2 и других газов и растворенных солей. СО2 увеличивает растворимость в воде известняка в 2-3 раза.

Суффозионные явления в карбонатных породах называют карстовыми по месту Карст в Югославии, близ Триеста. В итоге образуются карстовые пещеры, пустоты в слоях известняка, доломита. Над карстовыми пещерами возникают провальные воронки.

        ОПОЛЗНИ – результат суффозии, смещение масс горных пород под действием силы тяжести. Мелкие перемещения поверхностных слоев – оплывины.

                      Классификации подземных вод

     По качественному составу: сульфатные, сероводородные (Мацеста), железистые и мышьяковистые (Кавказ), бромистые, йодистые (Трускавец), радоновые (Цхалтуба, Пятигорск), серные (Пятигорск), углекислые (Кисловодск).

     По количеству солей: пресные содержат меньше 1г/л, солоноватые – 1-25, соленые – 25-50, рассолы – более 50.

     Минерализация – количество растворенных веществ в воде, их состав.

В подземных водах содержится  более 60 элементов. В виде газов – тяжелый водород, азот, сероводород, аммиак, углекислый и угарный газы, кислород, радон. Бактериальная жизнедеятельность значительно преобразует их солевой состав. Качественный состав подземных од и их минерализация влияют на химический состав почв.

   По положению в рельефе выделяют три группы  перераспределения осадков, которые называют рядами увлажнения и соответствующие им типы почв.

1. Автоморфные – формируются на ровных поверхностях и склонах в условиях свободного стока поверхностных вод, при глубоком залегании грунтовых вод – ниже 6 м.

2. Полугидроморфные – при кратковременном застое поверхностных вод или при залегании грунтовых на глубине менее 3–6 м, капиллярная кайма может достигать корней растений.

3. Гидроморфные – при длительном поверхностном застое или при залегании грунтовых вод на глубине менее 3 м, капиллярная кайма может достигать поверхности почвы.

Грунтовые воды, залегающие на 3–4 м глубине могут вызвать переувлажнение и засоление почв. Уровень грунтовых вод, при котором начинается угнетение растений – критический.

 Атмосфера и климатические условия

 Определенное сочетание температурных условий и увлажнения обусловливает тип растительности, темпы создания и разрушения органических веществ, состав и интенсивность деятельности микрофлоры и фауны, интенсивности биологических и биохимических процессов в почве.

Климатические условия – это поступление на поверхность Земли световой и тепловой энергии, воды. Из всего многообразия климатических факторов почвоведы, прежде всего, используют температуру, количество атмосферных осадков (рис. 23, табл. 1).

 

 Рис. 23. Зональность климата

Поступление солнечной радиации имеет зональный характер, зависит от географического места и альбедо – отражающей способности. Альбедо почвы (лат. albedo – «белизна») − количественная характеристика отражательной способности почвы (рис. 24). Определяется в долях (%) отраженной радиации от общей, поступающей на поверхность. Самое большое альбедо у снега − 70–90 %, это сильно задерживает его таяние, у песка − до 35 %, у травяного покрова − 20–25 %, у лесных крон − от 5 до 20 %. Наименьшее альбедо у воды − 5 % и у пашни (черноземы − 5 %, подзолы − до 20 %). Общее альбедо земного шара составляет около 40 %.

 

 Рис.24. Альбедо почв

 Объективная мера потенциальной биологической и агрономической оценки термического режима – сумма активных температур выше 10 °С.

Временное варьирование температур, характерное для приземного слоя, ослабевает и затухает в коре выветривания на глубине 2,5–3,5 м. Здесь устанавливается постоянная температура, типичная для данной территории, она совпадает со среднегодовой температуры атмосферы (табл. 1). При минусовых среднегодовых температурах  воздуха характерно распространение вечной мерзлоты.

       Приземный слой – воздух от поверхности Земли до высоты  30-50 м, наиболее загрязненный, в нем содержатся продукты горения, загрязняющие вещества, семена, споры и пыльца растений, микроорганизмы.

 Таблица 1

Показатели температуры воздуха и различных поверхностей, наблюдающиеся в солнечные дни июня, июля и августа

 Объект изучения

 Важной характеристикой почвообразующей роли климата, условий формирования водного режима является коэффициент увлажнения:

                                        К = А / Б,

где К – коэффициент увлажнения; А – количество выпадающих осадков в год, мм;  Б – испарение, мм.

По величине коэффициента увлажнения приняты следующие градации фаций: супергумидная – больше 1,5; гумидная 1,2–1,5, нормальная – 1,0; семиаридная – 0,5–0,7; аридная – 0,3–0,5; экстрааридная – меньше 0,3.

С условиями климата связаны процессы превращения минеральных соединений, направление и интенсивность выветривания, вынос и аккумуляция продуктов почвообразования.

     Для комплексной оценки ресурсов тепла и влаги используют гидротермический коэффициент, ГТК:

ГТК = 10 * ( ∑ r  /  ∑t),             

где r  – сумма осадков за вегетационный период, мм. Вегетационный – период, когда средняя суточная t > 10о С. Сумма температур за этот  период рассчитывают по формуле:

                                    ∑t= tn1+ tn2+ tn3+ …tnn,

где t – среднесуточная температура месяца, n– количество дней в данном месяце.

     Характеристика увлажнения по величине ГТК разделяют территорию на три зоны:

-  влажная, ГТК от 1,4 до 1,6;

- засушливая – ГТК в диапазоне от 0,4 до 1.3. В ней выделяют подзоны: незначительно засушливая, ГТК 1,0-1,3; засушливая, ГТК 0,7-1.0; очень засушливая, ГТК от 0,4 до 0,7;

- сухая – ГТК меньше 0,4.

            Принятые недавно правила отнесения территорий к неблагоприятным для производства сельскохозяйственной продукции (утв. Постановлением Правительства РФ от 27.01.2015 г. № 51) в качестве обязательных рекомендуют определять:

- вероятность сильных засух (ГТК равен или меньше 0,6). Его рассчитывают за май-август;

-   вероятность увлажнения (ГТК выше или равен 2). Его определяют за август - сентябрь.

 Организмы

 Растения. Начальное образование почв происходит при поселении на материнских породах живых организмов и, в первую очередь,  примитивных диких растений и микроорганизмов. Верхний слой пород продолжает измельчаться, обогащается вторичными минералами и зольными элементами питания растений.

В почву ежегодно поступает 2,5•1012 тонн органического углерода в виде корневых остатков и наземного опада. В атмосферу возвращается 2,2•1012 кг органического углерода в год (рис. 25).

 

 Рис. 25. Растения как фактор почвообразования

 Микроорганизмы

 В почве содержатся различные группы микроорганизмов – бактерии, грибы, актиномицеты, лишайники, водоросли и почвенные простейшие. В ходе своей жизнедеятельности они участвуют в образовании витаминов, антибиотиков, ферментов, гумуса, минерализации растительных остатков, синтезе и разложении органо-минеральных соединений.

Бактерии – наиболее распространенная группа микроорганизмов в почве. По способу питания – авто- и гетеротрофные. По отношению к потребностям в свободном О2 – аэробные (нуждаются в нем) и анаэробные – не используют его.

Аэробные микроорганизмы окисляют органические соединения, участвуют в процессах разложения органических веществ и гумификации. Это способствует образованию оструктуренных гумусовых горизонтов.

Деятельность анаэробных бактерий связана с процессами гниения растительной массы, образованием простых, недоокисленных органических и минеральных соединений. Слизистые выделения некоторых бактерий разрушают полевые шпаты. 

Актиномицеты (лучистые грибы) – источник углерода для синтеза органических веществ. Они могут разлагать клетчатку, лигнин, участвуют в образовании гумуса.

Грибы активно участвуют в минерализации и гумификации органических веществ. Синтезируют  щавелевую, лимонную, уксусную и др. кислоты Они активно разрушают минералы. Грибы рода пенициллин выделяют вещество, разрушающе минералы.

Водоросли распространены во всех почвах в основном в верхней части. Активно участвуют в выветривании пород, первичном почвообразовании. Диатомовые водоросли  разлагают алюмосиликаты.

Основные функции микроорганизмов в превращении веществ и энергии при почвообразовании:

1.             Трансформация органических веществ.

2.             Образование простых солей из компонентов органической и минеральной части.

3.             Участие в разрушении и новообразовании почвенных минералов.

4.             Участие в миграции и аккумуляции продуктов почвообразования и других веществ.

 Животные

 Биомасса животных составляет 5 % фитомассы. Основная часть зоомассы (97–99 %) – беспозвоночные. По Башелье (цитируется по Н. Н. Розанову, 2004) фауну разделяютпо размерам.

Микрофауна – размером менее 0,2 мм – простейшие нематоды,  эхинококки, ризоподы,  обитающие во влажной среди почвенных микропор внутри агрегатов.

Мезофауна – размером 0,2–4 мм. Микроартроподы, мельчайшие насекомые, мириаподы, черви, обитающие во внутриагрегатных и межагрегатных влажных порах.

Макрофауна – размером 4–80 мм. Земляные черви, моллюски, насекомые (муравьи, термиты, рис. 26).

Мегафауна – размером более 80 мм. Крупные насекомые, крабы, скорпионы, кроты, змеи, черепахи, мелкие и крупные грызуны, лисы, барсуки, роющие в почвах ходы и норы.

 

 Рис. 26. Роль моллюсков

 Простейшие. Они есть во всех почвах, особенно в верхней части. Вместе с микрофлорой распространены жгутиковые, корненожки, ногохвостки.

Беспозвоночные животные (дождевые черви, энхитреиды, кивсяки, клещи, ногохвостки) проделывая ходы, норки, улучшают физические свойства почв, обогащая их продуктами собственной жизнедеятельности – капролитами. Они участвуют в превращении растительных остатков, используют их в виде пищи, ускоряют биологический круговорот.В почвах, обогащенных капролитами выше емкость катионного обмена (ЕКО), рН, лучше структура.

В 1837 г. в докладе «Об образовании растительного слоя», сделанном на заседании Лондонского геологического общества, Ч. Дарвин впервые высказал мысль о создании гумуса при участии дождевых червей, которые ускоряют разложение растительных остатков, механически перерабатывают и преобразуют почву, создавая гумусовые вещества (цитируется по Бобровскому, 2007). По расчетам О. В. Чекановской, слой почвы мощностью 30 см проходит через кишечник червей в зависимости от почвенно-климатических условий за 6–75 лет (цитируется по Бобровскому, 2007).

Позвоночные. Активная роль у грызунов. Они образуют кротовины – ходы, засыпанные массой почвы (рис. 27).

 

 Рис. 27. Животные как фактор почвообразования

 «В почве живое вещество достигает нескольких десятков весовых процентов: эта область наивысшей геохимической энергии живого вещества, важнейшая по своим геохимическим последствиям лаборатория идущих в ней химических и биохимических процессов» (Вернадский, 1978, с. 176).