12.4.2. Образование почвы

Почва образуется в результате взаимодействия многих факторов, из которых пять наиболее важных - это климат, материнская порода (геологические условия), топография (рельеф или морфология поверхности), живые организмы и время. Рассмотрим каждый из этих факторов в отдельности.

Физическое и химическое разрушение материнской породы под влиянием климата и в меньшей степени живых организмов называется выветриванием. Наиболее важные факторы, вызывающие выветривание,- это вода и температурные колебания, поэтому роль климата удобнее рассматривать на примере именно этих факторов. Влияние климата на почвообразование в целом будет рассмотрено позже.

Физическое выветривание может происходить в результате изменений температуры: горные породы попеременно расширяются и сжимаются при ее суточных колебаниях. Этот процесс ведет к постепенному разрушению горных пород. Если в трещинах имеется вода и если она периодически замерзает и оттаивает, то при образовании льда может создаваться огромное давление, также разрушающее породу. Другими факторами физического выветривания могут быть частицы разных размеров (например, песчинки), которые перемещаются ветром, водой и ледниками и вызывают эрозию незащищенных поверхностей.

Химическое выветривание подвержено также влиянию биологических и климатических факторов. Оно обычно ускоряется с повышением температуры. Вода действует как растворитель и как реагент в процессе гидролиза некоторых минералов. Породы, в некоторой степени растворимые в воде, мел и известняк, состоящие в основном из карбоната кальция, особенно подвержены эрозии. Эффективность воды как растворителя может возрастать, когда в ней содержится двуокись углерода (из атмосферы или образующаяся в результате дыхания почвенных организмов), так что получается разбавленный раствор угольной кислоты. Лишайники относятся к тем немногим организмам, которые могут расти на обнаженной скальной поверхности, они тоже способствуют химической эрозии, извлекая из выветриваемых скал определенные питательные вещества.

Температурный режим и осадки (дожди и снег) являются двумя главными климатическими факторами, вызывающими выветривание. Особенно большую роль играет количество выпадающих осадков. Если оно превышает испарение, в почве может идти процесс выщелачивания, а в случае плохого дренажа почвы заболачиваются. Если испаряется больше влаги, чем выпадает осадков, происходит капиллярное поднятие воды от уровня грунтовых вод; в этом случае будет преобладать движение растворенных веществ вверх, что тоже повлияет на свойства развивающейся почвы. Растительный покров в сухом климате скуден, и поэтому здесь образуется меньше гумуса; в результате почвы становятся менее кислыми. Недостаток воды замедляет химическое выветривание и выщелачивание.

Влияние климата в его взаимодействии с другими факторами отражено на приведенной схеме (рис. 12.18).

Рис. 12.18. Взаимодействие четырех факторов, непосредственно влияющих на процесс почвообразования. Обратите внимание на большую роль климата. Время является шестым, косвенно влияющим фактором (в схему не включено)

Первичное происхождение всех горных пород связано с застыванием расплавленной магмы, внедрявшейся в верхние зоны земной коры из глубоких недр. Породы, образовавшиеся непосредственно из застывшей магмы, называются вулканическими. Они могут быть кислыми (как гранит) или основными (как базальт) в зависимости от их минерального состава. При выветривании кислых пород большая часть кремния остается в виде кварца (SiО₂), который представлен зернами песка. При выветривании основных пород значительная часть кремния связывается в различные силикаты, которые в дальнейшем формируют алевриты и глины.

Осадочные породы образуются в результате отложения продуктов выветривания других горных пород или накопления остатков живых организмов. Этот материал накапливается и уплотняется иногда в течение миллионов лет. К типичным осадочным породам относятся песчаники, мел и известняк; их влияние на развитие почвы будет рассмотрено в разд. 12.4.3.

Метаморфические горные породы образуются из других пород в результате их нагревания и перекристаллизации. К ним относятся, например, сланцы и мрамор. Эти породы обычно более устойчивы к выветриванию, чем другие.

Некоторые почвы образуются на перемещенных материалах, таких, как эоловые пески, аллювиальные отложения и ледниковые морены. В этом случае для почвообразования существенно то, от какой первоначальной породы происходят эти материалы.

Влияние топографии связано с тем, что на разной высоте, при различной крутизне и экспозиции склона условия различны. Рельеф местности влияет на местный климат и дренаж. Дренаж обычно лучше на склонах, а по направлению к низине или дну долины он постепенно ухудшается, и там в случае постоянного переувлажнения может образовываться торф. Со склонов часть воды стекает, и при этом смываются продукты выветривания и почва; поэтому слой почвы на склонах обычно тоньше. Кроме того, почва медленно сползает вниз под действием силы тяжести. Этот процесс называется солифлюкцией и ведет к скоплению почвы у основания склонов; его может сдерживать растительный покров.

Рельеф местности, влияя на такие климатические факторы, как выпадение осадков и температура, тем самым косвенно сказывается и на процессе почвообразования. Экспозиция и высота склона в значительной мере определяют климат. На солнечных склонах температура выше, поэтому почвы развиваются быстрее, здесь они, как правило, более сухие, что нередко влияет на растительность. Наветренные склоны обычно более влажные, чем подветренные.

При непосредственном участии живых организмов образуются органические компоненты почвы (подстилка и гумус), о физических и химических свойствах которых уже говорилось. Растительность, так же как климат и материнская порода, влияет на развитие почв. Можно полагать, например, что вероятность образования подзолов (разд. 12.4.3) под степью и сообществами хвойных лесов выше, чем под сообществами лиственных лесов. Это, по-видимому, связано со свойствами веществ, вымываемых из растительной подстилки, и их ингибирующим влиянием на процессы разложения органического материала почвенными микроорганизмами. Кислая подстилка степей и сосновых лесов в отличие от подстилки лиственных лесов неблагоприятна для дождевых червей.

Деятельность почвенных детритофагов, особенно дождевых червей в зонах умеренного климата, важна во многих отношениях и в свою очередь зависит от растительности. Детритофаги ускоряют процесс разложения, размельчая частицы подстилки и таким образом увеличивая их поверхность. За счет фекалий и отходов метаболизма детритофагов увеличивается масса перерабатываемого органического и минерального вещества. Почва, проходя через пищеварительный тракт дождевого червя, измельчается, ее минеральные и органические компоненты перемешиваются, и это улучшает структуру почвы. Ходы дождевых червей улучшают аэрацию и облегчают рост корней. Точно так же способствуют перемешиванию и аэрации почвы ходы, прорытые позвоночными животными - кротами, кроликами и т. п.

Влияние человека. Хрупкое динамическое равновесие зрелой почвы может быть нарушено при использовании ее человеком для сельскохозяйственных целей. При этом часто происходит разрушение почвенной структуры, истощение запасов питательных веществ и эрозия почв.

Структура почвы особенно легко разрушается, когда ее обрабатывают тяжелыми сельскохозяйственными машинами. Уплотнение почвы приводит к ряду последствий, в частности уменьшаются размеры почвенных пор и в результате ухудшаются аэрация и дренаж. Почва может уплотняться также при неумеренном выпасе домашнего скота. Повторное использование почвы, особенно под одни и те же культуры, может понизить содержание в ней важных питательных веществ. Распашка почвы нередко усиливает ветровую и водную эрозию, особенно на склонах. Точно так же уничтожение защитного слоя растительности при чрезмерном выпасе скота или при вырубке леса способствует эрозии. Вырубка тропических дождевых лесов может иметь очень серьезные последствия для обычно маломощных почв таких районов. На обнаженной почве усиливается поверхностный сток, что ускоряет не только ее эрозию, но и вымывание питательных веществ. Все это приводит к уменьшению плодородия почвы, а иногда и к резкому падению продуктивности экосистемы. Например, в некоторых районах Малайи и бассейна Амазонки началась массивная эрозия почв, сопровождающаяся заилением рек. Таким образом, рациональное использование почвы является одной из ключевых проблем как для почвоведов, так и для земледельцев.

Время имеет важное, хотя и косвенное значение для образования почвы. Скорость этого процесса в умеренном климате очень различна - может потребоваться от нескольких десятилетий (при формировании почвы на вулканическом пепле) до нескольких тысяч лет (на обнаженной поверхности скальных пород). В масштабах геологического времени происходят климатические и топографические изменения, которые, естественно, влияют на развитие почвы.

Таким образом, необходимо вновь подчеркнуть, что рассмотренные почвообразующие факторы действуют неизолированно. Каждый из них (исключая время) непосредственно влияет на образование почвы, но может оказывать также косвенное воздействие, влияя на другие факторы. Схема на рис. 12.18 иллюстрирует взаимоотношения этих факторов.