Почва

Верхняя часть рыхлых отложений, в которой обитают живые организмы. Почва представляет собой систему, в которой взаимодействуют потоки энергии и вещества, поступающие от Солнца, из атмосферы и от живых организмов.

Максимальные глубины, до которых могут проникать в грунт живые организмы, в частности корни растений, колеблются от нескольких миллиметров в очень сухих или холодных регионах или там, где распространены плотные невыветрелые горные породы, до 4,5 м и более в теплых и влажных районах, характеризующихся пористыми и проницаемыми поверхностными отложениями.

Эту систему образуют многочисленные формы вещества и энергии. Суша обеспечивает ее горными породами и минеральными частицами, а также химическими соединениями. От Солнца поступает лучистая энергия, из атмосферы – вода, углекислый газ, кислород и азот. Биота высвобождает усвоенную живыми организмами в процессе фотосинтеза и накопленную в соединениях углерода солнечную энергию.

Почва является системой благодаря взаимодействию и преобразованию разных форм энергии и вещества в поверхностной части коры выветривания. Многие из этих изменений имеют циклический или переменный характер. Например, для синтеза соединений углерода, богатых энергией и необходимых для роста и других процессов жизнедеятельности, растения должны получать не только энергию от Солнца, но и углекислый газ (из воздуха) и воду (главным образом из почвы). В конце концов растения отмирают и обогащают почву органическим веществом, а микроорганизмы его разлагают, в результате чего углекислый газ, вода и энергия возвращаются в систему.

Почвенная система со всеми свойственными ей циклическими превращениями энергии и вещества является основной частью среды обитания человека, который использует эту систему как субстрат для выращивания пищевых и кормовых растений.

Почвенный профиль

Взаимодействия внутри почвенной системы приводят к видимым изменениям в почвенной массе. В почвенных разрезах вскрывается вертикальная последовательность слоев, называемых почвенными горизонтами, различающимися по набору признаков (например, по цвету, мощности и др.). Каждый горизонт примерно повторяет неровности поверхности. Такая последовательность, включающая все почвенные горизонты, называется почвенным профилем. Пространственные различия в сочетании горизонтов, имеющие очень постепенные переходы, определяют типы почв. В пределах распространения почвы данного типа строение профиля имеет сходные черты. Таким образом, почвенный профиль является главным отличительным признаком типа почвы. Строение почвенного профиля отражает особенности эволюции природных процессов региона, к которому приурочен данный профиль.

Обычно почва подразделяется на два основных горизонта: верхний, деятельный, и нижний, «подпочвенный». Однако при внимательном изучении почвенного профиля во многих почвах обнаруживается большее число горизонтов, которые обычно обозначаются латинскими буквами А, В и С (начиная от поверхности). Горизонты часто подразделяются на подгоризонты: А1, А2, А3, В1, В2, В3. Горизонты А формируются в верхней части почвенного профиля, а горизонты В – в «подпочвенных» слоях. Горизонт С сложен фрагментами горной породы, называемой материнской породой почвы. Иногда выделяют также горизонты О и R. Горизонт О (или А0) – лесная подстилка, перекрывающая минеральные горизонты многих лесных почв, состоит из опавших листьев. Горизонт R представляет собой породу, подстилающую почвы. Горизонты разных почв отличаются по содержанию органики и глинистых частиц, мощности, цвету и другим признакам.

Почвообразование

Почва образуется в результате дифференциации поверхностных отложений на горизонты почвенного профиля, т.е. происходит все более усложняющееся развитие системы. Первоначально характер почвы определяют почвообразующие породы и минералы. При отсутствии воды заметных изменений в системе не происходит, тогда как поступление воды обусловливает изменения, приводящие к формированию почвенного профиля. Вода не только взаимодействует с горными породами и минералами, но и оказывает влияние на развитие организмов. Растения, имеющие надземные и подземные органы, являются связующим звеном между почвой и атмосферой.

Почвообразование включает изменение размеров слагающих ее частиц грунта (механического состава), обогащение органическим веществом, миграцию элементов в виде растворов (выщелачивание), суспензий (элювиирование) и накопление в некоторых горизонтах вымытых веществ (иллювиирование).

Изменения механического состава выражаются в накоплении более тонких частиц по мере того, как горные породы и минералы подвергаются разрушению физическими и химическими процессами. Эти процессы, называемые выветриванием, включают разрушительное воздействие как текучих вод (эрозия), так и замерзающей и расширяющейся в трещинах горных пород воды, ветра (дефляция) и ледников (экзарация), а также дезинтеграцию породы. В итоге обломки горных пород превращаются в песок, алеврит или глину (три основных класса гранулометрического состава почв, перечисленные в порядке уменьшения размерности). Этот процесс, хотя и разрушительный для горных пород, создает пористый субстрат, проницаемый для воды и корней растений. Исходный субстрат может быть тонкослоистым еще до начала процесса почвообразования, т.е. прежде внедрения корней растений и других организмов. Такими бывают многие отложения, испытавшие транспортировку водой, ветром или льдом, а также вулканические пеплы.

Накопление органического вещества происходит на ранней стадии почвообразования (первые несколько сотен лет), когда от отмерших частей растений поступает больше органического вещества, чем может быть разложено микроорганизмами. Если почва образуется на выходах скальных пород, сначала на их поверхности поселяются низшие растения – лишайники и мхи, а затем травы или деревья. В любой формирующейся почве со временем устанавливается равновесие между поступлением и разложением органического вещества. Это равновесие может сохраняться, если почва не подвергается нарушениям. Органическое вещество, содержащееся главным образом в верхней части почвенного профиля – в горизонтах А, служит показателем плодородия почв. Гумус, образовавшийся из остатков растений и животных, которые подверглись частичному разложению микроорганизмами, – важный компонент верхних горизонтов некоторых почв. Растения извлекают из него азот и другие питательные вещества.

При культивации почв темпы накопления органического вещества меняются, поскольку сельскохозяйственные культуры извлекают из них питательные элементы. После сбора урожая естественный цикл прерывается, и содержание гумуса в почве уменьшается. Поэтому земледельцы, если хотят использовать один и тот же участок земли в течение ряда лет, вынуждены вносить в почву удобрения.

Выщелачивание, или миграция веществ в растворах, также участвует в процессе почвообразования. Дождевая вода растворяет некоторые твердые вещества, которые затем перемещаются вместе с водой. Направление движения может быть латеральным (поверхностный сток) или вертикальным, если вода просачивается в почву. Вода, поступающая в почву, может проходить сквозь нее, а может проникать только до некоторой глубины в пределах корнеобитаемого слоя. Там она временно адсорбируется и затем возвращается в атмосферу либо путем транспирации растениями влаги, извлеченной из почвы корнями, либо через испарение с поверхности почвы. Всасывание воды корнями приводит к снижению содержания в верхнем слое почвы некоторых веществ, которые накапливались в пределах той глубины, до которой проникает вода. Таким образом формируются почвенные горизонты. Вода, фильтрующаяся сквозь почву и пополняющая запасы грунтовых вод, также способствует выщелачиванию, но это не приводит к дифференциации на горизонты. Горизонт А – зона максимального выщелачивания.

Выщелачивание наиболее ярко выражено в условиях влажного климата, но даже в условиях сухого климата некоторые из легкорастворимых солей выносятся вниз по почвенному профилю. Во время интенсивных ливней соли могут перераспределяться плоскостным стоком и накапливаться на поверхности в понижениях рельефа, поскольку там происходит испарение воды. Такой характер миграции солей определяет формирование широко известных солончаков в пустынях западной Америки, Африки, Центральной Азии и других регионов земного шара. В наиболее влажных климатических условиях легкорастворимые соли накапливаются в более глубоких почвенных горизонтах.

Элювиирование (вымывание) и иллювиирование (вмывание) – почвообразующие процессы, под действием которых вещества в водной среде переходят во взвешенное состояние, а затем осаждаются. Взвешенные частицы мигрируют вместе с водой, но не растворяются. Наиболее подвержены такому переносу глинистые частицы. Этот процесс приводит к уменьшению количества глинистых частиц в горизонте А (элювиирование) и накоплению их в горизонте В (иллювиирование). Частицы размерности глин прежде всего должны быть диспергированы и взвешены, как в мутном озере. Диспергирование не происходит в условиях, способствующих накоплению легкорастворимых солей. Таким образом, элювиальный и иллювиальный процессы характерны для регионов с гумидным климатом, где, как правило, алевритовые или песчаные горизонты А подстилаются глинистыми горизонтами В.

Формирование почв большей частью обусловлено пятью основными почвообразующими факторами: климатом, деятельностью живых организмов, почвообразующими (материнскими) породами, рельефом и временем.

Классификация почв

Классификация почв помогает систематизировать знания о почвах. В США были разработаны две системы почвенной классификации. Первая из них была опубликована в 1938. В ней все почвы на самом высоком таксономическом уровне разделены на три группы: зональные, интразональные и азональные. Первая группа включает почвы, сформированные в хорошо дренированных позициях и имеющие профили, которые отражают длительное воздействие климата. В интразональных почвах влияние климата модифицировано условиями рельефа, дренажа, содержания солей или каких-либо иных локальных факторов. Азональные почвы, как, например, почвы на современных речных отложениях, из-за отсутствия развитого профиля не отражают климатического воздействия. Классификация 1938 года состоит из следующих таксономических уровней (от самого высокого до самого низкого): порядок, подпорядок, большие почвенные группы, семейства, серии и типы. Эта классификационная система имела широкое применение, особенно ее категория «большая почвенная группа», представляющая собой уровень генерализации, необходимый для изучения и картографирования почв мира. Самые низкие уровни классификации – серии и типы почв – представляют собой ландшафтные единицы, выявляемые почвоведами в поле. Они имеют особенно важное значение для сельскохозяйственного использования.

Вторая классификационная система была разработана в 1960-х годах. В ней на самом высоком таксономическом уровне выделяются десять порядков. Выделение порядков проводилось на основе свойств почв, а не климата и других почвообразующих факторов, как это было в классификации 1938. Классификация включает следующие шесть категорий: порядок, подпорядок, большая почвенная группа, подгруппа, семейство, серия. Почвенная номенклатура этой классификации построена таким образом, что на каждом более низком таксономическом уровне происходит детализация свойств почвы, как в классификациях животных и растений.

Почвы мира могут быть охарактеризованы на основе использования категорий больших почвенных групп классификации 1938 или порядков второй классификационной системы. Категории этих двух систем не находятся в прямом и полном соответствии, их корреляция продемонстрирована в таблице.