8.Материальная основа почв

Почва является полидисперсной системой, которая имеет в своем составе:

1) твердую фазу, состоящую из минеральных и органических частиц,

2) жидкую фазу, представленную почвенным раствором,

3) газовую фазу, состоящую из почвенного воздуха,

4) живую фазу, представленную живыми организмами.

Твердая фаза составляет основу почв, ее матрицу. Это – полидисперсная и поликомпонентная органо-минеральная система. Частички почвы различной степени дисперсности составляют своеобразный скелет почвы, промежутки между которыми заняты воздухом и (или) водой, т.е. в почве одновременно присутствуют все три фазы почвы.

Жидкая фаза почвы – вода в почве, почвенный раствор, исключительно динамичная по объему и составу часть почвы, заполняющая ее поровое пространство. Содержание и свойства этой фазы зависят от водно-физических характеристик почвы и состояния в данный момент в соответствии с условиями увлажнения и погоды. В холодный сезон влага может переходить в твердое состояние, превращаясь в лед, при повышении темепературы часть воды может перейти в газообразное состояние. Жидкая фаза – «кровь почвенного тела», служащая основным фактором дифференциации почвенного профиля, так как вертикальное либо латеральное перемещение веществ происходит в виде суспензий или растворов.

Газовая фаза – воздух, заполняющий поры, свободные от воды. Его состав очень динамичен во времени и существенно отличается от атмосферного. Воздуха больше в сухой почве, вода и воздух – антагонисты в почве.

Живая фаза – населяющие почву организмы, непосредственно участвующие в процессе почвообразования. К ним относятся микроорганизмы, представители микро- и мезофауны, корневые системы растений.

Соотношение этих четырех фаз имеет решающее значение в создании плодородия почв и условий жизни живых организмов. Отсутствие или уменьшение ниже определенных пределов жидкой или газообразной фаз исключает возможность использования почв для обычных биологических процессов.

Твердая фаза образуется из горной породы под влиянием сложных процессов – выветривания. Простейшее – физическое, которое идет благодаря различному объемному расширению при нагревании и охлаждении. этот процесс особенно интенсивно идет в континентальном климате. Замерзающая вода играет роль своеобразных клиньев, расширяя трещины и раздвигая обломки. Химическое выветривание идет в основном благодаря воде, содержащей растворенный кислород и углекислоту, что способствует растворению минералов. Тот вид выветривания лежит в основе зонального для таежной зоны процесса подзолообразования. Биологическое выветривание представляет собой разрушение твердых пород продуктами жизнедеятельности микроорганизмов.

Твердая фаза почвы характеризуется минералогическим, химическим и гранулометрическим составом.

Минералогический состав почвы. Почвообразующие породы представляют собой смесь продуктов химического и физического выветривания, т.е. смесь первичных и вторичных минералов. Первичные минералы обладают различной устойчивостью против разрушения, поэтому в составе рыхлых пород они могут встречаться в различных соотношениях.

Минерал – это однородное в химическом отношении тело, обладающее постоянством химического состава и определенными физическими свойствами.

По физическому состоянию минералы бывают твердые, жидкие и газообразные. Многие минералы имеют определенную форму и являются кристаллическими. Большинство минералов аморфны. Кристаллы ряда минералов анизотропны, т.е. различаются по своим свойствам в различных направлениях (твердость, теплопроводность и электропроводность и др.). В горных породах минералы встречаются в определенных сочетаниях различными группами, образовавшимися в однородных условиях. Количество первичных минералов, встречающихся в изверженных породах, достигает более 3000. Содержание того или иного минерала в рыхлой породе зависит от их физических и химических свойств (табл.2.2.1).

Таблица 1. Средний минералогический состав изверженных и осадочных горных пород (по Кларку)

По мере перехода к более мелким фракциям содержание кварца и полевых шпатов уменьшается, и увеличивается содержание менее прочных минералов (табл.2.2.2).

Таблица 2.2.2. Гранулометрический состав минералов озерно-гляциального суглинка.

Кварц - считается минералом, вполне устойчивым к химическому выветриванию. Сравнительно медленно подвергаются химическому выветриванию полевые шпаты. Средние и основные полевые шпаты отличаются меньшей устойчивостью, чем кислые.

Слюды - (мусковит и биотит) легче, чем предыдущие подвергаются химическому выветриванию.

Роговые обманки и пироксены представляют собой минералы, которые легко изменяются вследствие воздействия на них химических агентов.

Морфология почв. В процессе развития почва приобретает ряд свойств и признаков, которые отличают ее от материнской породы. В ней выделяются генетические горизонты, образуются новые вещества и соединения, которых не было в материнской породе. К главным морфологическим признакам почвы относятся: 1) строение почвы, 2) мощность почвы и ее горизонтов, 3) окраска, 4) гранулометрический состав, 5) структура, 6) сложение, 7) новообразования и включения.

Строение почвенного профиля. Образование и эволюция почвы приводит к появлению в ней слоев, которые накладываются друг на друга и отличаются по ряду признаков. Эти слои, различающиеся по структуре, цвету, механическому и химическому составу, направленности биологических процессов и связанные между собой общностью происхождения, называются почвенными горизонтами. Совокупность почвенных горизонтов образует почвенный профиль.

Молодые почвы очень маломощны, близки к первоначальной материнской породе и горизонты в ней не сформированы. Почвенный профиль слаборазвитой почвы имеет слой, сильно обогащенный гумусом, который лежит сразу на материнской породе. В процессе развития почвы количество горизонтов увеличивается. В хорошо развитой почве можно выделить три основных горизонта, которые в зависимости от характера почвообразующих процессов имеют свои особенности.

А₀ – лесная подстилка, верхний горизонт, который характерен для целинных и залежных почв и представлен разлагающимися органическими остатками с примесью минеральных частиц.

А_п – пахотный горизонт, который образуется на всех пахотных почвах за счет верхних горизонтов почв.

А – элювиальный горизонт (горизонт вымывания). С одной стороны, этот горизонт обеднен тонкодисперсными и легкорастворимыми веществами, выносимыми в нижележащие слои просачивающимися в почву водами. С другой стороны, в этом горизонте почвы всегда происходит образование и накопление органических веществ. Поэтому в зависимости от содержания и степени трансформации гумуса, наличия органо-минеральных и минеральных веществ, а также степени антропогенной трансформации почвы данный горизонт имеет свое название и буквенное обозначение:

А₁ – перегнойно-аккумулятивный (гумусовый или дерновый), который формируется на верхней части почвенного профиля и характеризуется значительным накоплением органического вещества (гумуса) и питательных веществ.

А₂ – элювиальный горизонт, который характеризуется процессами выноса веществ в нижележащие горизонты и представлен в основном минеральными составляющими почвы.

В торфяных почвах верхний горизонт состоит из торфа и обозначается буквой Т.

В – иллювиальный горизонт (горизонт вмывания). Этот горизонт обогащен минеральными и органическими соединениями, приносимыми нисходящими и восходящими водными растворами. В почвах, где не наблюдается явления перемешивания минеральной основы (черноземы, каштановые), этот горизонт является переходным слоем от перегнойно-аккумулятивного к породе. В зависимости от содержания тех или иных соединений выделяется несколько типов иллювиальных горизонтов, отличающихся по общему виду и структуре: иллювиально-гумусовый, карбонатный (В_к ), гипсовый (В_г), а также состоящий из окислов железа, алюминия, марганца и т.д.

G - глеевый горизонт. Образуется в гидроморфных почвах вследствие длительного увлажнения и преобладания анаэробно-восстановительных процессов, которые приводят к образованию закисных соединений железа и марганца, подвижных форм алюминия. Характеризуется появлением в почвенном профиле сизоватых или грязно-синеватых пятен. Если признаки глеевого процесса проявляются в другом горизонте, то они обозначаются индексом g к основному обозначению: А_2g, В_1g.

С – материнская порода, на которой образуется почва но эта порода в той или иной степени задета почвообразовательным процессом, а в условиях избыточного увлажнения и непроницаемости верхнего горизонта подвергается восстановительным процессам и превращается в оглеенный горизонт.

D – подстилающая порода. Выделяется в том случае, когда почвенные горизонты образовались на одной породе, а ниже лежит порода с другими свойствами.

Строение почвенного профиля бывает выражено по-разному. В одних случаях почвенные горизонты выделяются четко, в других - проявляются слабо. Это зависит от типа почв, ее возраста и особенностей материнской породы. Каждому почвенному типу присуще индивидуальное сочетание горизонтов, при этом некоторые горизонты могут отсутствовать.

Мощность почвы – это ее вертикальная протяженность, которая измеряется от дневной поверхности до слабо затронутой почвообразовательными процессами материнской породы. Мощность почв колеблется в среднем от 50 до 150 см. Мощность отдельных горизонтов бывает различной. Их определяют с точностью до 1 см, при этом отмечается верхняя и нижняя граница и средняя мощность горизонта.

По существующим в почве горизонтам и их вертикальной мощности можно судить о характере почвообразующих процессов и наличии в почве тех или иных веществ. Богатая питательными веществами почва имеет мощный перегнойный горизонт, который свидетельствует о значительном развитии в ней процесса аккумуляции и слабом процессе вымывания. Наличие в профиле почвы резко выраженного элювиального горизонта связано с интенсивным процессом выщелачивания.

Окраска почвы – это морфологический признак, который является существенным показателем генезиса почвы, характера протекающих в ней почвообразовательных процессов и ее принадлежности к тому или иному типу. Многие почвы имеют название в соответствии со своей окраской: подзол, чернозем, краснозем.

Окраску почв создают три группы соединений: 1) гумус, 2) соединения железа, 3) кремнекислота или углекислая известь. В основе лежит цвет почвообразующей породы. При этом все разнообразие окраски почвы можно свести к комбинациям и сочетаниям основных цветов: черного, красного, голубого и белого.

Гумусовые вещества обуславливают черную, темно-серую и серую окраску. При 10-20% перегноя почва имеет ярко выраженный черный цвет, 4-6% гумуса дают серую, каштановую или темно-бурую окраску. При меньшем его содержании почва приобретает окраску почвообразующей породы. В некоторых случаях черная окраска может быть обусловлена другими причинами: цветом почвообразующей породы, скоплением окислов и гидратов окислов марганца, в болотных почвах – содержанием сернистого железа.

Красный цвет почвы обуславливается содержанием в ней соединений водной окиси железа (Fe₂O₃ · nH₂O). При значительном содержании окиси железа почва имеет красную, ржавую или красно-бурую окраску, при небольшом – желтую или оранжевую. Соединения закисного железа (FeO · nH₂O) окрашивают почву или ее отдельные горизонты в голубоватые или сизые тона. Они образуются в почвах с избыточным увлажнением и недостаточной аэрацией.

Белая окраска обусловлена значительным содержанием кремнезема (SiO₂), углекислой извести (CaCO₃), каолинита (H₂Аl₂Si₂O₈ · H₂O) или гидратом глинозема (Аl₂O₃ · nH₂O). В ряде случаев белесоватый оттенок могут придавать гипс и легкорастворимые соли.

На окраску почвы также оказывает влияние гранулометрический состав, структурное состояние и влажность почвы. Суглинки и глины характеризуются красными оттенками, пески и супеси – желтоватыми, лессы – палевыми оттенками. Бесструктурные почвы выглядят светлее, чем комковатые или зернистые. Влажные оказываются более темные, чем сухие.

Различное сочетание различных групп веществ, окрашивающих почву, обуславливает большое разнообразие почвенных цветов. При характеристике почвы, как правило, указывается не только цвет, но и степень окраски (темно-серая, светло-бурая), оттенки (белесая с желтоватым оттенком), промежуточные тона (серо-бурая, коричнево-серая). Если почвенные горизонты не имеют однородной окраски, их характеризуют как пестрые или пятнистые.

Структура почв. Структурой называются соединенные между собой механические элементы (агрегаты), на которые может распадаться почва. Форма, размер и качественный состав структурных элементов неодинаков. Он изменяется в различных почвах, а также в разных горизонтах одной и той же почвы.

В зависимости от формы структурных элементов различают три основных типа структуры:

1. кубовидная, когда структурные элементы равномерно развиты по трем взаимно перпендикулярным осям. Основными видами данного типа структуры являются глыбистая, комковатая, ореховатая и зернистая.

2. призмовидная, когда структурные элементы развиты преимущественно по вертикальной оси. Основные виды - столбовидная, столбчатая и призматическая.

3. плитовидная, когда структурные элементы развиты преимущественно по двум горизонтальным осям и укорочены в вертикальном направлении. Основные виды - плитчатая и чашуйчатая.

Каждый из перечисленных видов может делиться на более мелкие структурные единицы.

В зависимости от размера агрегатов структура делится на следующие группы:

1. глыбистая, когда размер структурного агрегата составляет более 10 мм;

2. макроструктура – 10-0,25 мм;

3. грубая микроструктура – 0,25-0,01 мм;

4. тонкая микроструктура – меньше 0,01 мм.

В почве или почвенном горизонте структурные элементы не бывают одного размера и формы. Чаще всего встречается смешанный тип структуры, включающий в названии род и вид: комковато-пылеватая, комковато-пластинчатая, пластинчато-пылеватая.

Почва может быть структурной и бесструктурной. При структурном состоянии почвы или породы она делится на структурные элементы определенной формы и величины. При бесструктурном состоянии отдельные механические элементы, слагающие почву, не соединены между собой в более крупные структуры. Они существуют раздельно или залегают сплошной сцементированной массой. Между структурными и бесструктурными почвами имеются переходные почвы, где структура выражена слабо.

Различные генетические горизонты почв имеют определенные формы структуры. Для дерновых горизонтов характерна комковатая и зернистая структура, для иллювиальных – ореховая, элювиальных – пластинчато-листовая.

Гранулометрический состав почв. Одной из важнейших характеристик почвы является ее гранулометрический состав, или содержание элементарных частиц различного размера. Эти частицы называются механическими элементами. Определить размер каждой частицы, входящей в состав почвы, не представляется возможным. В лабораторных условиях ограничиваются нахождением количества частиц определенного размера в установленных пределах, которые называются фракциями гранулометрического состава.

Различают три типа гранулометрических элементов почв: минеральные, органические и органо-минеральные. Основная масса почв состоит из минеральных элементов. По гранулометрическому составу все многообразие почв и пород можно объединить в несколько основных групп с характерными для каждой группы физическими, физико-химическими и химическими свойствами, которые определяют интенсивность почвообразовательных процессов, содержание зольных элементов, плодородие.

Песок – характеризуется полным отсутствием связности, сыпучестью и крупным диаметром частиц. Песчаные почвы обеднены питательными веществами, попадающая в них влага не задерживается и уходит в нижележащие горизонты. Они имеют крупные поры, что способствует созданию аэробных условий и быстрому разложению органического вещества. Однако в северных условиях эти почвы считаются ценными.

Супесь – отличается крайне слабой агрегированностью, ее структурные агрегаты разрушаются при малейшем сжатии. Супесчаные почвы теплые, легкие в обработке, хорошо водопроницаемы и аэрируемы. В отличие от песчаных почв, обладают большей влагоемкостью и большим запасом питательных веществ. Однако внесенные с удобрениями элементы питания для растений быстро вымываются.

Суглинок – делятся на три группы, отличающиеся по свойствам:

легкие суглинки и их агрегаты в сухом состоянии сравнительно легко разрушаются пальцами. При растирании прощупываются тонкие пылеватые частицы. В увлажненном состоянии не обнаруживают пластичности.

средние суглинки в сухом состоянии обладают сравнительно прочной агрегатной структурой, при увлажнении приобретают некоторую пластичность.

тяжелые суглинки характеризуются прочными трудно разрушаемыми агрегатами, при увлажнении приобретают повышенную пластичность.

Суглинистые почвы в агрономическом отношении считаются самыми лучшими. Они достаточно влагоемки и водопроницаемы, хорошо удерживают воду, структурны, достаточно легко обрабатываются, не склонны к заболачиванию, хорошо аэрируются. В этих почвах много питательных веществ, способствующих произрастанию растений.

Лесс – характеризуется теми же чертами, что и легкие и средние суглинки, однако обладает большей пылеватостью, которая ощущается при растирании.

Глина – в сухом состоянии отличается высокой твердостью, ее кусочки при сжатии не раздавливаются. При увлажнении приобретает высокую пластичность. Глинистые почвы обладают большой влагоемкостью, во влажном состоянии вязкие, липкие, плохо проветриваются. Эти почвы насыщены влагой, застаивание которой ведет к заболачиванию. В связи с тем, что на испарение влаги идет много тепла, глинистые почвы считаются холодными. В увлажненной зоне отрицательные качества глинистых почв усиливаются, в засушливой – уменьшаются. Следует отметить, что эти почвы богаты элементами питания для растений.

Обладая различными физическими свойствами, отдельные гранулометрические фракции почв различаются также по химическому составу. При этом химический состав в значительной степени меняется в зависимости от величины минеральных частиц: чем мельче частица, тем сложнее ее химический состав. По минералогическому составу гранулометрические фракции почвы характеризуются следующим образом:

песчано-хрящеватые фракции – состоят из отдельных минералов и обломков горных пород, отличаются высокой водопроницаемостью и слабо выраженным капиллярным поднятием;

иловатые фракции – состоят из смеси каолина, гидрата окисей Fe, Al, Mn, отличаются связностью, пластичностью, сильно набухают в воде, во влажном состоянии образуют вязкую, в сухом – твердую массу.

пылеватые фракции – состоят, главным образом, из аморфной кремниевой кислоты и частично кварца.

Чем крупнее гранулометрическая фракция, тем больше в ней содержатся таких инертных соединений, как кремниевая кислота. Более мелкие фракции обогащены полуторными окислами Fe и Al, в тонких фракциях увеличивается количество К, Р₂О₅ и других элементов питания для растений. Иловатые фракции содержат значительное количество перегноя и обладают высокими поглотительными свойствами, поэтому дисперсная иловатая масса является самой ценной частью почвы и оказывает большое влияние на процессы, происходящие в почве, и, в конечном итоге, на ее плодородие.

Сложение почв и их горизонтов. Сложение почвы – это внешнее выражение ее пористости и плотности, которое зависит от свойств материнской породы и структурных свойств почвы. По плотности различают следующие типы сложения:

1. рассыпчатое сложение – свойственно лишенным перегноя песчаным почвам, где отдельные механические частички не сцементированы, в сухом состоянии распадаются на отдельные составляющие и представляют сыпучую массу. Характерно для пахотных горизонтов песчаных и супесчаных почв.

2. рыхлое сложение – наблюдается в суглинистых и глинистых почвах с хорошо выраженной комковато-зернистой структурой, отдельные агрегаты которой мало сцементированы друг с другом, а также в верхних горизонтах супесчаных и песчаных почв, заметно обогащенных гумусом. Характерно для пахотных горизонтов спелых почв.

3. плотное сложение – свойственно большинству суглинистых и глинистых почв, особенно их иллювиальным горизонтам, где вследствие обогащения илистыми фракциями, вынесенными из вышележащих слоев, происходит цементация почвенных частичек.

4. слитное (очень плотное) сложение – является характерным свойством связных глинистых бесструктурных почв, главным образом их нижних горизонтов, отдельные частички которых плотно прилегают друг к другу, практически не образуя скважин и пор. Характерно для солонцов в сухом состоянии.

По пористости, которая характеризуется формой и величиной пор в почвенных горизонтах, различают тонкопористое (диаметр пор менее 1 мм), пористое (1-3 мм), губчатое (3-5 мм), ноздреватое (5-10 мм), ячеистое (более 10 мм) и трубчатое строение, когда почвенные каналы прорыты землероями.

По сложению почв можно судить об аэрации, водопроницаемости, легкости обработки той или иной почвы.

Новообразования и включения. Новообразования - это специфические вторичные минералы и их скопления, которые образуются и откладываются в горизонтах почвы и имеют различный химический состав и форму. В зависимости от преобладающего действия и направленности физических, химических и биологических процессов, происходящих в почвах, в ней могут формироваться новообразования химического и биологического происхождения.

Различают следующие виды химических новообразований:

1. присыпки, налеты, корочки, выцветы – сформированы тончайшими кристаллами различных соединений (легкорастворимыми солями, гипсом, углекислым кальцием, аморфным кремнеземом). Эти образования появляются на поверхности структурных частей, стенках трещин, поверхности почвы.

2. пятна, прожилки, трубки – образуются при выпадении в осадок легкорастворимых соединений вокруг корешков растений, в полостях, оставленных насекомыми и разложившейся органикой. В зависимости от химического состава соединений имеют различную окраску и свидетельствуют о влиянии грунтовых вод или болотном режиме почвообразования. Ортзандры – крупные рыхлые ржавые скопления окислов железа в песках таежных районов. Соединения закиси железа образуют в болотных почвах скопления минерала вивианита [Fe₃(PO₄)₂8H₂O].

3. конкреции, стяжения – концентрически разросшиеся новообразования гипса, ангидрита, углекислого кальция и других соединений, имеющие различную консистенцию и размеры от 2-3 мм до 5-10 см. Образуют сростки, друзы, буравчики, скопления округлой или овальной формы.

4. пласты, плиты и горизонты цементации – значительные по площади и мощности новообразования, при которых первичный материал почвообразующей породы почти не различим.

Новообразования биологического происхождения являются продуктами механической и физиологической деятельности животных и растений. Они представляют собой извилистые ходы (червоточены), экскременты дождевых червей (капролиты), пустые или заполненные ходы роющих животных (кротовины), сгнившие крупные корни растений (корневины), узоры мелких корешков на поверхности структурных отдельностей (дендриты).

Включениями называются тела, органического и минерального происхождения, образование которых не связано с почвообразовательными процессами, а унаследованы от материнской породы. Они имеют большое значение при оценке генезиса самих материнских пород и тех условий, в которых происходило почвообразование.

Основными включениями являются:

1. обломки горных пород различного размера, окатанности и минералогического состава, которые свидетельствуют о ледниковом, аллювиальном или местном элювиальном происхождении почвообразующих пород.

2. раковины моллюсков свидетельствуют о недавнем перемещении береговой линии на значительном пространстве суши, о существовании пресных озер и болот.

3. остатки корней и стволов ранее не произраставших в данной местности растений говорят о коренной смене условий почвообразования, что особенно важно при изучении торфяников.

4. антропогенные включения, которые представлены остатками кирпича, стекла, костей, обломков посуды, монетами, подтверждают антропогенный характер трансформации почвенного профиля и составляющих его горизонтов. Археологические находки позволяют датировать возраст почвообразующей породы и самой почвы.