Лекция основы почвоведения

Вид материала

Лекция

Содержание 1. Выветривание и почвообразование Морозное выветривание — Температурное выветривание Гидратационное выветривание Биохимическое выветривание 2. Формирование коры выветривания и почв. Абсолютная аккумуляция веществ Относительная аккумуляция веществ при почвообразовании Большой геологический круговорот (БГК). Малый биологический круговорот (МБК). 3. Процессы почвообразования Биогенно-аккумулятивные ЭПП Подстилкообразование — Дерновый процесс Гидрогенно-аккумулятивные ЭПП ЭПП внутрипочвенного выветривания Разрушение глины

Подобный материал:

• Рабочая программа дисциплина: Основы почвоведения Направление подготовки, 345.52kb.
• Вопросы к циклу лекций по уэф (VIII семестр) Лекция, 55.08kb.
• Учебная программа для учреждений, обеспечивающих получение высшего образования по специальности, 198.64kb.
• Резолюция (проект) Международной научно-практической конференции, 53.22kb.
• Примерная программа наименование дисциплины земледелие с основами почвоведения и агрохимии, 124.27kb.
• Текст лекций н. О. Воскресенская Оглавление Лекция 1: Введение в дисциплину. Предмет, 1185.25kb.
• Лекции по истории и методологии почвоведения не случайно читаются на старших курсах, 1339.81kb.
• Лекция Теоретические основы омд. Пластическая деформация моно- и поликристалла. Основы, 89.4kb.
• Лекции №1-4 для иностранных студентов Тема: «Введение. Основы безопасности жизнедеятельности,, 291.17kb.
• «Социальная стратификация и социальная мобильность», 46.19kb.

1. Выветривание и почвообразование

Почвообразование — сложный природный процесс образования почв, их развития, функционирования и эволюции под воздействием комплекса факторов почвообразования. На первых стадиях процесса с поселением живых организмов на поверхности горных пород или продуктах их выветривания и переотложением первичный почвообразовательный процесс по существу совпадает с выветриванием, и формирующаяся почва физически совмещена с корой выветривания. Затем выветривание и почвообразование разделяются в пространстве и времени, а почва формируется лишь в самой верхней зоне коры выветривания горных пород, часто после ее образования и переотложения.

Необходимо иметь в виду, что в далекий абиотический период развития Земли выветривание происходило без почвообразования, т.е. на земной поверхности существовали коры выветривания, но не было почв. Отсутствовал один из важнейших факторов почвообразования — биогенный. Для разделения понятий «кора выветривания» и «почва» определим суть различий и сходства между ними.

Кора выветривания — часть поверхностного покрова суши, в котором ее скелетом являются топографически не смещенные продукты гипергенного изменения вещества материнских пород. В предложенном определении кора выветривания противопоставляется всему комплексу осадочных отложений как образований, возникающих за счет материала, топографически смещенного относительно источников сноса (по Е. В. Шанцеру). Характерные признаки коры выветривания — наследование структурно-текстурных признаков материнской породы, а также ее профильное строение. Горные породы, слагающие геологическое тело коры Основанием для этого служат качественные различия процессов, обусловливающих их развитие.

Таких главных качественных различий три.

1. Любой почве свойственны химические реакции взаимодействия органических кислот с минеральной составляющей литосферы, нередко приобретающие характер полного растворения.
   
2. Лишь часть химических элементов, которая перешла в раствор, не подвергается влиянию корневой системы растений, причем большая часть из них захватывается корнями растений и входит в зольный состав их тканей. Затем они снова поступают в почву. Почва, таким образом, та часть коры выветривания, которая активно вовлечена в биогеохимический круговорот вещества и энергии.
   

3. Биологический и биохимический характер процессов, свойственных почве, ограничен глубиной проникновения продуцирующихся в верхней части почвенного профиля гумусовых веществ. Гумусообразование и биохимические реакции органических кислот с минералами материнских субстратов обладают качественным своеобразием лишь в пределах первых десятков сантиметров. Ниже границы полной минерализации продуктов органического распада и синтеза — на глубине 2—5 м от дневной поверхности выветривание не зависит от воздействия продуктов жизнедеятельности и контролируется главным образом гидротермическим режимом ландшафта.

Таким образом, почва и подстилающие ее горизонты коры выветривания — взаимосвязанные образования. В то же время содержание процессов формирования почвенных и подпочвенных горизонтов различается, что позволяет рассматривать их как две основные генетические зоны (Б. Б. Полынов, 1934; И. П. Герасимов, 1964; В.А.Ковда, 1973; Е.В.Шанцер, 1966; А. Г.Черняховский, 1991, 1994). В дальнейшем будем называть их почвенной (или собственно почвой) и сапролитовой зонами, а основные горизонты сапролитовой зоны сверху вниз — литомаржем и сапролитом.

Образование почв и коры выветривания составляют суть следующих основных процессов выветривания: морозного, температурного, гидратационного и биохимического.

1. Морозное выветривание — это дезинтеграция горных пород под воздействием расклинивающего действия замерзающей воды и других физических и физико-механических процессов, связанных с промерзанием и льдообразованием. Этот тип выветривания характерен для ландшафтов тундр и лесотундр, отличающихся суровыми климатическими условиями, многолетней мерзлотой и обусловленным ею избыточным поверхностным увлажнением. Частые переходы температур через точку замерзания воды приводят к образованию глыбового элювиального материала с небольшой примесью мелкозема. Размер глыб колеблется от нескольких десятков сантиметров до нескольких метров в диаметре. Возможная мощность коры выветривания, образованной морозным выветриванием, определяется глубиной сезонного промерзания-оттаивания и может достигать 10—15 м от поверхности.
   
2. Температурное выветривание — механическая дезинтеграция горных пород под действием теплового расширения и сжатия ее минеральных компонентов. Этот тип выветривания проявляется в ландшафтах пустынь умеренных и тропических термических поясов, а также в ландшафтах нивального пояса высоких гор, холодных пустынь, полупустынь и сухих саванн в условиях непромывного и аридного режима увлажнения.
   

Температурные колебания в консолидированных горных породах приводят к возникновению элювия с частицами разной размерности: а) щебенчатого в пределах одного или нескольких сантиметров (кристаллические сланцы, мраморы, кварциты, порфириты); б) пылеватого и глинистого в пределах десятых и сотых долей миллиметра. Возможная максимальная мощность коры выветривания, образованной температурным выветриванием, ограничивается глубиной суточных температурных амплитуд, т.е. одним метром.

Однако все перечисленные процессы не вызывают механические напряжения, способные привести к дезинтеграции рыхлых субстратов. Согласно данным А.Г.Черняховского, механические свойства этих субстратов изменяются благодаря гидратации-дегидратации и «солевого» температурного выветривания в результате расклинивающего действия кристаллизующихся солей.

3. Гидратационное выветривание — это дезинтеграция горных пород расклинивающим действием адсорбированных пленок воды. Адсорбция водных пленок препятствует смыканию трещин и примногократном повторении деформаций приводит к полному разрушению породы. Этот тип выветривания может происходить в любой климатической зоне, но самостоятельное значение приобретает в ландшафтах степей, лесостепей, аридных редколесий, сухих кустарников, типичных саванн. Он осуществляется в условиях непромывного режима увлажнения или дефицита влаги. Элювий отличается тонким механическим составом с преобладанием дресвы и фракций песка и глины. Возможная мощность коры выветривания, образованная гидратационным выветриванием, определяется сезонными температурой и влажностью.

4. Биохимическое выветривание происходит по законам растворения. Этот тип выветривания — основной процесс в гумидных ландшафтах всех термических поясов Земли, т.е. в зонах, где удаляются продукты разрушения. Элювий отличается дресвяно-глинистым и глинистым составом. Механизм и продукты химического выветривания определяются свойствами воды (диэлектрическими, диссоциационными, окислительно-восстановительными и др.), гумусовых веществ и структурой взаимодействующих с ними минералов.

2. Формирование коры выветривания и почв.

Трансформация горной породы в кору выветривания происходит под действием зональных биоклиматических и азональных геолого-тектонических факторов. Зональные факторы через основные процессы выветривания обусловливают характер и интенсивность воздействия непосредственных агентов преобразования горной породы в ее элювий. Они направляют процесс возникновения современных кор выветривания определенного типа.

Уже в процессе выветривания горные породы приобретают ряд свойств, существенных для формирующихся из них почв. В процессе почвообразования эти свойства получают дальнейшее развитие. Рухляк выветривания (элювий горной породы) служит благоприятным субстратом для поселения низших и высших растений и связанной с ними фауны и, соответственно, для интенсивного развития почвообразования.

В процессе почвообразования каждая почва проходит ряд последовательных стадий, направление, длительность и интенсивность которых определяются конкретным комплексом факторов почвообразования и их эволюцией в каждой точке земной поверхности.

Стадия начального почвообразования носит название первичного почвообразования, обычно длительна по времени и охватывает почвообразованием небольшую по мощности зону субстрата. При этом процесс роста плодородия замедлен, а профиль в слабой степени дифференцирован на генетические горизонты.

Стадия развития почвы протекает с нарастающей интенсивностью, охватывая все большую толщу почвообразующей породы вплоть до формирования зрелой почвы с характерным для нее профилем и комплексом свойств. К концу этой стадии процесс постепенно замедляется, вернее, приходит к некоторому равновесному состоянию, определяемому комплексом и стабильностью во времени факторов почвообразования. Наступает стадия равновесия — климаксное состояние), длящееся неопределенно долго. В этом состоянии поддерживается более или менее постоянное динамическое равновесие со средой, т.е. с существующим комплексом факторов почвообразования.

На каком-то этапе в результате саморазвития экосистемы климаксная стадия сменяется эволюцией почвы. Почва входит в экосистему либо в качестве одного из компонентов, либо в результате изменения одного или нескольких факторов почвообразования — климата, растительности, характера грунтового увлажнения (изменение рельефа, распашка, орошение или осушение) и т. д. Стадию эволюции почвы можно сопоставить со стадией развития, которая ведет к какому-то новому климаксному состоянию. При этом образуется новая почва с новым профилем и новым комплексом свойств, например формирование луговых почв из болотных при обсыхании территории или, наоборот, при затоплении каштановых и черноземов при остепнении; переход солончака в солонец при рассолении; оподзоливание буроземов; заболачивание автоморфных почв и т. д. В данном случае новая почва образуется не из почвообразующей породы, а из ранее сформированной почвы.

Таких циклов почвообразования на одном и том же субстрате может быть несколько. В профиле полигенетических (полициклических) почв обычно обнаруживаются унаследованные реликтовые черты и признаки, не связанные с современным этапом почвообразования.

Эволюция почвы может идти в разных направлениях: по пути нарастания мощности почвы и/или по пути ее уменьшения, по пути засоления почвы или ее рассоления, деградации почвенного плодородия или его нарастания. Пути эволюции определяются конкретными природными ситуациями. Каждый очередной этап эволюции — это новая почва или ее новое устойчивое состояние, которые, в свою очередь, сменяются новыми эволюционными циклами.

Абсолютная аккумуляция веществ — с одной стороны, это поступление веществ в почвообразующую породу из атмосферы или гидросферы при почвообразовании, а с другой — накопление их в формирующейся почве. Таким путем в почве концентрируются углерод (фотосинтез — создание биомассы — отмирание биомассы — разложение — гумификация — гумусонакопление); азот (азотфиксация — потребление организмами — отмирание биомассы — нитрификация, аммонификация); водорастворимые соли, гипс, известь, соединения железа, кремнезем (из грунтовых вод, особенно при выпотном режиме).

Относительная аккумуляция веществ при почвообразовании — это остаточное накопление в результате выноса каких-то других веществ. Примером может служить процесс выноса щелочных и щелочноземельных металлов и относительное увеличение при этом кремнезема и полуторных окислов железа и алюминия. Относительная аккумуляция веществ — всегда следствие элювиального процесса. Под элювиальным процессом понимается нисходящее передвижение веществ в почве при промывном режиме и частичный или полный вынос в нижележащую толщу или за ее пределы ряда соединений.

Вынос и аккумуляция веществ при почвообразовании — следствие взаимодействия малого биологического и большого геологического круговоротов веществ на земной поверхности, которое в разных природных условиях развивается противоречиво и неоднозначно.

Большой геологический круговорот (БГК). Определяется различными циклами (геохимическими, биогеохимическими, технобио-геохимическими, миграционно-трансформационными) в глобальной циркуляции веществ в истории развития Земли. Эти глобальные циклы складываются из комплекса элементарных циклов и включают следующие:

• появление изверженных пород на земной поверхности;
  
• выветривание, почвообразование, эрозия и денудация;
  
• накопление континентальных и океанических осадков, метаморфизм осадков;
  
• выход на поверхность осадочных пород с новым циклом выветривания, почвообразования;
  
• денудация и осадконакопление либо опускание веществ в геосинклинальных областях в мантию и переплавка, после чего опять выход на поверхность в новом цикле вулканизма.
  

• Малый биологический круговорот (МБК). В большом геологическом круговороте важную роль играет МБК. Попадая в малый биологический круговорот, элементы на продолжительный срок выключаются из глобального геохимического потока, многократно участвуя в бесконечных преобразованиях вещества земной поверхности. Например, суть малого биологического круговорота зольных элементов сводится к потреблению растениями элементов из почвы, их участию в биохимических процессах и возвращению в почву после отмирания растений. Более сложны циклы углерода и азота, затрагивающие и атмосферу.
  

3. Процессы почвообразования

3.2.1. Общие и элементарные процессы при почвообразовании

Взаимодействие большого геологического и малого биологического круговоротов веществ на земной поверхности проявляется через серию противоположно направленных процессов и противоречивых явлений, из которых складывается почвообразование. К ним относятся:

• разрушение первичных и вторичных минералов — синтез новых минералов;
  
• биологическая аккумуляция элементов в почве — потребление элементов организмами из почвы;
  
• гидрогенная аккумуляция элементов в почве — геохимический вынос элементов из почвы;
  
• разложение органических соединений — синтез новых органических соединений;
  
• поглощение ионов из раствора твердой фазой — переход ионов из твердой фазы в раствор;
  

• растворение веществ — осаждение веществ;
  
• пептизация коллоидов — коагуляция коллоидов;
  

• нисходящее движение растворов — восходящее движение растворов;
  

• увлажнение — высыхание;
  
• набухание — усадка;
  
• нагревание — охлаждение;
  
• окисление — восстановление.
  

Многие из этих противоположных процессов носят циклический характер, связанный с общей цикличностью природных явлений. Вьщеляют суточные, сезонные, годовые, многолетние, вековые циклы почвообразования.

По А. А. Родэ, данные циклы почвообразования — общие почвообразовательные процессы, поскольку они существуют во всех почвах, хотя и в разном качественном и количественном проявлении, в разнообразных сочетаниях.

Особенности проявления общих процессов в зависимости от специфики факторов и условий почвообразования Родэ назвал частными почвообразовательными процессами. Это гумусообразование или торфообразование, засоление или рассоление и др. Кроме того, ученый все почвообразовательные процессы разделил на макропроцессы, охватывающие весь почвенный профиль в целом, и микропроцессы — минеральные и органические преобразования в пределах изолированных участков почвенного профиля. Разделение почвообразовательных процессов на общие и частные, макро- и микропроцессы раскрывает суть почвообразования в целом, его особенности и определяет генезис почв.

Частные почвообразовательные макропроцессы И. П. Герасимов предложил называть элементарными почвенными процессами (ЭПП). В отличие от общих процессов ЭПП характерны только для отдельных типов и групп почв. Данные процессы в своей совокупности являются почвообразующими и при тех или иных сочетаниях друг с другом определяют свойства почв на уровне типов, т.е. прежде всего строение профиля или состав и соотношение генетических горизонтов. Поэтому каждый генетический тип почв характеризуется только ему одному свойственным сочетанием ЭПП. Вместе с тем отдельные ЭПП могут и должны встречаться в разных генетических типах почв. Иначе говоря, элементарные почвенные процессы — это горизонтообразующие или профилеобразующие процессы.

Типы элементарных почвенных процессов

Биогенно-аккумулятивные ЭПП, по В.А.Ковде и Б.Г.Розанову, происходят при непосредственном участии растений, животных, микроорганизмов и продуктов их жизнедеятельности. ЭПП формирует и аккумулирует органические и/или органоминеральные вещества в верхней части почвенного профиля.

Подстилкообразование — формирование на поверхности почвы органогенного слоя лесной подстилки или степного войлока, который представлен различными стадиями разложения органического вещества. Менее разложенная подстилка формируется в верхней части слоя, более разложенная — в нижней.

Торфообразование — трансформация и консервация органических остатков на фоне их незначительной гумификации, приводящие к образованию торфа различной степени разложенности: а) олиготрофное торфообразование характерно для верховых болот бедного минерального состава; б) эутрофное торфообразование типично для низинных болот грунтового увлажнения более богатого минерального состава.

Гумусообразование — преобразование органических остатков в почвенный гумус с формированием органоминеральных соединений. Различают гумусообразование: а) по механизму гумусонакопления — инситное (in situ — на месте образования), пропиточное и потечное; б) по типу гумификации — гуматное, гуматно-фульватное и фульватное; в) по реакции среды — кислое, нейтральное, щелочное; г) по характеру связи с минеральной частью и степени гумификации — мюлль, модер и мор (мягкий, нейтральный и грубый гумус).

Дерновый процесс — интенсивное гумусообразование, гумусонакопление и аккумуляция биофильных элементов под воздействием травянистой растительности и корней. Результат развития дернового процесса — формирование темного комковатого или зернистого гумусового (или перегнойного) горизонта, по объему состоящего по меньшей мере наполовину из корневых систем растений.

Гидрогенно-аккумулятивные ЭПП, по В.А.Ковде и Б.Г.Розанову, связаны с современным или прошлым влиянием грунтовых вод на почвообразование. К почвенным процессам они относятся лишь в той степени, в какой охватывают аккумуляцию веществ в почвенном профиле.

Засоление — накопление водорастворимых солей в почвенном профиле при выпотном (десукционном) водном режиме в условиях минерализованных грунтовых вод.

Окарбоначивание — вторичная аккумуляция карбоната кальция в почвенном профиле из минерализованных грунтовых вод при их насыщении карбонатом или гидрокарбонатом кальция.

Окремнение — гидрогенное накопление кремнезема в области циркуляции щелочных растворов и цементация им почвенных слоев с образованием плотного водонепроницаемого горизонта — ду-рипэна.

Латеритизация — аллохтонное внутрипочвенное ожелезнение с образованием мощных конкреционных или панцирных прослоев разного строения — пизолитового, альвеолярного, вермикуляр-ного, шлаковидного.

ЭПП внутрипочвенного выветривания — группа процессов трансформации породообразующих минералов in situ без элювиально-иллювиального перераспределения компонентов в почвенном профиле.

Аллофанизация — синтез аллофанов — минералов с неупорядоченной аморфной структурой. Этот процесс особенно характерен для почв, формирующихся на пирокластических отложениях.

Ферсиаллитизация — процесс внутрипочвенного выветривания, при котором образуются любые по цвету и глинистости рыхлые мелкоземистые образования, частично десилицированные и по сравнению с породой обогащенные Fe и А1. Минералогический состав ила может быть разным, но с молекулярным отношением Si0₂/Al₂0₃ в иле и почве >3,0. Минералогически ферсиаллитность представляет собой: а) в основном унаследованные и стадийно-трансформационные полиминеральные продукты выветривания (гидробиотит, хлорит-смектиты, хлорит-вермикулиты, вермикулиты), полиминеральные продукты выветривания гумидных холодных бореальных областей; б) продукты выветривания преимущественно смектитового состава (синтез и/или наследование смектитов) в семиаридных и субгумидных субтропиках и тропиках.

Ферраллитизация — процесс внутрипочвенного выветривания с десиликацией, образованием и относительным накоплением in situ красноцветных и красно-желтых глин с молекулярным отношением Si0₂/Al₂0₃ в составе ила < 2,0. Минералогически такие продукты могут сильно различаться: от преимущественно оксидных ассоциаций (гетит, гиббсит, гематит) до почти силикатных (као-линитовые, каолинит-смектитовые, метагаллуазитовые). Цвет и степень глинистости толщ могут быть любыми: от серо-бурого песчаного и супесчано-суглинистого до охристого и красного глинистого.

Рубефикация — покраснение минеральной массы почв за счет образования тонкодисперсных окислов железа. Красная окраска почвенной массы появляется благодаря образованию тонкодисперсного гематита Fe₂0₃. Существует другое мнение о происхождении рубефикации за счет аморфных соединений железа. Источником железа могут быть различные соединения несиликатного железа материнского субстрата, освободившиеся в процессе выветривания железосодержащих компонентов минеральной массы, либо привнесенные со стороны железосодержащие растворы.

Брюнификация — процесс, противоположный рубефикации, вызывающий побурение окраски и протекающий в условиях повышенного увлажнения и появления значительных количеств подвижного гумуса. При этом растворяется гематит, формируются органо-железистые соед￿нцни мс последующим о￿ в ￿вани￿м гетита. Наиболее ярко брюнификация выражена в кислых горно-луговых альпийских и субальпийских почвах, бурых горно-лесных, влажных субтропических красноземах и желтоземах.

Оглеение — метаморфическое преобразование почвенной массы в результате периодического или длительного переувлажнения почвы, приводящее к интенсивному развитию восстановительных процессов.

Оглинивание включает: а) новообразование или неосинтез глинистых минералов, обусловленный растворимостью и степенью выветрелости почвенных компонентов, значениями рН, окислительно-восстановительными условиями и т.д.; б) остаточное накопление глины вследствие растворения и выщелачивания карбонатов и минералов неслоистой структуры в профилях почв.

Разрушение глины — процесс инконгруэнтного растворения минералов слоистой структуры, приводящий к полной или частичной трансформации их кристаллических решеток. Встречается в почвах и корах выветривания, где складываются условия промывного водного режима и возможность удаления продуктов растворения в нижележащие горизонты и за пределы почвенного профиля.

Слитизация — обратимая цементация глинистых почв гидро-слюдисто-смектитового состава в условиях периодического чередования интенсивного увлажнения и просыхания, набухания и усадки с интенсивной вертикальной трещиноватостью.