Почвенные ресурсы

скачать книгу бесплатно

Почвенные ресурсы
Ярослав Константинович Кулико

ВУЗ. Студентам высших учебных заведений
Изложены основные понятия современного почвоведения как науки, а также географии почв мира и Беларуси. Рассмотрены факторы, процессы и режимы почвообразования, почвенный профиль и его свойства. Даны общие представления о генезисе, классификации и разнообразии почв. Особое внимание уделено экологическим и биологическим свойствам, плодородию, охране и рациональному использованию почв. Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Биоэкология». Может быть полезно студентам, аспирантам и специалистам в области сельского хозяйства, биологии, землеустройства, агроэкологии.

Ярослав Константинович Куликов

Почвенные ресурсы: учебное пособие

Допущено

Министерством образования Республики Беларусь в качестве учебного пособия для студентов учреждений высшего образования по специальности «Биоэкология»

Рецензенты: кафедра безопасности жизнедеятельности Белорусского государственного технологического университета (заведующий кафедрой доктор сельскохозяйственных наук, профессор В.Н. Босак);

главный научный сотрудник лаборатории использования осушенных минеральных земель Республиканского унитарного предприятия «Институт мелиорации Национальной академии наук Беларуси» доктор сельскохозяйственных наук П.Ф. Тиво

Предисловие

Среди наиболее крупных интегральных задач, стоящих перед человечеством, одно из первых мест занимает проблема сохранения биосферы Земли, порожденная стремительной антропогенной деградацией окружающей природной среды. Будучи междисциплинарной по своей сути, эта проблема долгое время не включала в себя в должной мере почвоведческий и почвоохранный аспекты.

Всепродолжающаяся интенсивная антропогенная деградация природы со всей остротой ставит задачу поиска путей сохранения разнообразия видов организмов и биосферы в целом – незаменимой среды обитания человека. В настоящей работе данная проблема анализируется в контексте сбережения почв нашей планеты и их географо-генетического богатства как первейшего условия сохранения биосферы Земли и ее биоразнообразия. Такой подход опирается на следующие положения.

1. Почва является центральным звеном глобальной биосферной системы, планетарным узлом экологических связей, объединяющим в единое целое другие структурно-фунциональные составляющие этой системы: гидросферу, атмосферу, биомир планеты, земную кору. Поэтому, если человечество планирует сохранить естественную среду своего обитания – биосферу, оно должно экстренно прекратить дальнейшие разрушения и деградацию почвенного покрова.

2. Важнейший аспект сохранения биосферы – сбережение входящих в нее организмов – во многом теряет смысл, если не сберегается главная экологическая ниша организмов суши – почва. Ведь абсолютное большинство растений так или иначе связано с почвой. Это же относится и к наземным животным. Например, насекомые – самый многочисленный класс, на долю которого приходится около половины всех видов животных, более чем на 90 % в своей жизнедеятельности сопряжены с почвенным ярусов. В аналогичном положении находятся и микроорганизмы.

3. Сейчас все актуальней становится разработка с единых позиций программ по сбережению биологического разнообразия, тем более что основная часть видов живых организмов на

Земле пока не описана. Из общего числа 5-30 млн видов охарактеризовано только 2 млн. Причем слабо изученными в таксономическом отношении оказались микроорганизмы – 80–90 % их видов не имеют научного описания. Если не предпринимать реальных действенных мер по сохранению почв и их географо-генетического разнообразия, то многие из числа неизученных организмов исчезнут, так и не дождавшись таксономического определения.

Кроме этих проблем остро стоит задача оценки степени деградации почвенного покрова, его охраны. Педосфера – аккумулятор энергии, главным составляющим которой является органическое вещество – гумус. Тенденция к снижению плодородия почв и общих запасов гумуса повсеместна, что требует пристального и постоянного внимания почвоведов-эколо-гов, пространственной оценки, которая без детальных исследований вряд ли возможна.

Почва – биокосное тело, и те резервы первичных минералов и химических элементов, которые сохранила в себе почва в твердой фазе или трансформировала в глинистые минералы, определяют ее ближайшее и относительно далекое будущее. Это также надо учитывать при построении прогнозов использования почвенного покрова планеты.

Наиболее значительным антропогенным преобразованием почвенного покрова следует признать тот факт, что часть почв планеты уже не соответствует их естественно-историческому (докучаевскому) профилю. За сравнительно короткий период времени почвы преобразовались таким образом, что возникла насущная необходимость выделения антропогенно преобразованных почв и агроземов. Агроземы представляют собой почвы, интенсивно используемые в сельском хозяйстве, частично или вовсе не сохранившие в профиле диагностические черты, которые присущи целинным почвам тех же регионов и условиям почвообразования. Расширение площадей, занятых различными типами агроземов, трансформация естественных микроструктур почвенного покрова в агрогенные ставят перед почвоведением более сложные и глубокие по своему содержанию задачи: оценка данных преобразований, их пространственная обусловленность и оптимальное использование в земледелии.

Автор

Введение

1. Понятие о почве

 

Почвоведение – наука о почве, ее строении, составе, свойствах и географическом распространении, закономерностях происхождения, развития, функционирования и роли в природе и обществе, путях и методах мелиорации, охраны и рационального использования в хозяйственной деятельности человека.

Почвы представляют собой самостоятельную, сложную, особую биокосную оболочку Земли, покрывающую сушу материков. Поверхностные горизонты горных пород, подвергаясь воздействию многих поколений живых организмов, испытывая длительное влияние атмосферы и гидросферы, преображаются в почвенный покров. Почвенный покров – педосфера – является продуктом взаимодействия литосферы, атмосферы, гидросферы и биосферы.

Основатель почвоведения В.В. Докучаев дал первое научное обоснование почвы. Он определил, что почва есть результат совокупной деятельности и влияния ряда факторов: материнской породы, растительных и животных организмов, климата, рельефа местности и возраста страны.

В современном почвоведении принято следующее определение понятия почвы. Почва – это обладающая плодородием сложная полифункциональная и поликомпонентная открытая многофазная система в поверхностном слое коры выветривания горных пород, являющаяся комплексной функцией горной породы, организмов, климата, рельефа и времени. Полифункциональность почвы заключается в том, что она является одновременно природным телом, средой обитания многих живых организмов, средством сельскохозяйственного производства и т. д. Поликомпонентность почвы определяется огромным разнообразием входящих в ее состав органических и неорганических веществ. Эти вещества представлены различными физическими фазами (многофазность): твердой (минеральные и органические частицы), жидкой (почвенный раствор), газообразной (почвенный воздух) и особо выделяемой живой фазой (организмы). Почва является открытой системой, поскольку постоянно обменивается веществом и энергией с окружающей средой.

2. Роль почвы в природе и обществе

 

Почвенный покров и растительность представляют собой неразделимое единство – мировую почвенно-экологическую систему, в которой растения и почвы живут совместно. Растительность на суше появилась около полумиллиарда лет назад. Тогда же возник почвообразовательный процесс, который прошел очень сложную историю, тесно связанную с историей всего живого на нашей планете.

Почвенный покров суши в настоящее время насчитывает около двухсот типов почвообразования. Наблюдаемые современные подзолы, серые и бурые лесные почвы, черноземы, красноземы и другие почвы имеют различный возраст и возникли вместе с развитием живой природы в разные геологические эпохи. Они появлялись и исчезали на Земле, суша сменялась морем, морское дно становилось сушей, пустыни замещались лесами, ледники выпахивали громадные площади. Однако почвообразовательные процессы следовали за растительными сообществами, исчезая и возникая вновь, сменяя друг друга вместе с изменением всей географической среды.

Солнце – главнейший источник энергии в биосфере. Нормальное функционирование биосферы зависит от поступления солнечной энергии и фотосинтеза растений. Этот важнейший процесс, связывающий солнечную энергию в растительном органическом веществе, немыслим без огромной роли почвенного покрова и его плодородия.

Запасы фитомассы на нашей планете громадны. Они составляют 99 % от всего живого вещества Земли. Большая часть этого вещества сосредоточена в почвенных горизонтах. Например, травы на 60–80 % состоят из корней. Как подземная часть растений, так и надземная масса служат источником питания растительноядных животных, а те, в свою очередь, становятся добычей хищников или после отмирания поедаются другими животными и дальше – микроорганизмами.

В конечном итоге все органическое вещество так или иначе попадает в почву. Именно здесь наблюдается наибольшая концентрация организмов. Почва – незаменимый аккумулятор биологической энергии в биосфере. Преобладающая масса живого вещества суши и потенциальной биологической энергии сосредоточена в почвенном покрове.

В итоге биологического преобразования растительных и животных остатков в почвах происходит накопление особых органических веществ – почвенного гумуса. В нем консервируются многие жизненно необходимые элементы, закрепляется энергия солнца, которая когда-то вначале была накоплена зелеными растениями.

В почвах происходят различные явления интенсивного разрушения химических соединений как органической, так и минеральной природы. Результатом всех биологических превращений органических веществ растительных, животных остатков и почвенного гумуса является их минерализация, т. е. переход в почвенные растворы неорганических соединений – солей, кислот, углекислого газа и т. д. Разрушаются также силикатные и алюмосиликатные минералы почвы, которые достались ей в наследство от материнской породы. Много процессов участвует в этом разрушении. Почвоведение дает им сложную классификацию. Но главнейший результат всех этих явлений – образование простых химических соединений, поступление в почвенные растворы химических элементов, которые входили в состав минералов почвы.

В биосфере вряд ли можно найти место, где биогеохимиче-ские процессы разрушения веществ разной природы протекают столь интенсивно. Это обусловлено тем, что в почве происходит сложный контакт и взаимодействие всех природных сил: живого вещества, воды, воздуха, температуры, различных химических соединений и т. д. Но главное – всепобеждающее действие живых организмов и продуктов их жизнедеятельности во всех явлениях. И в результате всех этих процессов в подвижное (миграционное) состояние переходят почти все химические элементы, а в почве присутствуют практически все элементы периодической системы Менделеева. Почва – единство противоречий. Ее функционирование определяется как обязательным закреплением и аккумуляцией сложных химических веществ разной природы, так и обязательным переходом в растворимое подвижное состояние очень многих химических элементов.

Соотношение химических элементов в живом веществе и в горных породах различно. В почвах постоянно аккумулируются, закрепляются и переходят в подвижное состояние те химические элементы, которые обеспечивают жизнь. Избирательное накопление элементов в почвах возможно только при участии растений. Их корни ищут эти элементы глубоко в породах, перехватывают каждую частицу вещества, необходимого для жизни. В этом заключается процесс биологической аккумуляции химических элементов жизни.

Растения, накапливая в своем веществе элементы-биофилы, затем передают их почвенному гумусу и другим соединениям, тем самым постоянно улучшая среду обитания. Почвы закрепляют нужные для жизни химические элементы и становятся начальным звеном последующего усвоения и миграции этих элементов по цепям питания многих групп организмов. Но в конце концов они снова приходят к почве.

Не все химические элементы почвенных растворов усваиваются растениями. Они часто находятся в избыточных количествах и под влиянием нисходящих потоков воды, промывающих почвы ежедневно, вовлекаются в миграционные потоки, т. е. почвенный покров – начальное звено миграции многих химических элементов. С почвенными растворами они появляются в родниках. Химический состав воды наших рек в конечном итоге зависит от химического состава почвенных растворов тех территорий, откуда текут реки.

Почвенный покров выполняет в биосфере еще одну важнейшую роль: он, как и Мировой океан, – очиститель (пурификатор) планеты. В почве завершается разрушение многих органических и органо-минеральных соединений. Почва – приемник разнообразных отходов хозяйства и жизнедеятельности. Благодаря высокой концентрации жизни в почвах и проявляется свойство утилизировать, разлагать то, что оставляют после себя живые организмы. Способность почвы как пурификатора используется в некоторых городах для очистки канализационных и промышленных вод. Создаются специальные поля орошения, на которые поступают сточные воды и эффективно в почвенной среде проходят биологическую очистку.

Почва по отношению к человеческому обществу имеет двойственную природу. Во-первых, это базис, физическая среда, жизненное пространство для сооружения, размещения жилищ, населенных пунктов, промышленных предприятий, дорог, мест отдыха и т. д. Во-вторых, экономическая основа существования людей, основное средство производства в сельском хозяйстве, выступающее как предмет и орудие труда одновременно.

В заключение отметим, что необходимо различать понятия «почва» и «земля», как это характерно для других языков (лат. solum-terra, англ, soil-land и т. д.). Земля – понятие более сложное, включающее в себя не только почву, но и определенную часть земной поверхности в конкретном географическом пространстве. Это окружающая нас географическая обстановка: ландшафты, поселки, города, леса, луга, сады, пашни, водные пространства и т. д. И, конечно, Земля – название одной из планет Солнечной системы, на которой мы живем. Исходя из вышеизложенного можно определить особенности почвы как природного тела, ее биосферные функции и сельскохозяйственное значение.

Особенности почвы как природного тела:

1) почва занимает определенное место на нашей планете – это поверхностный горизонт земной коры, образующий небольшой по мощности слой. Почвенный покров Земли составляет педосферу. Верхняя граница почвы – поверхность раздела между почвой и атмосферой; нижняя граница – глубина проникновения почвообразовательных процессов (определение нижней границы почвы достаточно условно). Почва – неотъемлемая часть наземных биогеоценозов;

2) почва – глобальный результат возникновения и эволюции жизни на Земле, взаимодействия биоты с горными породами, выходящими на поверхность суши;

3) процессы в почве включены в сложные круговороты вещества и энергии на Земле (геологический и биологический);

4) почва – природное образование, уникальное по сложности вещественного состава;

5) для почв характерна сложная пространственная организация и дифференциация признаков, свойств и процессов;

6) общее и важнейшее качество почв – плодородие.

Биосферные функции почвы:

1) обеспечение существования жизни на Земле (почва – следствие жизни и одновременно условие ее существования);

2) обеспечение постоянного взаимодействия большого геологического и малого биологического круговоротов (циклов) веществ на земной поверхности;

3) регулирование химического состава атмосферы и гидросферы;

4) регулирование биосферных процессов, в частности плотности жизни на Земле;

5) аккумуляция органического вещества и связанной с ним химической энергии.

Сельскохозяйственное значение почвы состоит в том, что она является основным средством сельскохозяйственного производства, предметом труда и в известной степени продуктом этого труда. В настоящее время благодаря почвенному плодородию человечество получает 98 % продуктов питания, а также древесину, не синтетические продукты для разнообразных производств и многое другое.

3. Почвоведение в системе наук

 

Почвоведение принадлежит к наукам о природе, т. е. является естественнонаучной дисциплиной. Оно тесно соприкасается с фундаментальными науками (математика, физика, химия), естественно-историческими (биологией, геологией, географией), разного рода прикладными науками (земледелие, растениеводство, агрохимия, лесоводство, мелиорация, землеустройство, инженерное строительство, экономика сельского хозяйства, здравоохранение, охрана окружающей среды и др.).

Как любая другая наука, почвоведение имеет свои методы исследований, адекватные предмету исследований.

Прежде всего выделяется системный (комплексный) подход к изучению почвы, который подразумевает ее исследование в неразрывной взаимосвязи и взаимообусловленности с окружающими ее объектами и явлениями, т. е. исследование почвы как составной части (подсистемы) большей системы (биогеоценоза, биосферы). В то же время почва сама образована меньшими подсистемами.

Профильно-генетический метод требует обязательного изучения почвы с поверхности на всю ее глубину последовательно по генетическим горизонтам с последующим сопоставлением их свойств или параметров.

Морфологический метод позволяет изучать почвы и различать их по внешним (морфологическим) признакам: строению почвенного профиля, мощности почвы и ее отдельных горизонтов, окраске, гранулометрическому составу, структуре, сложению, новообразованиям, включениям и т. д. Различают три вида морфологического анализа: макроморфологически й – изучение почвы невооруженным глазом, мезоморфологический – с помощью лупы и бинокуляра, микро-морфологический – с использованием микроскопов. Морфологический анализ почвы является обязательным начальным этапом всех почвенных исследований.

Сравнительно-географический метод основан на изучении связей между пространственным изменением свойств и состава почв с географией факторов почвообразования. Использование этого метода позволяет делать обоснованные заключения о генезисе (происхождении) почв и закономерностях их географии.

Сравнительно-исторический метод базируется на принципе актуализма, что дает возможность исследовать прошлое почв на основании изучения их современного состояния: погребенных почв и почвенных горизонтов, реликтовых признаков почв и их сопоставления с современными процессами.

Биогеоценотический (экологический) метод подразумевает одновременное сопряженное изучение всех компонентов биогеоценоза: почвы, растений, животных, микроорганизмов, атмосферы, природных вод, горных пород с учетом конкретных условий географической среды.

Метод моделирования заключается в исследовании сложных объектов, явлений и процессов путем их упрощенного имитирования (натурного, математического, логического). В почвоведении широко используется постановка модельных экспериментов в лабораторных условиях или создание математических моделей тех или иных почвенных процессов.

Метод почвенных ключей основан на детальном исследовании небольших репрезентативных участков-ключей и интерполяции полученных результатов на крупные территории с однотипной структурой почвенного покрова, что позволяет изучать большие территориальные единицы с экономией средств и ресурсов.

Аэрокосмические методы включают инструментальное или визуальное изучение фотографий земной поверхности или ее прямое исследование с самолетов и космических аппаратов.

Физические, физико-химические, химические и биологические аналитические методы используются для изучения состава и свойств почв.

В зависимости от места проведения почвенные исследования бывают полевые и лабораторные. Полевые почвенные исследования включают экспедиционные и стационарные методы изучения почв.

Метод почвенных монолитов базируется на принципе физического моделирования почвенных процессов (передвижения влаги, солей и т. д.) на почвенных колонках (монолитах) ненарушенного строения, взятых особым образом из почвенного разреза.

Метод вегетационных сосудов широко используется для исследования взаимосвязей в системе почва – растение.

Метод почвенных вытяжек основан на гипотезе о том, что каждый растворитель (вода, растворы кислот, щелочей или солей разной концентрации, органические растворители – спирт, ацетон, бензол и т. п.) экстрагирует из почвы при контролируемых условиях взаимодействия какую-то определенную группу химических соединений.

Радиоизотопные методы применяются для изучения процессов миграции тех или иных элементов и их соединений в почвах и в экосистемах на основе меченых атомов (радиоактивных изотопов).

Часть I

Состав и свойства почв

Глава 1

Морфология и структура почв

1.1. Морфология почв

Почвы обладают внешними, так называемыми морфологическими, признаками, которые отражают внутренние процессы, происходящие в почвах, их генезис (происхождение) и историю развития.

Морфологические признаки – внешние признаки почвы, по которым ее можно отличить от горной породы или одну почву от другой, а также приблизительно судить о направлении и степени выраженности почвообразовательного процесса. Главные морфологические признаки почвы: строение почвенного профиля, мощность почвы и ее отдельных горизонтов, окраска, структура, гранулометрический состав, сложение, новообразования и включения.

Строение почвенного профиля

Общий вид почвы со всеми почвенными горизонтами называется строением почвы. Это результат генезиса почвы, постепенного развития ее из материнской породы, которая дифференцируется на горизонты в процессе почвообразования. Совокупность генетических горизонтов образует генетический профиль почвы.

Почвенный профиль – определенная вертикальная последовательность генетических горизонтов почвы. Почвенный профиль специфичен для каждого типа почвообразования.

Генетические почвенные горизонты – это однородные, обычно параллельные поверхности слои почвы, составляющие почвенный профиль и различающиеся между собой по морфологическим признакам.

Наиболее распространенным в нашей стране является использование следующих символов генетических горизонтов почв.

Горизонт A

– лесная подстилка, или степной войлок. Представляет собой опад растений на различных стадиях разложения – от свежего до полностью разложившегося. Это самая верхняя часть почвенного профиля. Встречается только в естественных почвах.

Горизонт А – гумусовый горизонт. Чаще всего наиболее темно-окрашенный горизонт в верхней части почвенного профиля, в котором происходит накопление органического вещества в форме гумуса, тесно связанного с минеральной частью почвы. Цвет этого горизонта варьируется от черного, бурого, коричневого до светло-серого, что зависит от состава и количества гумуса. Мощность гумусового горизонта колеблется от нескольких сантиметров до 1,5 м и более.

Горизонт Т – торфяный горизонт. Содержание органического вещества – более 70 % со степенью разложения менее 50 %. Поверхностный органогенный горизонт с содержанием органического вещества от 30 до 70 %, состоящий из разложившихся органических остатков (степень разложения – больше 50 %) и гумуса с примесью минеральных компонентов, называют перегнойным горизонтом.

Горизонт А

– дерновый. Горизонт, в котором живых корней растений более 50 %.

Горизонт А

, или А

– пахотный. Горизонт, измененный продолжительной сельскохозяйственной обработкой, сформированный из различных почвенных горизонтов на глубину вспашки – обычно 25–30 см. Встречается только в пахотных почвах.

Горизонт Al – минеральный гумусово-аккумулятивный. Встречается в почвах, где происходит разрушение алюмосиликатов и образование подвижных органо-минеральных веществ. Это верхний темно-окрашенный горизонт, содержащий наибольшее количество органического вещества.

Горизонт А

– элювиальный (подзолистый или осолоделый). Формируется под влиянием кислотного или щелочного разрушения минеральной части. Это сильно осветленный, бесструктурный или слоеватый рыхлый горизонт, обедненный гумусом и другими соединениями, а также илистыми частицами за счет вымывания в нижележащие слои, и относительно обогащенный остаточным кремнеземом.