Верхней границей литосферы, граничащей с атмосферой, является почва - особое образование, сформировавшееся из продуктов жизнедеятельности и разложения организмов, изменения под действием живых организмов, солнечного тепла, ветра и воды, горных пород.
Почву можно изучать с точки зрения геологии как инертный неорганический материал, не подверженный изменениям. И только в 1870 году основоположник учения о почвах В.В. Докучаев (1857-1903) доказал, что почва постоянно изменяется и развивается, в ее активной зоне идут физические, химические и биологические процессы. Образование почвы и развитие растительного покрова и животного мира неразрывны и взаимообусловлены.
Почва - самостоятельное природное тело, образующееся из поверхностных ("дневных") слоев разнообразных горных пород под совместным влиянием воды, воздуха, различных организмов (живых и мертвых). Докучаев выделил пять главных почвообразующих факторов: климат, геологическая основа (материнская горная порода), топография (рельеф местности), биологические факторы (главным образом растительность и микроорганизмы) и время (продолжительность процесса почвообразования).
Основное и специфическое свойство, отличающее почву от горной породы, - плодородие. Почва обеспечивает необходимыми условиями произрастающие на ней растения и обитающих в ней животных. Естественное плодородие
160
почвы определяют природные запасы минеральных и питательных органических веществ и естественный гидротермический режим. Искусственное плодородие почвы определяется внесением удобрений и проведением комплекса агротехнических мероприятий. Эффективное плодородие определяется как совокупность естественного и искусственного, реализуемого при получении урожая. Эффективное плодородие зависит от уровня развития науки и техники.
В состав почвы входят четыре важных компонента: минеральная основа (до 60% общего состава почвы), органическое вещество (до 10%), воздух (до 25%) и вода (до 35%). Кроме того, есть и биотический компонент - организмы, населяющие почву.
Минеральный скелет почвы образовался из материнской породы в результате ее выветривания. В соответствии с международной классификацией, классы почв различаются по размеру частиц (табл. 18.1).
Таблица 18.1
| Глина |
Ил |
Мелкий песок |
Крупный песок |
Гравий |
| 0,002 мм |
0,02 мм |
0,2 мм |
2 мм |
Площадь поверхности одного грамма глинистых минералов достигает 100 м2. Именно на этой поверхности сосредоточены основные запасы питательных веществ.
Идеальная почва должна содержать приблизительно равные количества песка и глины в сочетании с частицами промежуточных размеров. В этом случае образуется пористая структура (суглинок). С хозяйственной точки зрения почвы иногда относят к тяжелым (глины) и легким (пески). Это отражает усилия, необходимые для обработки почвы сельскохозяйственными орудиями.
Органическое вещество почвы образуется в результате жизнедеятельности живых организмов. Частично разложившиеся органические остатки носят название подстилки, конечный продукт разложения получил название гумуса.
161
Рис. 18.1
Факторы почвообразования
Почвенный воздух и почвенная вода находятся в порах между частицами почвы и определяют жизнедеятельность почвенных частей растений и микроорганизмов. Газ и вода в почве - антагонисты. Состав газовой среды почвы сильно отличается от состава атмосферы. Содержание углекислого газа больше на один-два порядка, кислород может почти отсутствовать (до 1%). Из почвы постоянно выделяются двуокись углерода, метан, водород, соединения азота, летучие органические соединения.
Рассмотрим факторы образования почвы (рис. 18.1).
Климат и выветривание. Физическое и химическое разрушение материнской породы под влиянием климата и, в меньшей степени, живых организмов называется выветриванием. Наиболее важные факторы, вызывающие выветривание, - вода и температурные колебания.
Суточные колебания температуры ведут к изменению линейных размеров горных пород и их разрушению. Если в трещинах камней есть вода, то, замерзая, она создает огромные усилия, разрушающие породу. Перемещение ветром, водой, льдом мелких частиц ведет к эрозии незащищенных поверхностей.
Химическое выветривание связано с действием биологических и климатических факторов. Оно обычно ускоряется при повышении температуры. Вода действует как растворитель и реагент в процессе разложения некоторых минералов. Особенно подвержены эрозии породы,
162
слабо растворимые в воде (мел, известняк, состоящие из карбоната кальция). Эффективность воды как растворителя возрастает при растворении в ней двуокиси углерода и образовании слабого раствора угольной кислоты.
Некоторые растения (в частности, лишайники), способные расти на скальных поверхностях, вносят свой вклад в разрушение поверхности.
Температурный режим и осадки являются важнейшими климатическими факторами, приводящими к выветриванию. Если количество выпадающих осадков превышает испарение, в почве может идти процесс выщелачивания и заболачивания. В противном случае происходит иссушение почвы, питательные вещества поднимаются в растворе на поверхность, скудеет растительный покров. Это ведет к уменьшению образования гумуса и падению плодородия почвы.
Материнская порода определяет процессы почвообразования. Из гранитов и базальтов при выветривании формируются силикаты и глины. Осадочные породы приводят к формированию песчаников, мела и известняка. Метаморфические породы наиболее слабо подвержены выветриванию.
Топография. Влияние топографии связано с тем, что на разной высоте, при различной крутизне и экспозиции (ориентации на части света) склонов 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. В случае постоянного переувлажнения там может образовываться торф. Со склонов часть воды стекает, смывая продукты выветривания. Поэтому слой почвы на склонах тоньше. Кроме того, почва медленно сползает вниз под действием силы тяжести. Рельеф местности, влияя на такие климатические факторы, как выпадение осадков и температура, косвенно сказывается и на процессе почвообразования. На солнечных склонах температура выше (1° наклона к югу соответствует перемещению на юг примерно на 100 км). Поэтому они суше, здесь быстрее развивается почва. Наветренные склоны обычно влажнее подветренных.
163
Организмы. Живые организмы участвуют в непосредственном формировании подстилки и гумуса. Микроорганизмы определяют процессы разложения в почве. Живые организмы (черви) улучшают аэрацию почвы, ее структуру, облегчают рост корневой системы растений.
Особо остановимся на деятельности человека. Хрупкое динамическое равновесие зрелой почвы может быть нарушено при использовании ее для сельскохозяйственных нужд. Происходит разрушение структуры почвы, истощение запасов питательных веществ, эрозия. Структура почвы особенно легко разрушается при обработке тяжелыми машинами и выпасе скота. При этом уменьшаются размеры почвенных пор, ухудшается аэрация и дренаж. Распашка почвы может привести к ветровой и водной эрозии. Точно такие же последствия могут быть и при вырубке лесов, особенно это опасно для тропических лесов с очень тонким слоем почвы. Например, в некоторых районах бассейна Амазонки началась массовая эрозия почв, сопровождающаяся заилением рек.
Глобальные функции почвенного покрова (педосферы). Формирование почвенного покрова Земли связано с существенным изменением поверхностных слоев, гидросферы и атмосферы. Поэтому можно говорить о глобальных функциях почвенного покрова.
Преобразовательная функция почвы проявляется в образовании органических кислот, взаимодействие которых с материнскими породами литосферы ведет к быстрому разрушению последних. Эта функция распространяется и на атмосферу. Разные почвы по-разному отражают и поглощают солнечное излучение. Бурые суглинки отражают не более 20%, свежераспаханные черноземы - до 7%, солончаки - до 35% солнечной радиации.
Вещество Земли находится в постоянном круговороте. Можно выделить два основных типа таких круговоротов - геологический и биологический, различающиеся темпами протекающих процессов. На фоне медленных, протекающих сотни миллионов лет, геологических преобразований выделяются быстрые биологические процессы. При этом почва является связующим звеном между ними.
164
Поставляющая функция педосферы связана с преобразованием материнских пород, формированием осадочных пород в морях и океанах. От почвы зависит, какая часть атмосферных осадков поступит в реки. Чем более структурирована почва, тем меньше поверхностный сток.
Поступление твердого вещества и микроорганизмов в атмосферу связано с ветровой эрозией. Попадающие в атмосферу почвенные частицы поглощают солнечную радиацию, ухудшают качество воздуха. Источником большей части бактерий, присутствующих в атмосфере, служит почва. Восходящие потоки воздуха могут поднимать микроорганизмы до озонового пояса и переносить частицы на тысячи километров. В приземных слоях воздуха отмечено около 1200 видов бактерий, 40 000 видов спор грибов, 100 000 видов пыльцы цветковых растений.
О силе проявления почвенной функции как аккумулятора и источника вещества и энергии для организмов суши можно судить по затратам энергии на процесс почвообразования и накопления ее в растительном веществе. В таблице 18.2 приведена эффективность преобразования энергии (коэффициент полезного действия), рассчитанная как отношение затраченной и аккумулированной энергии. Видно, что наибольшая эффективность преобразования энергии наблюдается в зоне влажных тропиков и субтропиков.
Таблица 18.2
Затраты энергии на почвообразование и энергия, накопленная в растительном веществе
| Природная зона |
Затраты энергии |
Накопленная энергия |
Коэффициент полезного действия, % |
| (кДж/см3 в год) |
| Тундры и пустыни |
200-1150 |
1-14 |
0,5-1,2 |
| Черноземные степи |
3500-7500 |
35-90 |
1-1,2 |
| Влажные субтропики |
10 000-14 000 |
150-400 |
1,5-3 |
| Влажные тропики |
14 000-18 000 |
400-900 |
3-5 |
165
Основной источник вещества и энергии для организмов суши - гумус. Его количество в педосфере оценивается в 2500 миллиарда тонн. Освоение почвенного покрова человеком и усиление эрозии (12 мая 1934 года США во время урагана за один день потеряли около 300 000 000 т почвы с площади более 4 000 000 га) приводят к сокращению запасов гумуса. За последнее столетие потери составляют 400 миллиардов тонн (около 3000 т с 1 км2 поверхности Земли, включая океаны и полюса).
Передающая функция почвы состоит в том, что почва, являясь границей между литосферой и атмосферой, участвует в передаче вещества и энергии между ними. В процессе почвообразования происходит поглощение газов, перевод их в нерастворимые соединения и формирование осадочных пород. Почвенный покров, связывая газы, ограничивает уход в космос водорода, азота, кислорода. Перевод азота в литосферу осуществляется некоторыми бактериями.
Защитная функция педосферы. До 25 миллиардов тонн поверхностного слоя в год, в том числе из-за деятельности человека около 10 миллиардов тонн, переносится ветром и водой в океан. Почва и растительный покров замедляют этот процесс. Огромная поверхность частиц почвы в состоянии связывать многие вредные соединения при их миграции в водоемы. Сорбционная способность почв огромна. Для ряда химических элементов (рубидия, цезия и др.) это фактически единственный механизм природной концентрации. Однако интенсивные выбросы промышленных предприятий приводят к отравлению почв и формированию огромных территорий промышленного загрязнения.
Целостный почвенный покров в физическом и химическом планах выступает как защитный барьер и условие нормального функционирования всех оболочек Земли.
Регулирующая функция педосферы определяется, как и предыдущие, особым ее положением как границы между литосферой и атмосферой. В структуре глобального круговорота Земли особое место занимают процессы локального испарения с поверхности почвы. На европейской части России осадки, выпадающие за счет местного испарения,
166
составляют до 12%. Почва способствует росту общего количества водяного пара, поступающего в атмосферу, и выравнивает процесс обеспечения влагой конкретных территорий.
Прямое участие почвы в регулировании газового состава атмосферы связано с деятельностью почвенных микроорганизмов. Потребление кислорода одним гектаром почвы достигает 4000 литров в час. Примерно столько же выделяется углекислого газа. Влажность почвы значительно влияет на газообмен.
Почва является ресурсом, необходимым для производства продуктов питания. Исследования показали, что на земном шаре имеется самое большее 3,2 миллиарда гектаров, потенциально пригодных для ведения сельского хозяйства. На сегодняшний день примерно половина, причем самая богатая и доступная, уже возделывается. Для подготовки оставшихся земель к производству продуктов питания требуются огромные капитальные затраты. По оценкам, стоимость освоения гектара новых земель колеблется от 200 до 6000 долларов США.
- Что такое почва? Почему почва занимает особое место в оболочках Земли?
- Какие почвообразующие факторы выделил В. В. Докучаев?
- Какова роль живых организмов в формировании почвы?
- Перечислите глобальные функции почвенного покрова.
- Почему во влажных субтропиках наблюдается наиболее интенсивное преобразование энергии Солнца? Как это связано с мощностью почвенного покрова?
167
