Методы исследования в почвоведении

Как всякая сложная система, почва обладает источниками информации, такими как вещественный состав, материальные свойства, закономерности распределения почв на поверхности земли, история развития, почвообразовательные процессы, обмен веществом и энергией с другими природными телами, плодородие почв и др. Для получения такой информации почвоведение использует методы других естественных наук: химии, физики, биологии, биохимии, геохимии, геологии, гидрологии и ряда других. В то же время почвоведение, как самостоятельная наука, имеет свои методы и приемы исследований.

Сравнительно-географический метод. Сущность метода заключается в выявлении коррелятивных связей между строением, составом и свойствами почв, с одной стороны, и факторами почвообразования — с другой. Установление таких связей позволило В.В.Докучаеву разработать теоретические основы современного почвоведения и установить целый ряд общих закономерностей ге­незиса и географии почв, в частности, учение о факторах почво­образования, о зональности и вертикальной поясности и др. В.В.Докучаев назвал почву "зеркалом" ландшафта, в ней отраже­ны особенности взаимодействия факторов почвообразования в каждом отдельном месте. Открытие закономерных связей между типом почвы и биоклиматическими условиями позволило В.В.Докучаеву в конце XIX века составить первую почвенную карту северного полушария дедуктивным методом.

Разновидности сравнительно-географического метода — сравнительно-геоморфологический и сравнительно-литологический, основанные на установлении связей между почвенными разностями, рельефом местности и почвообразующими породами, широко используются в настоящее время при крупномасштабном картографировании почв. Однако некоторые свойства почв обусловлены не действием современных факторов почвообразования, а остались от прошлых эпох, когда факторы почвообразования отличались от существующих. Такие свойства почв называют реликтовыми.

Сравнительно-исторический метод. В основу метода положен принцип актуализма, который позволяет исследовать реликтовые свойства почв на основе изучения современных процессов почвообразования и их связи с современными факторами почвообразования.

Профильный метод. Сущность метода заключается в изучении системы генетических горизонтов, включая почвообразующую породу, которые являются следствием почвообразовательного процесса, агрогенного воздействия или же связаны с неоднородностью (слоистостью) почвообразующей породы.

Разновидностью профильного метода является сравнительно-аналитический метод(по А.А. Роде). Сущность его заключается в сравнении вещественного состава и свойств твердой фазы каждого из почвенных гори­зонтов, с одной стороны, и материнской породы — с другой. Изменения в почвенном профиле, найденные таким сравнением, служат основой для суждения о природе процессов почвообразования и причинах вертикальной анизотропности почвы: выносе и накоплении веществ, образовании и разрушении химических соединений в отдельных генетических горизонтах. Как правило, эти изменения протекают с малыми скоростями и накапливаются в течение длительного времени (сотни и тысячи лет). Непосредственное наблюдение за ходом этих изменений неосуществимо. При использовании сравнительно-аналитического метода принимаются три допущения: 1.Исходная материнская порода, из которой образовалась изучаемая почва, не была слоистой; 2.Слой почвы, принимаемый исследователями за почвооразующую породу, существенно не изменился за период существования почвы; 3.Процесс почвообразования на протяжении всего времени существования почвы шел в одном направлении. Такие допущения определяют некоторую условность результатов применения метода, тем не менее этот метод в сочетании с другими позволил объяснить, с разной степенью достоверности, причины вертикальной анизотропности многих типов почв.

Профильный метод предусматривает использование наиболее распространенных приемов, методов и анализов, характеризующих твердую фазу почвы. При этом изучаются в каждом генетическом горизонте: морфология, микроморфология, физические свойства, гранулометрический состав, агрегатный и микроагрегатный состав, валовой химический состав, формы химических соединений, физико-химические свойства, состав и свойства органического вещества, минералогический состав и др.

Стационарный метод, или метод почвенно-режимных наблюдений. Этот метод применяют для изучения почвенных режимов: водного, теплового, солевого, газового, реакции среды, окислительно-восстановительных условий, биологической активности и др. Он лежит в основе биосферного мониторинга. Под почвенным режимом какого-либо соединения понимается динамика его содержания и качественного состава, связанная с процессами его образования, передвижения, распада, поступления в почву и выноса из почвы. Критерием возможности полного изучения режима какого-либо соединения является возможность определения полного его баланса за определенное время. Режимы соединений в почвах имеют разную степень изученности. Многие из них играют большую роль в плодородии и являются предметом изучения аг­рономического почвоведения.

Стационарный метод включает большое разнообразие способов и приемов исследований, специфических методов почвоведения более низкого порядка и методов смежных наук. Широкое распространение получили методы почвенных лизиметров и стоковых площадок, с помощью которых изучают состав почвенных растворов, внутрипочвенный и поверхностный сток, который собирают с определенного объема или площади за определенное время.

Метод моделирования. Экспериментально воспроизводят различные явления и совершающиеся или гипотетические процессы в обстановке контролируемого эксперимента в полевых или лабораторных условиях. Моделирование может производиться как на естественных, так и на искусственных объектах. В последние годы все большее распространение получают математическое и физико-химическое моделирование с использованием компьютерной техники.

Картографический метод. Применяется для изображения на картах почвенного покрова определенных территорий. Он использует методы картографии и топографии, специфические методы почвоведения, такие как сравнительно-географический, метод почвенных ключей, а также аэрокосмические методы с использованием аэро- и космических снимков.

В агропочвоведении широко используются методы агрохимии и земледелия, такие как исследования в полевых, микрополевых, вегетационно-полевых и вегетационных опытах. Метод вегетационных сосудов – оценка свойств почвы в отношении растений и их потребностей.

Контрольные вопросы

1.Каковы функции почвы в биосфере?

2.Перечислить основные этапы развития почвоведения.

3.В чем состоит вклад В.В.Докучаева в развитие взглядов на почву?

4 Почему докучаевское почвоведение называется генетическим?

5.Назвать выдающихся представителей русской национальной научной школы почвоведения.

Литература

1. Добровольский В.В. География почв с основами почвоведения.- М., 2007. -320 с.

2.Геннадиев А.Н., Глазовская М.А. География почв с основами почвоведения.- М., 2007.- 400 с.

3. Серебряков А.К. География почв с основами почвоведения: Курс лекций. Ч.1.- Ставрополь: Изд-во СГУ, 1997, 108 с.

4. Белобров В.П. География почв с основами почвоведения.- М., 2007, 280 с.

ФАКТОРЫ ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ

Изучение почвы в отрыве от изучения факторов почвообразования может привести к неправильным выводам. Поэтому, целесообразно в самом начале сосредоточиться на тех сведениях, которые характеризуют основные компоненты географической среды, оказывающие воздействие на процесс почвообразования.

Основы учения о факторах почвообразования заложены В.В. Докучаевым, который установил, что почва, как особое природное тело формируется в результате тесного взаимодействия факторов почвообразования: климата, живых организмов, почвообразующих пород, рельефа местности и возраста страны (времени почвообразования. В качестве факторов почвообразования также рассматриваются производственная деятельность человека и подземные воды.

Почвообразующие породы

Почвообразующие (или материнские) породы – это горные породы, которые выходят на земную поверхность и в толще которых развивается почва. Почвообразующие породы являются исключительно важным фактором почвообразования. С влиянием именно этого фактора в значительной мере связано многообразия почв.

Их роль в процессе почвообразования:

· от состава пород зависит минералогический и химический состав почв;

· плотность или рыхлость пород определяют характер сложения почв;

· с породами связана мощность почвы, особенности её строения по вертикали и горизонтали;

· физические (водные, воздушные, тепловые), химические и физико-химические свойства почв зависят от материнских пород.

Таким образом, почвообразующая порода является материальной основой почвы. Минералогический, химический и механический состав пород определяет условия прорастания растений, оказывает большое влияние на гумусонакопление, оподзоливание, оглеение, засоление и другие процессы. Так, карбонатность пород в таёжно-лесной зоне создаёт благоприятную реакцию среды, способствует формированию гумусового горизонта, его оструктуренности. На кислых породах эти процессы идут значительно медленнее. Повышенное содержание в материнской породе водорастворимых солей приводит к засолению почв. Сильнокаменистые породы осложняют сельскохозяйственное использование почв.

Эти примеры свидетельствуют о том, что от материнских пород зависят также:

· скорость и направленность почвообразовательного процесса;

· формирование и уровень почвенного плодородия и сельскохозяйственного использования почв.

Формирование почвообразующих пород связано с процессами выветривания горных пород. Выветривание – процессы преобразования и изменения горных пород на поверхности Земли. Процессы выветривания (или гипергенеза) распространяются на некоторую глубину, образуя зону гипергенеза. В зоне гипергенеза в верхней части выделяют почву, под которой располагается кора выветривания, включающая в себя продукты выветривания горных пород. Кора выветривания – это горизонты горных пород, где протекают процессы выветривания. В ней различают две зоны: новейшую и древнюю (глубинную) коры выветривания.

Выветривание включает в себя физические, химические и биологические процессы.

Физические процессы выветривания – это механическое раздробление горных пород и минералов без изменения их химического состава. Оно осуществляется под влиянием ветра, воды, суточных и сезонных колебаний температуры.

Химические процессы выветривания – изменения и разрушения горных пород и минералов под влиянием химических процессов с образованием новых минералов и соединений. Главнейшими факторами химического выветривания являются вода, CO₂, O₂, температура.

Биологические процессы выветривания – процессы механического разрушения и химического изменения горных пород и минералов под действием растительных и животных организмов и продуктов их жизнедеятельности. Все перечисленные процессы действуют на горные породы совместно и одновременно, в результате выветривания проходит глубокое изменение элементного и минерального состава горных пород.

Обычно выделяют три группы горных пород по происхождению:

1)Магматические (или массивнокристаллические, изверженные) породы составляют 95% общей массы пород, слагающих литосферу, однако почвообразующими они являются лишь в редких случаях, главным образом в горных областях (граниты, базальты, диориты, габбро). Почвы, развивающие на магматических породах, оказываются более каменистыми, в них долгое время остаётся много первичных устойчивых минералов (например, кварца).

2)Метаморфические (вторичные массивнокристаллические) - породы, образовавшиеся из магматических пород в результате глубокого изменения (меторморфизма) в недрах Земли под влиянием температуры, давления (это сланцы, гнейсы). Их значение в почвообразовании также мало.

3)Осадочные породы – это отложения продуктов выветривания массивно-кристаллических пород или остатков различных организмов. Они подразделяются на плотные осадочные и рыхлые осадочные. Плотные осадочные – это древние осадочные породы, образованные в дочетвертичный период, они утратили рыхлость, пористость и являются сцементированными (известняки, мергели, доломиты).

Рыхлые осадочные породы сформировались в четвертичный (плейстоценовый) период в результате выветривания коренных пород и переотложения продуктов их разрушения водой, ветром, льдом. Четвертичные (или плейстоценовые) отложения являются наиболее распространёнными и главнейшими почвообразующими породами (до 90 %) на Земле. Они исключительно благоприятны для почвообразования: имеют рыхлое сложение, пористость, водопроницаемость, хорошую водоудерживающую и поглотительную способность.

Выделяются основные генетические типы четвертичных отложений:

· Элювий – продукты выветривания коренных пород, оставшиеся на месте образования;

· Делювий (делювиальные породы) – наносы, отложенные на склонах дождевыми и талыми водами;

· Пролювий – формируется в горных странах у подножия гор в результате деятельности временных водных и селевых потоков (конуса выноса).

· Аллювий (аллювиальные отложения) – отложения постоячннных водных потоков (рек, крупных ручьев);

· Ледниковые (или моренные отложения) – продукты выветривания различных пород, перемещенные и отложенные ледником;

· Флювиогляциальные (водно-ледниковые отложения) – связаны с деятельностью мощных ледниковых потоков, вытекающих из-под ледника;

· Покровные суглинки – распространены в зоне ледниковых отложений и рассматриваются как отложения мелководных приледниковых разливов талых вод;

· Лёссы и лёссовидные суглинки – имеют различный генезис, это отложения полевой окраски, карбонатные, пылевато-суглинистого состава, пористые;

· Эоловые отложения – формируются в результате аккумулятивной деятельности ветра;

· Озёрные отложения (ленточные глины)- отложения, образовавшиеся в приледниковых озерах;

· Морские отложения – формируются в ходе наступления и отступления морей.

Биологические факторы почвообразования

Без существования живых организмов не было бы почвы. Почвообразование на Земле началось только после появления жизни. Именно благодаря воздействию процессов жизни на продукты выветривания происходит возникновение почвы.

В почвообразовании участвуют 3 группы организмов: зелёные растения, микроорганизмы и животные. При совместном воздействии организмов, а так же за счёт продуктов жизнедеятельности происходят следующие процессы:

· синтез и разрушение органического вещества;

· избирательная концентрация биологически важных элементов;

· биологический круговорот химических элементов в системе «почва - растения»;

· разрушение и новообразование минералов;

· миграция и аккумуляция веществ;

· изменение химических и физических свойств почвы.

Основную часть живого вещества суши составляют высшие растения, среды которых древесная растительность имеет массу сухого органического вещества 10¹¹ – 10¹² тонн, масса травянистой растительности примерно в 10 раз меньше.

Растения являются главным источником органических веществ, поступающих в почвы. Образование органического вещества в основном связано с фотосинтезом. Растительная масса после отмирания в виде надземных и подземных остатков попадает в почвенную толщу, где подвергается разложению. Часть растительного опада минерализуется, т.е. превращается в простые соединения (СО_2, Н₂О, NH₃ и др.). Другая часть опада гумифицируется и при этом образуются органические соединения специфической природы – гумусовые вещества.

Растения выступают концентратами зональных элементов и азота, при жизни выделяют в почву органические и минеральные компоненты (СО₂, органической кислоты), тем самым создают биологический круговорот зольных веществ. Кроме того, растения участвуют в формировании микроклимата, затеняют поверхность почвы, ослабляют силу ветра, препятствуют эрозии и дефляции почв, регулируют сток.

Весьма многообразны почвообразовательные функции микроорганизмов. Их количество колеблется в широких пределах – от миллионов до миллиардов в 1 грамме почвы. В почве развиваются самые различные микроорганизмы: бактерии, грибы, актиномицеты (лучистые грибы), водоросли. Больше всего в почве бактерий.

Одна из главнейших функций микроорганизмов в почвообразовании - это разложение растительных и животных остатков (процессы окисления, восстановления железа, марганца, нитрификации, сульфуризации и т.д.). Под воздействием микроорганизмов протекает синтез вторичных минералов, гидроксидов железа, марганца в микробных колониях, например, у железобактерий, и распад минералов в почве. Клубеньковые бактерии участвуют в фиксации атмосферного азота.

Животные, населяющие почву, ускоряют разложение органических остатков - разрушают и изменяют растительную массу и остатки животного вещества. При прохождении через кишечный тракт животных (например, дождевых червей) почвенная масса подвергается обработке ферментами, ускоряющими гидролиз и окисление, в ней ускоряются органно-минеральные взаимодействия, она обогащается продуктами животного метаболизма, приобретает оструктуренность. Крупные и мелкие землерои механически перемешивает и разрыхляют почву.

Таким образом, животные и растительные организмы являются особыми компонентами почвы. Их значение определяется не массой (которая несравнимо меньше минеральной части почвы), а той огромной геохимической работой, которую выполняют бесконечные поколения организмов.

Климат как фактор почвообразования

Климат – многолетний режим погоды, наблюдающейся в определённой местности. Это среднее состояние атмосферы той или иной территории, характеризуемое средними показателями метеорологических элементов (t, осадки, влажность воздуха) и их крайними показателями, дающими представление об амплитуде колебаний в течении суток, сезонов и года.

Климат зависит от географических условий – географической широты, высоты над уровнем моря, формы рельефа. Тесная связь между климатом и типами почв давно обратила на себя внимание исследователей. Наблюдая закономерную смену почв, сопровождающуюся изменением основных элементов климата, отдельные учёные даже преувеличивали значение климатических условий для почвообразования. Однако, признавая важность климата, нельзя отрицать значение и других факторов для почвообразования. Известно, что В.В. Докучаев резко возражал против неправильного истолкования своих взглядов как климатической теории. В той же время глубоко неверна и недооценка роли климата для почвообразования.

С климатом связано обеспечение почвы теплотой и влагой. Прямое влияние климата проявляется в непосредственном воздействии элементов климата (увлажнение почвы осадками, её промачивание, нагревание, охлаждение). Климатические условия определяют основную закономерность географии почв - горизонтальную зональность почв. Главный источник энергии для биологических и почвенных процессов – солнечная радиация, а основной источник увлажнения – атмосферные осадки. Между почвой и атмосферой устанавливается постоянный тепло– и влагообмен. Основой для выделения главных термических групп климатов является сумма среднесуточных температур выше 10⁰ С за вегетативный период.

Таблица 1

Главные термические группы климатов

группа климатов	сумма t воздуха больше 100С
холодные (полярные)	менее 600
холодно - умеренные (бореальные)	600-2000
тепло-умеренные (суббореальные)	2000-3800
тёплые (субтропические)	3800-8000
жаркие (тропические)	более 8000

Климаты названных термических групп располагаются в виде широтных поясов – почвенно-термических поясов, которые характеризуются не только суммой среднесуточных температур, но и определёнными типами растительности и почв.

По условиям увлажнения осадками при почвенных исследованиях различают шесть главных групп климатов (табл.2).

Климат – важный фактор развития биологических и биохимических процессов в почве. Определённое сочетание температуры и увлажнения обуславливает тип растительности, темпы создания и разрушения органического вещества, состав и интенсивность деятельности почвенной микрофлоры и фауны. Климат оказывает огромное влияние на вводно-воздушный, температурный и окислительно–восстановительный режим почв.

Таблица 2

Группы климатов по условиям увлажнения

группа климата	коэффициент увлажнения, КУ
очень влажные (экстрагумидные)	более 1,33
влажные (гумидные)	1,33 – 1,0
полувлажные (семигумидные)	1,0-0,55
полусухие (семиаридные)	0,55-0,33
сухие (аридные)	0,33-0,12
очень сухие (экстрааридные)	менее 0,12

С климатическими условиями тесно связаны процессы превращения минеральных веществ в почве (темпы выветривания, накопления продуктов выветривания). Климат влияет на ветровую и водную эрозию почв.

Влияние климата на почвообразование очень сильное и проявляется оно как непосредственно, так и косвенно (через распределение высших растений, микробиологическую деятельность, скорость химических реакций).

Рельеф как фактор почвообразования

· Изучению рельефа земной поверхности как фактора почвообразования посвящены работы многих почвоведов: В.В. Докучаева, Н.М. Сибирцева, Г.Н. Высоцкого, С.А. Захарова, Б.Б. Полынова и др.

Значение рельефа в формировании почв и развитии почвенного покрова велико и разнообразно. Влияние форм макрорельефа проявляется преимущественно в регулировании распределения атмосферной влаги, переносимой крупными воздушными массами и в изменении гидротермических условий в зависимости от абсолютной высоты. На пространствах равнин и обширных плато проявляется горизонтальная зональность почв (идет формирование субширотных почвенных зон). В горах возникает вертикальная зональность климата, растительности и почв вследствие понижения температуры воздуха с высотой и изменения в увлажнении.

Влияние форм мезо – и микрорельефа на почвообразование проявляется в перераспределении солнечной энергии (тепла) и выпавших атмосферных осадков. Перераспределение тепла и влаги на поверхности зависит от крутизны склонов, экспозиции склона. Поверхности разного наклона и экспозиции получают неодинаковое количество солнечной радиации, что отражается на условиях температурного и водного режима. Различия и увлажнении вызывают изменение питательного, окислительно-восстановительного и солевого режимов почв. Всё это приводит к развитию различной растительности и в образованию разных почв в различных условиях рельефа.

В настоящее время по положению в рельефе и по определённому им перераспределению осадков выделяют следующие группы почв (или ряды увлажнения):

Автоморфные почвы – формируются на равных поверхностях и склонах в условиях свободного стока поверхностных вод при глубоком залегании грунтовых вод (глубже 6 м)

Полугидроморфные – формируются при кратковременном застое поверхностных вод или при залегании грунтовых вод на глубине 3-6 м (капиллярная кайма может достигать корней растений).

Гидроморфные – формируются в условиях длительного поверхностного застоя вод или при залегании грунтовых вод на глубине менее 3 м (капиллярная кайма может достигать поверхности почвы).

Рельеф влияет на развитие эрозионных процессов на склонах – водной, на равнинах – ветровой. Рельеф принимает прямоё участие в почвообразовании: - перемещение почвенных и грунтовых масс силой тяжести, при помощи текучей воды в более низкие элементы рельефа. Поэтому почвы склонов имеют меньше мощность, и они более бедны гумусом, чем почвы низин и ровных поверхностей.

Таким образом, делая вывод, надо сказать, что значение рельефа как фактора почвообразования весьма своеобразно. Рельеф района в значительной мере определяет конкретное проявление воздействия других факторов при почвообразовании.

Возраст почв

Фактор времени («возраст страны» по В.В. Докучаеву) имеет огромное значение в формировании и развитии почв. Под возрастом почвы – это продолжительность процесса почвообразования. Различают абсолютный возраст почв – время, прошедшее с начала формирования почвы до настоящего времени (тысячи, десятки тысяч лет, миллионы).

Относительный возраст почв – это скорость почвообразовательного процесса, быстрота смены одной стадии развития почвы другой. Поверхность суши юга освободилась ото льдов раньше, чем севера (возраст южных больше). Есть молодые (скалистые породы, тундра), средние и старые почвы.