Введение

Образование почвы, также известное как педогенез, – это процесс генезиса почвы, регулируемый влиянием местоположения, окружающей среды и истории. Биогеохимические процессы действуют как для создания, так и для разрушения упорядоченности (анизотропии) в почвах. Эти изменения приводят к формированию слоев, называемых почвенными горизонтами, которые различаются по цвету, структуре, текстуре и химическому составу. Эти характеристики проявляются в закономерностях распределения типов почв, формирующихся в зависимости от различий в почвообразующих факторах. Педогенез изучается как раздел педологии – науки о почве в ее естественной среде. Другими направлениями педологии являются изучение морфологии почвы и классификация почв. Изучение педогенеза важно для понимания закономерностей распределения почв в современных (география почв) и прошлых (палеопедология) геологических периодах.

Обзор

Почва развивается в результате ряда изменений. Начальной точкой является выветривание свеженакопленного материнского материала. Разнообразные почвенные микробы (бактерии, археи, грибы) питаются простыми соединениями (питательными веществами), высвобождаемыми в процессе выветривания, и производят органические кислоты и специализированные белки, которые, в свою очередь, способствуют дальнейшему выветриванию минералов. Они также оставляют органические остатки, которые участвуют в образовании гумуса. Корни растений, совместно с симбиотическими микоризными грибами, также способны извлекать питательные вещества из горных пород. Глубина новых почв увеличивается благодаря сочетанию выветривания и дальнейшего отложения материала. Скорость образования почвы в результате выветривания составляет приблизительно 1/10 мм в год. Новые почвы также могут углубляться за счет отложения пыли. Постепенно почва становится способной поддерживать более развитые формы растений и животных, начиная с пионерных видов и продвигаясь по экологической сукцессии к более сложным растительным и животным сообществам. Верхние слои почвы углубляются с накоплением гумуса, образующегося из мертвых остатков высших растений и почвенных микробов. Углубление также происходит за счет перемешивания органического вещества с выветренными минералами. По мере созревания почвы формируются почвенные горизонты, поскольку накапливается органическое вещество и происходят выветривание минералов и выщелачивание.

Факторы

На формирование почвы влияют как минимум пять классических факторов, тесно связанных между собой в процессе эволюции почвы. Это: материнская порода, климат, рельеф, живые организмы и время. При перечислении в порядке: климат, живые организмы, рельеф, материнская порода и время, они образуют акроним CLORPT.

Метеорологические изменения

Выветривание материнского материала проявляется в виде физического (распада), химического (разложения) и химической трансформации. Выветривание обычно ограничено верхними несколькими метрами геологического материала, поскольку физические, химические и биологические напряжения и колебания обычно уменьшаются с глубиной. Физический распад начинается, когда породы, сформировавшиеся глубоко в земной коре, подвергаются воздействию более низкого давления у поверхности, набухают и становятся механически неустойчивыми. Химическое разложение зависит от растворимости минералов, скорость которой удваивается при каждом повышении температуры на 10 °C, но сильно зависит от воды для осуществления химических изменений. Породы, которые разлагаются за несколько лет в тропическом климате, могут оставаться неизменными на протяжении тысячелетий в пустынях. Структурные изменения являются результатом гидратации, окисления и восстановления. Химическое выветривание в основном происходит из-за выделения органических кислот и хелатирующих соединений бактериями и грибами, количество которых, как считается, увеличивается в условиях парникового эффекта. Физический распад – это первый этап трансформации материнского материала в почву. Температурные колебания вызывают расширение и сжатие породы, раскалывая ее по линиям слабости. Вода может проникать в трещины и замерзать, вызывая физическое расколотие материала в направлении к центру породы, а температурные градиенты внутри породы могут приводить к шелушению "оболочек". Циклы увлажнения и высыхания приводят к измельчению частиц почвы, а также к физическому истиранию материала при его перемещении ветром, водой и силой тяжести. Организмы могут уменьшать размер материнского материала и создавать трещины и поры за счет механического воздействия корней растений и рыхления почвы животными. Химическое разложение и структурные изменения происходят, когда минералы становятся растворимыми в воде или изменяют свою структуру. Первые три из следующего списка – это изменения растворимости, а последние три – структурные изменения. Растворение солей в воде происходит в результате воздействия биполярных молекул воды на ионные солевые соединения, образуя раствор ионов и воды, удаляя эти минералы и снижая прочность породы, со скоростью, зависящей от потока воды и пористости. Гидролиз – это превращение минералов в полярные молекулы путем расщепления интерстициальной воды, в результате чего образуются растворимые пары кислот и оснований. Например, гидролиз ортоклазового полевого шпата превращает его в кислую силикатную глину и щелочной гидроксид калия, оба из которых более растворимы. При карбонизации растворение углекислого газа в воде образует угольную кислоту, которая превращает кальцит в более растворимый бикарбонат кальция. Гидратация – это включение воды в минеральную структуру, вызывающее ее набухание и создание напряжения, что делает ее легко разрушаемой. Окисление минерального соединения – это включение кислорода в минерал, что приводит к увеличению его степени окисления и набуханию из-за относительно большого размера кислорода, создавая напряжение и облегчая его атаку водой (гидролиз) или угольной кислотой (карбонизация). Восстановление, противоположное окислению, означает удаление кислорода, следовательно, степень окисления некоторой части минерала уменьшается, что происходит при недостатке кислорода. Восстановление минералов делает их электрически нестабильными, более растворимыми, внутренне напряженными и легко разрушаемыми. Оно в основном происходит в переувлажненных условиях. Из вышеперечисленных процессов наиболее эффективными являются гидролиз и карбонизация, особенно в регионах с высоким уровнем осадков, температуры и физической эрозии. Химическое выветривание становится более эффективным по мере увеличения площади поверхности породы, поэтому оно благоприятствует физическому распаду. Это проявляется в широтных и высотных климатических градиентах в формировании реголита. Сапролит – это особый пример остаточной почвы, образованной в результате трансформации гранита, метаморфических и других типов коренных пород в глинистые минералы. Сапролит, часто называемый выветренным гранитом, является результатом процессов выветривания, включающих: гидролиз, хелатирование органическими соединениями, гидратацию и физические процессы, такие как замерзание и оттаивание. Минералогический и химический состав исходного материала коренных пород, его физические характеристики (включая размер зерна и степень консолидации), а также скорость и тип выветривания трансформируют материнский материал в другой минерал. Текстура, pH и минеральный состав сапролита наследуются от его материнского материала. Этот процесс также называется аренизацией, приводящей к образованию песчаных почв благодаря гораздо большей устойчивости кварца по сравнению с другими минеральными компонентами гранита (например, слюдой, амфиболом, полевым шпатом).

Топография

Топография, или рельеф, характеризуется уклоном (склоном), высотой и экспозицией (ориентацией) местности. Топография определяет интенсивность осадков или стока, а также скорость образования или эрозии почвенного профиля. Топографические условия могут ускорять или замедлять воздействие климатических факторов. Крутые склоны способствуют быстрой потере почвы эрозией и уменьшают количество осадков, проникающих в почву до начала стока, что приводит к ограниченному накоплению минералов в нижних горизонтах (иллювиация). В полузасушливых регионах меньшее количество эффективных осадков на крутых склонах также приводит к менее полному растительному покрову, и, следовательно, к меньшему вкладу растений в почвообразование. По этим причинам крутые склоны препятствуют тому, чтобы образование почвы опережало ее разрушение. Поэтому почвы на крутых участках, как правило, имеют неглубокие, слаборазвитые профили по сравнению с почвами на близлежащих, более ровных участках. Топография определяет воздействие погодных условий, пожаров и других факторов, обусловленных деятельностью человека и природы. Накопление минералов, питательные вещества для растений, тип растительности, ее рост, эрозия и дренаж зависят от топографического рельефа. Почвы у подножия холма получают больше воды, чем почвы на склонах, а почвы на склонах, обращенных к солнцу, более сухие, чем почвы на склонах, не освещенных солнцем. В понижениях и впадинах, где концентрируется сток воды, реголит обычно глубже выветрен, а развитие почвенного профиля более выражено. Однако в самых низких частях ландшафта вода может насыщать реголит до такой степени, что дренаж и аэрация затруднены. Здесь замедляется выветривание некоторых минералов и разложение органического вещества, в то время как потеря железа и марганца ускоряется. В такой низменной топографии могут формироваться специфические особенности профиля, характерные для почв водно-болотных угодий. В впадинах накапливаются вода, минералы и органическое вещество, а в экстремальных случаях образуются засоленные болота или торфяники. Повторяющиеся топографические закономерности приводят к топопоследовательностям или почвенным катенам. Эти закономерности возникают из-за топографических различий в эрозии, аккумуляции, плодородии, влажности почвы, растительном покрове, почвенной биологии, истории пожаров и воздействии стихий. Гравитация переносит воду вниз по склону вместе с минеральными и органическими растворенными веществами и коллоидами, увеличивая содержание частиц и оснований у подножия холмов и гор. Однако многие другие факторы, такие как дренаж и эрозия, взаимодействуют с положением на склоне, смягчая его ожидаемое влияние на урожайность.

Организмы

Каждая почва обладает уникальной комбинацией микроорганизмов, растений, животных и антропогенного влияния, воздействующих на нее. Микроорганизмы оказывают особенно значительное влияние на минеральные преобразования, критически важные для процесса почвообразования. Кроме того, некоторые бактерии способны фиксировать атмосферный азот, а некоторые грибы эффективно извлекают фосфор из глубоких слоев почвы и повышают содержание углерода в почве в форме гломалина. Растения защищают почву от эрозии, а накапливающийся растительный материал формирует гумус. Эксудация корней растений поддерживает микробную активность. Животные участвуют в разложении растительных остатков и перемешивании почвы посредством биотурбации. Почва является наиболее видобогатой экосистемой на Земле, однако подавляющее большинство организмов в почве – это микробы, многие из которых еще не описаны. Численность клеток может достигать около одного миллиарда на грамм почвы, однако оценки видового разнообразия сильно варьируются – от 50 000 до более миллиона видов на грамм почвы. Количество организмов и видов может значительно меняться в зависимости от типа почвы, местоположения и глубины. Корни растений проникают в почвенные горизонты и при разложении образуют каналы. Растения с глубокими стержневыми корнями могут проникать на несколько метров вглубь различных слоев почвы, поднимая питательные вещества из более глубоких горизонтов. У растений есть тонкие корни, выделяющие органические соединения (сахара, органические кислоты, слизь), сбрасывающие клетки (особенно на кончиках) и легко разлагающиеся, добавляя органическое вещество в почву – процесс, называемый ризодепозицией. Микроорганизмы, включая грибы и бактерии, обеспечивают химический обмен между корнями и почвой и служат резервом питательных веществ в биологической горячей точке почвы – ризосфере. Рост корней в почве стимулирует популяции микроорганизмов, что, в свою очередь, активизирует их хищников (в частности, амеб), увеличивая тем самым скорость минерализации и, в конечном итоге, рост корней – положительную обратную связь, известную как почвенный микробный цикл. Вне зоны влияния корней, в основной массе почвы, большинство бактерий находятся в состоянии покоя, формируя микроагрегаты, то есть слизистые колонии, к которым приклеены частицы глины, обеспечивая им защиту от высыхания и поедания почвенной микрофауной (бактериофагами – протозоами и нематодами). Микроагрегаты (20–250 мкм) поглощаются мезофауной и фауной почвы, а тела бактерий частично или полностью перевариваются в их кишечнике. Человек влияет на почвообразование, удаляя растительный покров посредством обработки почвы, применения биоцидов, пожаров и оставляя почву открытой. Это может привести к эрозии, заболачиванию, латеритизации или подзолистому процессу (в зависимости от климата и топографии). Обработка почвы перемешивает различные слои, перезапуская процесс почвообразования, поскольку менее выветрившийся материал смешивается с более развитыми верхними слоями, что приводит к увеличению скорости минерального выветривания. Дождевые черви, муравьи, термиты, кроты, суслики, а также некоторые многоножки и чернотелки перемешивают почву при рытье, оказывая значительное влияние на почвообразование. Дождевые черви поглощают частицы почвы и органические остатки, повышая доступность питательных веществ для растений в материале, проходящем через их тела. Они аэрируют и перемешивают почву, создавая стабильные почвенные агрегаты, нарушая связи между частицами почвы во время прохождения пищи через кишечник, тем самым обеспечивая легкое проникновение воды. Подобно тому, как муравьи и термиты строят термитники и муравейники, дождевые черви переносят почвенный материал из одного горизонта в другой. Другие важные функции дождевых червей в почвенной экосистеме заключаются, в частности, в их интенсивном выделении слизи как внутри кишечника, так и в качестве выстилки в их ходах, что оказывает стимулирующее воздействие на почвенную микрофлору, наделяя их статусом инженеров экосистем, которым они делят с муравьями и термитами. В целом, перемешивание почвы деятельностью животных, иногда называемое педотурбацией, имеет тенденцию разрушать или противодействовать тенденции других почвообразующих процессов, создающих отчетливые горизонты. Термиты и муравьи также могут замедлять развитие почвенного профиля, обнажая большие участки почвы вокруг своих гнезд, что приводит к увеличению потерь почвы от эрозии. Крупные животные, такие как суслики, кроты и луговые собачки, прорывают норы в нижних почвенных горизонтах, поднимая материал на поверхность. Их туннели часто открыты на поверхности, способствуя движению воды и воздуха в нижележащие слои. В локальных областях они усиливают перемешивание нижних и верхних горизонтов, создавая и затем засыпая туннели. Старые норы животных в нижних горизонтах часто заполняются почвенным материалом из вышележащего горизонта А, образуя особенности профиля, известные как кротовины. Растительность оказывает многочисленное влияние на почвы. Она может предотвращать эрозию, вызванную чрезмерными дождями и поверхностным стоком. Растения затеняют почву, сохраняя ее прохладной и замедляя испарение влаги. С другой стороны, посредством транспирации растения могут приводить к потере влаги почвой, что приводит к сложным и сильно изменчивым взаимосвязям между индексом листовой площади (измеряющим перехват света) и потерей влаги: в целом растения предотвращают высыхание почвы в самые засушливые месяцы, но высушивают ее в более влажные месяцы, тем самым выступая в качестве буфера против резких колебаний влажности. Растения могут образовывать новые химические вещества, которые разрушают минералы, как напрямую, так и косвенно через микоризные грибы, и улучшают структуру почвы. Тип и количество растительности зависят от климата, топографии, характеристик почвы и биологических факторов, опосредованных или нет деятельностью человека. Факторы почвы, такие как плотность, глубина, химический состав, pH, температура и влажность, оказывают большое влияние на тип растений, которые могут расти в данном месте. Отмершие растения и опавшие листья и стебли начинают разлагаться на поверхности. Там организмы питаются ими и смешивают органический материал с верхними слоями почвы; эти добавленные органические соединения становятся частью процесса почвообразования. Влияние человека, и, как следствие, пожары, являются факторами состояния, включенными в фактор организмов. Человек может импортировать или извлекать питательные вещества и энергию способами, которые кардинально меняют почвообразование. Ускоренная эрозия почвы из-за перевыпаса, и предколумбовое терраформирование бассейна Амазонки, приведшее к образованию терра прета, являются двумя примерами влияния управления человеком. Считается, что коренные американцы регулярно устраивали пожары для поддержания больших площадей прерийных лугов в Индиане и Мичигане, хотя климат и травоядные млекопитающие (например, бизоны) также рассматриваются как объяснение поддержания Великих равнин Северной Америки. В последнее время уничтожение человеком естественной растительности и последующая обработка почвы для производства сельскохозяйственных культур резко изменили почвообразование. Аналогичным образом, орошение почвы в засушливом регионе оказывает существенное влияние на факторы почвообразования, как и внесение удобрений и извести в малоплодородные почвы. Различные экосистемы производят различные типы почв, иногда легко наблюдаемым образом. Например, три вида наземных улиток рода Euchondrus в пустыне Негев известны тем, что питаются лишайниками, растущими под поверхностными известняковыми породами и плитами (эндолитическими лишайниками). Пастбищная деятельность этих инженеров экосистем разрушает известняк, что приводит к его выветриванию и последующему образованию почвы. Они оказывают значительное влияние на регион: считается, что популяция улиток перерабатывает от 0,7 до 1,1 метрической тонны известняка на гектар в год в пустыне Негев.

Пример

Примером эволюции почв в древних озерных бассейнах служат Макгадикгади Панс в пустыне Калахари, где изменение русла древней реки привело к тысячелетиям накопления солей и образованию калькретов и силькретов.