Непосредственно под нашими ногами располагается внешний и самый тонкий слой земной коры — почва. Эта оболочка, толщина которой редко превышает 2,5 метра, покрывает приблизительно 10 % от площади поверхности суши Земли. Часто почву воспринимают только лишь как среду для роста и развития растений, но на самом деле она представляет собой важнейший компонент глобальной экосистемы и оказывает влияние на всю биосферу. В этой статье мы рассказываем, из чего состоит и как формируется почва, выделяем ее основные свойства и типы, а также отвечаем на некоторые распространенные вопросы о плодородном слое нашей планеты.
Что такое почва и как она формируется
Физики и химики могли бы обозначить почву как трехфазную систему, в которой вещество находится в твердом, жидком и газообразном состоянии. В общем смысле любая почва — это смесь минеральных и органических веществ, газов и воды, населенная живыми организмами. При этом она представляет собой динамичную систему, в которой постоянная переработка веществ способствует поддержанию жизни. Прежде всего мы рассмотрим основные компоненты в составе почвы и обозначим их функциональную значимость.
- Минеральная основа: ключевая структурная часть почвы, на которую приходится около 45 % ее объема и до 97 % массы. Это мельчайшие частицы пыли, ила, глины или песка, образованные в результате выветривания горных пород (прим. ред.: т.е. их разрушения под воздействием солнечных лучей, воды и ветра). Минералы служат одним из источников питательных веществ для растений, а также определяют текстуру и физические свойства почвы, например, воздухо- и водопроницаемость.
- Органическая часть: объемная доля органики в почве в среднем составляет около 5 %, однако именно от нее зависит такой важнейший показатель, как плодородие. При разложении остатков живых организмов образуется гумус — рыхлое темное вещество, содержащее азот, фосфор, калий и другие элементы в удобной для усвоения растениями форме. Кроме того, гумусовые вещества склеивают минеральные частицы в устойчивые комочки, напрямую влияя на пористость почвы.
- Вода и воздух: пространство между минеральными и органическими частицами заполнено влагой и газами. На каждый из этих двух элементов приходится примерно по 25 % объема почвы. Вода обеспечивает транспортировку питательных веществ, а также образует почвенные растворы, без которых не смогли бы выжить корни растений. Воздух в почве отличается от атмосферного, так как содержит в 7 раз больше углекислого газа. Почвенный воздух необходим для дыхания растений, а также участвует в окислительно-восстановительных процессах, преобразуя питательные вещества в усвояемые формы и нейтрализуя токсины.
- Живые организмы: почву населяют многочисленные бактерии, грибы, черви и различные насекомые. Они имеют фундаментальное значение для обеспечения не только плодородия, но и самого существования почвы. В число их ключевых функций входит разложение органики при формировании гумуса, разрыхление почвы для повышения доступа воды и воздуха, выделение ферментов, витаминов и гормонов, необходимых растениям. Без живых организмов почва представляла бы собой инертную субстанцию без определенной структуры, неспособную поддерживать сложную наземную жизнь.
Почвообразование — это весьма длительный процесс, и на формирование всего лишь сантиметрового слоя почвы может уходить от 200 до 1 000 лет. Начальным этапом является выветривание, то есть химическое и физическое разрушение горных пород под воздействием климатических факторов. Разрушенные породы заселяются первичными растениями, в основном мхами и лишайниками, в результате чего начинается накопление органических остатков. Органическая и минеральные части почвы вступают в химические реакции, образуя так называемые органоминеральные соединения. Вода, вымывающая и переносящая различные вещества, отвечает за формирование почвенных горизонтов и профилей, о которых мы поговорим в следующем разделе.
Основные горизонты и строение почвенного профиля
Важное свойство почвы — неоднородность структуры. Давайте представим почву в виде торта, разрезая который мы можем видеть несколько слоев. В такой аналогии сам торт представляет собой почвенный профиль, а составляющие его слои — почвенные горизонты. Отличительная особенность горизонтов в том, что они формируются не один за другим, подобно осадочным породам, а одновременно, в результате единого процесса почвообразования. Согласно общепринятой классификации почвенный профиль может состоять не более чем из 6 горизонтов, каждому из которых присвоен собственный буквенный индекс.
- Горизонт O — поверхностный органический слой со средней толщиной 5 см. Горизонт часто называют «лесной подстилкой», так как его составляют опавшие листья, хвоя, веточки и отмершая трава. В нелесных экосистемах и областях с малым травяным покровом он может или полностью отсутствовать, или достигать толщины порядка 2 мм. Нижняя часть горизонта характеризуется процессами активного разложения органики.
- Горизонт A — верхний минеральный слой почвы толщиной около 20 см. Этот горизонт содержит больше всего органического гумуса, благодаря чему является наиболее плодородным. Здесь буквально кипит жизнь — бактерии, грибы и черви обеспечивают постоянную переработку органики и, как следствие, накопление питательных веществ для растений.
- Горизонт E — элювиальный слой (прим. ред.: от латинского «eluo» — «вымываю»), или зона вымывания, толщина которой может варьироваться в широком диапазоне от 3 см до 1 м. Здесь глинистые материалы, железо, алюминий, органические соединения и другие растворимые компоненты вымываются нисходящими потоками воды. Горизонт чаще всего состоит из кварца и других водостойких минералов.
- Горизонт B — подпочвенный, или иллювиальный слой (прим. ред.: от латинского «illuvies» — «намывная грязь») толщиной порядка 50 см, в котором оседает и накапливается все, что было вымыто из горизонта E. Горизонт часто выполняет функцию водоупора, задерживая воду и обеспечивая питание глубоко залегающих корней растений.
- Горизонт C — почвообразующий слой имеет толщину около 45 сантиметров и представляет собой материнскую породу, из которой была сформирована почва. В основном горизонт составляют полуразрушенные остатки пород, богатые хорошо растворимыми соединениями, такими как карбонат кальция. От доли содержания таких соединений во многом зависит кислотность почвы, или pH— наличие свободных ионов водорода. Показатель pH напрямую влияет на плодородность почвы и ее пригодность для определенных типов растений.
- Горизонт R — коренная порода, еще не затронутая почвообразующими процессами. Для этого горизонта не выделяют какой-либо определенной толщины, так как он представляет собой сплошной массив, основание почвы. Иными словами, коренная порода не является непосредственной частью почвы, но от нее зависит химический состав и структура почвы.
Классификация и типы почв разных климатических поясов
Климат является одним из важнейших факторов почвообразования, а потому в различных климатических зонах почвы имеют свои уникальные особенности. Температура окружающей среды и осадки во многом определяют скорость химических реакций, возникающих в почвенных горизонтах, благодаря чему тропическая растительность совсем не похожа на арктическую, а умеренные зоны имеют гораздо более обильную и разнообразную флору, чем пустынные. Сейчас мы дадим общую характеристику почв для каждого климатического пояса, а затем подробнее поговорим о свойствах нескольких популярных типов почвы.
- Арктический и субарктический пояс: вечная мерзлота или преимущественно отрицательные температуры способствуют образованию арктической почвы, в которой застой воды и малое количество кислорода препятствует разложению органики и образованию гумуса. В столь суровых условиях выживают в основном мхи и лишайники, способные поглощать питательные вещества из атмосферных осадков.
- Умеренный пояс: обширные территории Сибири, Скандинавии и Северной Америки отличаются холодным умеренно влажным климатом, в котором преобладают лесные и степные ландшафты: здесь формируются разные типы почв. В хвойных лесах из-за низкой температуры окружающей среды хвоинки разлагаются медленно, что препятствует образованию устойчивого плодородного слоя. На преобладающих здесь глеевых и подзолистых почвах другие растения попросту не могут выиграть конкуренцию за почвенные ресурсы. В степных ландшафтах формируются черноземы — самые плодородные почвы, доля содержания гумуса в которых в 2-3 раза превышает средние показатели. Сбалансированный по влажности климат способствует обилию травянистой растительности, которая ежегодно отмирает при смене сезонов и постоянно обогащает почву органическими веществами.
- Субтропический и тропический пояс: сухой резко континентальный климат изолированных от океанов областей характеризуется дефицитом влаги, необходимой как для роста растений, так и для процессов выветривания пород. Из-за малого количества осадков в бурых и пустынных почвах соли не вымываются в нижние горизонты, а концентрируются в верхних, оказывая токсичное воздействие на большинство растений.
- Субэкваториальный и экваториальный пояс: как ни парадоксально, но в условиях круглогодичного теплого влажного климата ферраллитные почвы чаще всего оказываются обеднены питательными веществами из-за их интенсивного вымывания. Бурная растительность джунглей обусловлена не плодородностью почвы, а быстрым круговоротом питательных веществ. Органика отмирающих организмов не успевает накапливаться в гумусовом слое, так как ее почти сразу же поглощают живые растения.
Черноземы: состав, свойства и использование
Чернозем — это богатейший тип почвы, который формируется преимущественно в степных и лесостепных зонах. Главной отличительной особенностью черноземов является повышенное содержание гумуса, объемная доля которого часто достигает 15 %. Столь высокий процент объясняется не только обильной травянистой растительностью, но и рекордным количеством почвенных микроорганизмов. Породы, из которых формируется чернозем, богаты кальцием, придающим почве рыхлую зернистую структуру и препятствующим вымыванию органических соединений.
Зоны черноземов играют важнейшую роль в мировом сельском хозяйстве, а потому они распаханы практически полностью. На них выращивают наиболее востребованные зерновые культуры, в числе которых пшеница, рожь и ячмень, а также многочисленные овощи, фрукты и ягоды. Зачастую чернозем используют в качестве удобрения, обогащая им другие, менее плодородные почвы. Из-за деградации почвы вследствие процессов эрозии и деятельности человека в ряде регионов вводятся запреты на торговлю черноземом.
Подзолы и дерново-подзолистые почвы
Подзолистые почвы распространены в северной части умеренного климатического пояса с преобладающими хвойными лесами. Их главной отличительной особенностью является резко выраженный белесый горизонт E, визуально напоминающий золу. Над ним, как правило, располагается маломощная лесная подстилка, состоящая из опавших хвоинок. Подзолы характеризуются высокой кислотностью и содержанием гумуса в пределах 2 %, чем объясняется их низкая плодородность.
Дерново-подзолистые почвы располагаются несколько южнее подзолистых. Под влиянием травянистой растительности и смешанных лесов в их профиле формируется достаточно развитый гумусовый горизонт, который также называют дерном, или дерниной. Естественное плодородие в почвах этого типа также остается невысоким, но все же превосходит аналогичный показатель у подзолов.
Каштановые и бурые почвы засушливых регионов
Каштановые почвы, получившие свое название из-за характерного цвета горизонта A, образуются в зонах сухих степей, расположенных южнее черноземов. Из-за недостатка влаги в них происходят интенсивные процессы отложения солей, и почвенная структура теряет свою устойчивость. Каштановые почвы отличаются разреженной растительностью вроде ковыля или полыни, однако они вполне пригодны для земледелия — при должном искусственном орошении на них выращивают зерновые, бахчевые и кормовые культуры.
Бурые почвы образуются в зонах полупустынь, где господствует еще более засушливый резко континентальный климат. Обширное засоление становится причиной крайне низкого содержания гумуса, в пределах 1-2 %. Бурые почвы засушливых регионов за исключением тех, что формируются в оазисах, являются малопригодными для сельского хозяйства, а потому их часто используют в качестве пастбищ для скота.
Серые лесные и бурые лесные почвы
Серые лесные почвы занимают промежуточное положение между плодородными черноземами и обедненными подзолами. Они часто формируются в дубовых или березовых лесах с обширным травянистым покровом. Сочетание интенсивного накопления органики из трав и слабо выраженных элювиальных процессов способствует содержанию гумуса до 8, а в редких случаях и до 12%, а потому серые лесные почвы считаются высокоплодородными.
Бурые лесные почвы характерны для широколиственных и смешанных лесов, растущих в умеренно теплом и влажном климате, например, на Кавказе. Буроземное почвообразование сопровождается интенсивной трансформацией минералов с накоплением глинистых компонентов и соединений железа. Профиль бурых лесных почв отличается однородностью, то есть слабо выраженными границами горизонтов.
Тундрово-глеевые и арктические почвы
В экстремальных условиях арктических пустынь почти круглый год держатся отрицательные температуры, из-за чего почвообразовательные процессы или сильно замедляются, или останавливаются совсем. Значительная часть поверхности оказывается занята каменистыми россыпями или выходами коренных пород. А под редкими участками травяно-лишайниково-моховой растительностью встречаются бедные гумусом маломощные арктические почвы. В тех редких местах, где летом вода в почве подтаивает, происходит переувлажнение, препятствующее формированию устойчивого слоя гумуса.
Для субарктических регионов, в которых преобладает кустарниковая и моховая растительность, также характерен застойный водный режим, однако они отличаются значительно большей плодородностью, чем арктические. Из-за избыточной влажности и дефицита кислорода них образуется так называемый глеевый горизонт, состоящий из вязкой влажной глины. Более теплые по сравнению с арктическими климатические условия подходят для слабой биологической активности, что выражается в наличии заметного растительного покрова, включающего северные ягоды, например, морошку.
Аллювиальные почвы пойм рек и их особенности
В отличие от ранее упомянутых элювиальных и иллювиальных горизонтов аллювиальные почвы являются отдельным типом и формируются в результате периодических паводков и разливов рек. Это самые молодые природные почвы, которые отличаются ярко выраженной слоистостью. Чередующиеся отложения песка, ила, глины и органики заметны настолько хорошо, что по ним можно восстанавливать хронологию паводков.
Аллювиальные почвы, как правило, отличает высокая плодородность, чему способствует регулярное поступление минеральных и питательных веществ вместе с речными наносами. Однако состав и свойства такой почвы могут кардинально отличаться даже в рамках небольших участков. Например, недавно сформированные отложения зачастую испытывают недостаток в органике, что негативно сказывается на их биологической активности.
Засоленные почвы: солонцы и солончаки
К типу засоленных почв относятся такие почвы, концентрация легкорастворимых солей в которых достигает очень высокого уровня, токсичного для большинства сельскохозяйственных растений. Факторами их образования чаще всего являются преобладание испарения над осадками или непосредственная близость к минеральным источникам. Выделяют 2 наиболее распространенных типа засоленных почв.
- Солончаки: характеризуются избытком солей на поверхности. Сильная щелочная реакция приводит к тому, что растения страдают из-за сухости даже при достаточно высокой влажности почвы. При условии интенсивной промывки и создания эффективных дренажных систем солончаки могут становиться пригодными для выращивания сельскохозяйственных культур.
- Солонцы: соли вымываются в нижние слои почвы, однако плотный горизонт B с повышенным содержанием натрия оказывается непроницаем для воды и корней растений. Солонцы можно адаптировать к возделыванию с помощью гипсования — процесса замещения натрия на кальций посредством химической реакции с гипсом.
Пустынные почвы
Пустынные почвы формируются в жарком засушливом климате, из-за чего отличаются слабо выраженным профилем и почти полным отсутствием гумуса. На их поверхности часто образуются такыры — глинистые «панцири», которые в сухое время растрескиваются на узнаваемые пустынные многоугольники, а при попадании влаги преобразуются в вязкую, практически бесплодную грязь. При регулярном интенсивном орошении пустынные почвы могут использоваться как пастбищные угодья.
Ферраллитные и красные почвы тропиков
Теплые влажные условия тропического, а иногда и субтропического климата способствуют процессам интенсивного выветривания или ферраллитизации почвы. Практически круглогодичное вымывание кремнезема и щелочноземельных элементов приводит к повышенному накоплению устойчивых оксидов железа и алюминия, из-за чего почва приобретает характерный красный или рыжий цвет.
Низкое содержание гумуса и питательных веществ существенно ограничивает плодородность ферраллитных почв, однако густые тропические леса поддерживают уровень растительности за счет непрерывного круговорота веществ в самой биомассе. При этом красные почвы весьма часто используются в сельском хозяйстве — при достаточном количестве минеральных удобрений на них можно выращивать рис, чай, цитрусовые, сахарные тростники и многие другие растения.
Антропогенные почвы: техногенные, культурные и урбанистические
К антропогенным почвам относятся те, которые были сформированы не благодаря естественным почвообразовательным процессам, а в результате хозяйственной или производственной деятельности человека. В зависимости от характера таких воздействий выделяют 3 основных подтипа антропогенных почв.
- Техногенные: формируются в результате горнодобывающей, строительной или промышленной деятельности. Часто состоят из однородного вещества, загрязненного нефтепродуктами, химикатами или тяжелыми металлами. Также выделяют рекультивационные техногенные почвы в местах карьеров или шахтных отвалов, которые восстанавливают с помощью мелиорации и засыпки плодородных слоев, богатых микроорганизмами.
- Культурные: целенаправленно изменяются человеком для ведения сельскохозяйственной деятельности. В основном такие почвы сохраняют свой естественный профиль, однако их плодородность искусственно поддерживается посредством распашки, внесения удобрений, орошения или осушения.
- Урбанистические: молодые почвы, формирующиеся в пределах городов и населенных пунктов под воздействием строительства и организации коммунального хозяйства. Такие почвы отличаются повышенной уплотненностью и содержанием инородных элементов вроде асфальта, стекла и пластика, что сказывается на их ускоренной деградации.
Значимость почвы в масштабах всей планеты
Глобальная роль почвы выходит далеко за пределы обеспечения растений питательными веществами, хотя даже этот отдельный фактор имеет первостепенную важность для человечества. Более 95 % продуктов питания производится благодаря плодородию почвы — она необходима для роста и развития пищевых растений, а также служит источником кормления для сельскохозяйственных животных. Отметим и другие ключевые аспекты значимости почвы в планетарном масштабе.
- Поддержание биоразнообразия: почва служит естественной средой обитания для огромного количества живых организмов. По некоторым оценкам, в одной столовой ложке почвы обитает столько же микроорганизмов, сколько людей на Земле. При этом каждый вид почвенных бактерий или насекомых является неотъемлемой частью глобальной экосистемы, и его существование напрямую зависит от сохранности почвы.
- Регулирование климата: почвенный слой выполняет функцию хранилища колоссальных запасов углерода, заключенного в гумусе, подземном воздухе и корневых системах. Деградация почв зачастую приводит к выбросу углекислого газа, что сказывается на усилении парникового эффекта, влияющего на глобальное потепление.
- Гидрологические функции: почва является необходимым участником круговорота воды в природе. Она влияет не только на пространственное распределение воды, но и на ее качество. Почвенные компоненты фильтруют порядка 80 % поверхностных вод, задерживая токсичные вещества и микроорганизмы, представляющие опасность для здоровья.
Почва в вопросах и ответах
1. Что такое почва и чем она отличается от горной породы?
Почва — это тонкий поверхностный слой нашей планеты, который образуется в результате трансформации горных пород под воздействием живых организмов.
2. Какие факторы определяют формирование почвы?
Главными факторами почвообразования являются свойства материнских пород, климатические условия, наличие живых организмов и рельеф местности.
3. Что такое почвенные горизонты и зачем они нужны?
Почвенные горизонты — это слои почвы, определяющие почвенный профиль. Действуя как единая система, они отвечают за накопление и транспортировку веществ, обеспечивая жизненный цикл почвы.
4. Как определяется плодородие почвы?
Плодородие почвы определяется в первую очередь по доле содержания гумуса — слоя перегнивших организмов, служащих источником питательных веществ для живых растений.
5. Почему чернозем считается самой ценной почвой?
Чернозем является самой ценной почвой из-за рекордно большого содержания гумуса и живых организмов, повышающих плодородность.
6. В каких регионах встречаются подзолистые почвы?
Подзолисты почвы характерны для северных регионов умеренного климатического пояса — в частности, они формируются в Западной Сибири, на Урале и в северо-восточных областях США.
7. Чем отличаются каштановые почвы от степных?
Каштановые почвы являются разновидностью степных — они формируются в сухих степях, а иногда и в полупустынях, и отличаются средней степенью плодородности.
8. Какие особенности у бурых лесных почв?
Бурые лесные почвы образуются в регионах с теплым, умеренно влажным климатом. Они имеют слабо дифференцированный профиль, но отличаются достаточно высоким содержанием органики.
9. Почему почвы тундры считаются малоплодородными?
Почвы тундры демонстрируют низкую плодородность из-за холодного климата и оглеения — переувлажнения верхнего слоя — что способствует очень медленному разложению органики.
10. Как образуются аллювиальные почвы пойм рек?
Аллювиальные почвы образуются в результате регулярных разливов рек, приносящих питательные вещества, необходимые для биологической активности.
11. Что вызывает засоление почв и чем опасны солончаки?
Засолению почв способствуют как природные, так и антропогенные факторы, среди которых можно выделить подъем уровня минеральных вод или чрезмерное использование удобрений. В солончаках протекают щелочные реакции, из-за которых растения не могут получать достаточно воды даже при высокой влажности почвы.
12. Какие почвы распространены в пустынях?
В пустынях часто встречаются засоленные почвы, которые при высыхании образуют такыры — растрескавшиеся формы рельефа.
13. Что делает тропические ферраллитные почвы ярко-красными?
Тропические ферраллитные почвы приобретают красный цвет благодаря оксидам железа и алюминия, которые не вымываются из верхнего горизонта обильными осадками.
14. Как появляются урбанистические и техногенные почвы?
Урбанистические почвы появляются в результате благоустройства населенных пунктов. Техногенные почвы также имеют искусственную природу — они возникают вследствие горнодобывающей или масштабной строительной деятельности.
15. Какие методы используют для улучшения структуры и плодородия почв?
Чтобы улучшить структуру и плодородие почвы, ее обогащают органикой или азотом, а также регулируют уровень кислотности и содержания влаги.
***
Как мы могли убедиться, почва — это нечто гораздо большее, чем просто земля под ногами. Она представляет собой важнейший компонент биосферы, который кормит человечество, регулирует климат и поддерживает разнообразие экосистем. К сожалению, наша планета теряет почву значительно быстрее, чем создает новую, — по оценкам ООН 75 млрд тонн плодородных земель ежегодно становятся непригодными для растений. Помимо ветровой и водной эрозии главными факторами снижения плодородности почвы являются нерациональное использование удобрений, вырубка лесов и ускоренная урбанизация. Осознание ценности почвы и ее защита от загрязнения и деградации — ключ к устойчивому развитию жизни на Земле.
Автор текста Иван Стефанов
Изображение на обложке: Freepik
