3.Взаимодействие экзогенных и эндогенных процессов
Для понимания процессов формирования отложений и рельефа поверхности имеют большое значение концепции взаимодействия экзогенных и эндогенных процессов. В науках о Земле обсуждение этого взаимодействия длится довольно давно. В 1763 г. М.В. Ломоносов уже рассматривал такую идею. Во второй половине XVIII в. были разработаны учения о силах, принимающих участие в образовании земной коры и вызывающих изменения ее поверхности, - нептунизм и плутонизм. Так, ГЛ. Вернер (нептунист) считал, что Мировому океану принадлежит исключительная роль в образовании горных пород, слагающих земную поверхность, и в выработке рельефа. В свою очередь Дж. Геттон (плутонист) ввел в науку понятие о геологическом цикле, рассматривал изменения рельефа как составную часть геологического развития недр Земли. Концепцию медленного и непрерывного изменения земной поверхности под влиянием процессов, действующих и в настоящее время, выдвинул Ч. Лайель, который полагал, что основные формы рельефа возникают как результат движения земной коры, а затем нивелируются, разрушаются под действием внешних сил.
В 1899 г. В. Дэвис опубликовал учение о географических (геоморфологических) циклах, дав свое видение взаимодействия эндогенных и экзогенных процессов. По признаку ведущего экзогенного процесса Дэвис выделил <нормальный> (водно-эрозионный), ледниковый, морской и аридный (эоловый) циклы развития рельефа. Деятельность каждого из этих ведущих процессов протекает стадийно и дает разные результаты в условиях разной геологической структуры, но, в конечном счете, ведет к выравниванию рельефа, к образованию почти равнины (пенеплена). Новый цикл развития, по Дэвису, наступает при тектоническом (эндогенном) поднятии пенеплена, а последовательное развитие рельефа от ранней (юной) стадии к стадии дряхлости может нарушаться тектоническими или климатическими изменениями.
Связь денудационных процессов с вертикальными движениями земной коры рассматривал немецкий ученый В. Пенка (1924),разработавший принцип изучения тектонических движений на основе анализа рельефа. Он полагал, что при анализе взаимодействия экзогенных и эндогенных процессов следует учитывать непрерывность и одновременность действия обоих этих процессов. Впоследствии модели взаимодействия экзогенных и эндогенных процессов усложнялись и уточнялись.
2 Общие физические (плотность твёрдой фазы, плотность сложения, пористость) и физико-механические почвы (связность, набухание, гибкость, пластичность, удельное сопротивление).
Плотность почв. Плотность твердой фазы (рs) как показатель ее вещественного состава. Удельный объем твердой фазы, его значения. Величины рs характерные для различных почв и их компонентов. Профильные изменения рs и их значения для диагностики почв. Использование в разных разделах почвоведения. Методы определения рs.
Плотность сложения (объемная масса) почв (рb) как показатель вещественного состава и упаковки. Характерные величины рb. Понятие об оптимальной и о равновесной плотности. Проблема переуплотнения почв в сельском хозяйстве. Изменения рb во времени. Применение рb в разных разделах почвоведения. Расчеты с использованием величин рb. Методы определения рb в полевых и лабораторных условиях.
Поровое пространство почв. Общая порозность (пористость) и ее величины в различных горизонтах и типах почв. Активная и неактивная, капиллярная и некапиллярная порозность. Текстурное (внутриагрегатное), межагрегатное, межфрагментное поровое пространство. Проихождение пор (поры упаковки, трещины, биогенные поры). Функции пор различного размера и происхождения (поры аэрации, инфильтрации, влагопроводящие, влагосберегающие поры; поры транзитного межгоризонтного перемещения жидкой, газовой, живой и твердой фазы). Изменение порозности во времени. Особенности порового пространства набухающих почв. Методы измерения и расчета общей и дифференциальной порозности.
Плотность твердой фазы — это масса твердой фазы почвы в абсолютно сухом состояний, выраженная весовыми единицами, на определенный объем (кг/м3, г/см3 и т. д.) или отношение массы твердой фазы (части) к массе равного объема воды при 4°С. Плотность твердой фазы зависит от минералогического состава и содержания органического вещества. Например, минерал кварц имеет плотность 2,65, а глинистые минералы — 2,45— 2,5 г/см3. Плотность органического вещества почвы не превышает 1,25—1,80 г/см3. В среднем плотность твердой фазы составляет 2,5—2,65 г/см3. В верхних слоях почвы, обогащенных гумусом, она не превышает 2,3— 2,5 г/см3 и увеличивается в нижних горизонтах (около 3 г/см3). Объемная масса. Почва — пористое тело, поэтому, кроме плотности,, она обладает объемной массой. Этот показатель характеризует почву в сухом состоянии с ненарушенным сложением (со всеми порами и промежутками) и выражается в весовых единицах на объем (кг/м3, г/см3). Объемная масса одной и той же почвы всегда меньше плотности твердой фазы. Величина объемной массы почвы зависит от минералогического и механического состава, содержания органического вещества, структурного состояния и сложения почвы. Объемная масса пахотного слоя минеральных почв изменяется в широких пределах —от 0,8 до 1,5. Это связано с обработкой, свойствами почвы и сельскохозяйственной культурой. После обработки почва имеет наименьшую объемную массу, затем она постепенно уплотняется, и через определенный срок (неодинаковый для различных почв) величина объемной массы становится более или менее постоянной. Эту величину принято называть равновесной (И. Б. Ревут). Для различных типов почв имеются определенные пределы равновесной объемной массы — для пахотного слоя дерново-подзолистых почв она составляет 1,5—1,6 г/см3, для черноземных почв — 1,0—1,3 г/см3. Величина объемной массы влияет на водный, воздушный, тепловой режимы почвы, а также на рост, развитие и продуктивность растений. Оптимальная величина объемной массы пахотного слоя различных почв зависит не только от свойств почвы, но и от биологических особенностей растений. Так, для зерновых культур, возделываемых на дерново-подзолистых средне- и тяжелосуглинистых почвах она составляет 1,20—1,35, на тех же почвах, но для картофеля — 1,0—1,2 г/см3. На каштановых почвах при возделывании пшеницы оптимальная величина объемной массы будет 1,0—1,2 г/см3. Увеличение объемной массы выше оптимальной снижает урожай сельскохозяйственных растений. Пористость почвы (порозность, скважность) — суммарный объем всех пор, выраженный в процентах объема всей почвы. Это так называемая общая пористость, она зависнет от механического состава, содержания гумуса, структурного состояния и сложения почвы. В верхних слоях почвы, обогащенных гумусом, общая пористость достигает 50—60%, в нижних — она снижается, составляя в суглинистых и глинистых почвах 35— 45%, а в песчаных —30—35%. Величину общей пористости определяют экспериментально или рассчитывают, исходя из данных объемной массы и плотности твердой фазы почвы. В зависимости от размера пор (мелких капилляров или крупных) выделяют капиллярную и некапиллярную пористость. Мелкие поры в почвах (капилляры) обычно бывают заполнены водой, а крупные — воздухом. Таким образом, соотношение объемов твердой фазы, некапиллярных и капиллярных пор характеризует строение пахотного слоя. Наиболее благоприятные условия водно-воздушного режима для произрастания растений в пахотном слое почвы наблюдаются при величине общей пористости 50—55% и соотношении некапиллярной и капиллярной 1:1 (в зависимости от зональных условий это соотношение может изменяться). В агрономическом отношении важно, чтобы почвы имели наибольшую капиллярную пористость (поры заполнены водой) и одновременно некапиллярную пористость (поры заполнены воздухом) — не менее 20% общего объема почвы.
3 Общая схема процесса почвообразования. Стадии в развитии почв. Конкретные почвообразовательные процессы.
Происхождение и состав минеральной части почвы. Почва состоит из минеральных, органических и органоминеральных веществ при значительном преобладании минеральных (80-90% почвенной массы). Минеральные вещества перешли в почву из горных пород, которые слагают земную кору - верхнюю оболочку суши земного шара. Горные породы земной коры по своему происхождению подразделяются на магматические, осадочные и метаморфические. Минералы и горные породы, слагающие земную кору, представляют собой различные химические соединения - соли кислот (кремниевой, серной, фосфорной и др.), окислы (кремния, железа, алюминия и др.) и самородные элементы. В составе этих соединений содержатся элементы питания растений P, K, Ca, Mg и другие, но в труднорастворимой форме. Содержание важнейшего элемента - азота не превышает 0,03%, и встречается он лишь в осадочных породах. Образование почв из горных пород происходит под воздействием двух процессов, протекающих на земной поверхности, — выветривания и почвообразования. Выветривание - процесс разрушения и изменения горных пород и слагающих их минералов в термодинамических условиях земной поверхности. Разрушение горных пород происходит: под действием факторов атмосферы (колебание температуры, вода, ветер и др.) и биосферы (углекислый газ, организмы). В зависимости от действия преобладающих факторов различают три типа выветривания: физическое, химическое и биологическое. В процессе выветривания из массивной горной породы образуется рыхлая почвообразующая порода и зольные элементы питания из труднорастворимого состояния переходят в растворимые формы, доступные растениям. Но они становятся доступными и для атмосферных осадков, вымываются ими, переносятся поверхностными и грунтовыми водами с суши в моря и океаны, где полностью или частично осаждаются, участвуют в образовании осадочных горных пород. Могут пройти целые геологические эпохи, пока осадочные породы станут сушей и вновь подвергнутся выветриванию. Этот круговорот веществ, совершающийся между сушей и океаном, называют большим или геологическим круговоротом веществ. Почвообразовательный процесс. Начало почвообразовательного процесса - поселение растений и микроорганизмов на продуктах выветривания горных пород. Почвообразовательный процесс имеет длительную историю и связан с эволюцией растительного и животного мира на земле. Это совокупность явлений превращения и передвижения веществ и энергии, протекающих в почвенной толще (А. А. Роде). Каждому из этих явлений противостоит другое, противоположное по своей сущности. Процессы, протекающие одновременно и взаимосвязанно, в результате которых из горной породы образуется новое самостоятельное природное тело - почва, следующие: 1) разложение минералов горных пород и образование новых минералов, а также элементов зольного питания растений в доступных формах; 2) создание органического вещества (на поверхности породы и в ее верхних слоях), его разложение, синтез новых органоминеральных соединений в процессе гумификации и их разрушение, аккумуляция и освобождение элементов зольного и азотного питания; 3) взаимодействие минеральных и органических веществ, образование органоминеральных соединений разной степени подвижности; 4) перемещение и осаждение в почвенной толще различных продуктов почвообразования-минеральных, органических и органоминеральных; 5) поступление влаги в почву и ее возврат в атмосферу (транспирация и испарение); 6) поглощение лучистой энергии солнца почвой, ее нагревание ш излучение энергии, сопровождаемое охлаждением, и др. Большая часть перечисленных процессов протекает при участии живых организмов - растений микроорганизмов. Корни высших растений проникают в породу на значительную глубину, охватывают большой объем породы, извлекая из ее толщи рассеянные в ней элементы зольной пищи (фосфор, калий, серу и др.) и азот (его присутствие в породе связано с биохимической деятельностью микроорганизмов). Зеленые растения обладают избирательной поглотительной способностью, присущей только им. Она заключается в том, что корни растений усваивают химические элементы из почвенного раствора с минимальным содержанием наиболее важных для организмов веществ в присутствии больших количеств остальных соединений. Корни растений как бы переносят элементы питания из нижних горизонтов породы в верхние. Используя углекислый газ воздуха, воду, зольные элементы, азот, лучистую энергию солнца, растения синтезируют органическое вещество. Наряду с созданием (синтезом) органического вещества происходит его разрушение (под воздействием микроорганизмов), образуются вновь минеральные соединения, которые становятся доступными для следующих поколений растений. Таким образом, между растениями и почвообразующими породами, а затем и почвами возникает круговорот зольных элементов и азота. В результате его действия в верхнем слое почвы происходит постепенное накопление элементов минеральной и азотной пищи растений - одного из факторов плодородия. Этот круговорот, по предложению В. Р. Вильямса, был назван малым биологическим круговоротом веществ. Оба круговорота в природе связаны между собой. Биологический круговорот развивается на фоне (траектории) геологического. Часть питательных элементов, не использованных растением, может вымываться и поступать в большой геологический круговорот, и, наоборот, растения могут перехватывать элементы из большого геологического круговорота и переводить их в малый биологический. В основе почвообразовательного процесса лежит малый биологический круговорот веществ. Органические остатки, которые накапливаются растениями после их отмирания, на поверхности породы или в ее верхних сдоях не полностью минерализуются, часть их в процессе гумификации превращается в гумус, который в запасе имеет все элементы питания растений. Накопление гумуса в верхних слоях и взаимодействие гумусовых веществ с минеральной частью породы приводят к образованию почвы. Гумус содержится только в почвах и отсутствует в почвообразующих породах. Таким образом, сущность почвообразовательного процесса заключается в создании (синтезе) органического вещества и его разрушении, а также во взаимодействии минеральной части породы (и почвы) с продуктами разложения органических остатков и гумусовыми веществами.