Изменчивость факторов почвообразования

Рассмотрение почвы как среды обитания живых организмов предполагает изучение конкретных почвенных свойств, влияющих на биоту. Если бы почва не была открытой динамичной системой, эта задача была бы довольно простой. Однако это не так. Почва – результат воздействия пяти основных факторов почвообразования на горную породу и дневную поверхность Земли. Факторы уже сами по себе изменчивы, их динамика обусловлена астрономическими параметрами: вращением Земли вокруг своей оси, Земли вокруг Солнца, изменением орбиты Солнца в Галактике. Продолжительность этих астрономических явлений и их циклов определяет продолжительность соответствующих динамических изменений в почвах (суточные, сезонные, многолетние, столетние, тысячелетние, миллионолетние) [10]. А это, в свою очередь, предполагает изменчивость формируемых этими факторами почвенных свойств. Поэтому, изучая свойства почв, невозможно обойти вопрос об их динамике. Важен и другой аспект данной проблемы. Рассматривая изменчивость почвенных свойств, следует выяснить вопрос, который стал особенно острым в связи с техногенезом: что для почвы является нормой, а что патологией (какой разброс внутри данного свойства или всей совокупности свойств лежит внутри нормального функционирования почвы, а что ведет к необратимым изменениям).

Традиционно почвенные свойства делят на внешние, или морфологические, и внутренние. К внешним почвенным свойствам относятся строение почвенного профиля, цвет горизонтов, гранулометрический состав, агрегированность, порозность, наличие новообразований и включений. Внутренними почвенными свойствами являются ее физические, химические и физико-химические свойства. Все перечисленные свойства динамичны, при этом их изменчивость имеет разную направленность. Одни являются обратимыми в своих изменениях, их можно вернуть к исходному состоянию. Другие цикличны; третьи кажутся циклическими, но при каждом цикле накапливаются определенные отклонения от исходной величины (ложноциклические). Четвертый вид процессов – необратимые или трендовые.

Каждое почвенное свойство обладает собственными, только ему присущими особенностями (обратимость, цикличность или необратимость), и, кроме того, зависит от действия факторов почвообразования, тоже динамичных.

Начнем с рассмотрения влияния на почвенные свойства особенностей почвообразующей породы. В качестве примера возьмем первичное почвообразование на горной породе, при котором можно выделить как циклические, так и трендовые процессы. Плотная кристаллическая горная порода долго сопротивляется воздействию внешних факторов, и ее разрушение может длиться тысячелетиями. Но после того как целостность породы нарушается, процесс уже характеризуется обратной положительной связью – раздробленная порода все быстрее изменяется под воздействием внешних факторов, и чем больше изменяется, тем быстрее протекают последующие процессы. Изменения затрагивают минералогический и химический состав, формируется также гранулометрический состав. Часть минералов исчезает, часть трансформируется. Изменение породы представляет собой трендовое явление, оно необратимо.

Как только на породе образуется почва, наступает фаза «педолиза»: под действием почвы идет еще более быстрая трансформация вещественного состава породы. С появлением растительности ряд процессов приобретает циклический характер: воздействие продуктов метаболизма живых организмов на минералы зависит от времени года, суточных колебаний активности; образование гумуса также циклично.

В то же время образовавшаяся почва характеризуется обратной отрицательной связью по отношению к внешним факторам – она сопротивляется воздействию, сохраняя свои свойства и общий уровень плодородия. Эти буферные свойства почвы унаследованы ею от породы и определяются в значительной степени ее минералогическим составом. С этой точки зрения процесс трансформации минералов, входящих в почву, становится обратимым: разрушившиеся вторичные минералы могут заменяться теми же вторичными, возникшими при почвообразовании. Основная трудность в оценке направления в изменениях почвообразующих пород связана со сложностью минералогического состава почв.

Влияние климата на почву еще более многозначно. Для климатических параметров свойственны суточные, годовые и вековые циклы. Каждый цикл приводит к изменениям почвенных свойств, но в зависимости от характера этого свойства изменение может быть циклическим или трендовым. Примерами циклических изменений могут быть суточные колебания температуры, влияющие на потребление воды растениями, скорость диффузии веществ в почве, биологическую активность почв. Сезонные изменения климата определяют развитие растений и влияют на водный, газовый, питательный режимы. Поступление и разложение опада прямо ведет к подкислению или подщелачиванию почв, также сильно влияет и цикл иссушения – увлажнения.

Многолетние изменения климатических параметров отмечались многими исследователями. Начиная с А. Л. Чижевского ряд авторов выделяет периодические колебания климата, связанные с одиннадцатилетними циклами активности Солнца. Для многих видов организмов установлены циклы изменения численности и биологической активности с той же периодичностью. Такие же закономерности позднее были установлены не только для отдельных видов, но для целых парцелл и биогеоценозов.

Вековые и многовековые изменения климата также отмечались неоднократно [1]. Голоцен (12–14 тыс. лет) характеризуется многочисленными сменами климатических условий на больших территориях: после таяния ледника происходили колебания климата с периодичностью в 2,5 тыс. лет (в ближайшем прошлом это так называемый малый ледниковый период с 1400 по 1700 гг.).

За последние 500 тыс. лет оледенения отмечались в среднем через 100 тыс. лет (440–340–270–150–30 тыс. лет назад). Полагают, что стотысячным циклом руководит «космический дирижер», определяющий ряд параметров орбиты Земли.

Биота, являясь компонентом биогеоценоза, тоже подвержена определенным изменениям, связанным как с климатическим фактором, так и со свойствами самих живых организмов. Ведущим биосферным процессом следует считать трендовый направленный процесс эволюции живых организмов, а вместе с ними и эволюцию биогеоценозов (БГЦ). Влияние биоты существует не только в огромном временном интервале, оно важно и в короткие промежутки времени в данной локальной точке почвенного покрова. Примером этому служат локальные сукцессии, при которых возникают циклические изменения почвенных свойств с конечным возвращением к исходному состоянию. На почву влияет не только фитоценоз, но и отдельное растение, т. к. оно имеет свои особенности потребления воды и питательных веществ. Поэтому в каждой точке парцеллы под индивидуальным растением будут отмечаться свои вариации в динамике влажности, питательных веществ и рН. Таким образом, биота и, особенно растения, влияют как на вековую изменчивость почв, так и на динамику свойств в течение жизни растения. Это влияние можно объяснить влиянием фитогенного поля растения. Под фитогенным полем подразумевается сфера влияния данного растения на экосистему, размер фитогенного поля зависит от размера растения. В связи с этим в лесу динамика свойств почвы более выражена, чем на лугу.

Рельеф как фактор почвообразования тоже обладает определенной динамичностью. Рельеф влияет на перераспределение влияния других факторов – почвообразующей породы, климата и биоты. Кроме того, рельеф сам развивается и изменяется. В отношении форм макро- и мезорельефа изучены циклы эрозии, которые приводят к нивелированию, сглаживанию рельефа. Этот процесс является необратимым, т. е. трендовым. Но в ходе эволюции земной коры есть и процессы, затрагивающие рельеф, которые усложняют его: это тектонические и карстовые процессы. Циклы этих процессов длительны, они измеряются тысячами и миллионами лет. Макрорельеф практически никогда не восстанавливается в исходном виде (только в аналогичном), особенно это касается эрозионных циклов, длительностью в миллионы лет.

Микро- и нанорельеф более динамичны, т. к. связаны с динамичностью биогеоценозов. Микрорельеф создается деятельностью норных животных, землероев, ветровальными процессами. Именно развитие микрорельефа по-настоящему циклично. Так, выброс крота превращается в почву через 20 лет, а вывалы деревьев сравниваются с почвой через 200 лет.

В последующих разделах будет рассмотрена динамика всех почвенных свойств – как внешних, так и внутренних. В начале каждого из разделов, посвященных вопросам динамики, будет освещена изменчивость той или иной группы свойств под влиянием природных (естественных) факторов, а затем раскрыта их антропогенная динамика.