Введение
1. Понятие о почве
Почвоведение – наука о почве, ее строении, составе, свойствах и географическом распространении, закономерностях происхождения, развития, функционирования и роли в природе и обществе, путях и методах мелиорации, охраны и рационального использования в хозяйственной деятельности человека.
Почвы представляют собой самостоятельную, сложную, особую биокосную оболочку Земли, покрывающую сушу материков. Поверхностные горизонты горных пород, подвергаясь воздействию многих поколений живых организмов, испытывая длительное влияние атмосферы и гидросферы, преображаются в почвенный покров. Почвенный покров – педосфера – является продуктом взаимодействия литосферы, атмосферы, гидросферы и биосферы.
Основатель почвоведения В.В. Докучаев дал первое научное обоснование почвы. Он определил, что почва есть результат совокупной деятельности и влияния ряда факторов: материнской породы, растительных и животных организмов, климата, рельефа местности и возраста страны.
В современном почвоведении принято следующее определение понятия почвы. Почва – это обладающая плодородием сложная полифункциональная и поликомпонентная открытая многофазная система в поверхностном слое коры выветривания горных пород, являющаяся комплексной функцией горной породы, организмов, климата, рельефа и времени. Полифункциональность почвы заключается в том, что она является одновременно природным телом, средой обитания многих живых организмов, средством сельскохозяйственного производства и т. д. Поликомпонентность почвы определяется огромным разнообразием входящих в ее состав органических и неорганических веществ. Эти вещества представлены различными физическими фазами (многофазность): твердой (минеральные и органические частицы), жидкой (почвенный раствор), газообразной (почвенный воздух) и особо выделяемой живой фазой (организмы). Почва является открытой системой, поскольку постоянно обменивается веществом и энергией с окружающей средой.
2. Роль почвы в природе и обществе
Почвенный покров и растительность представляют собой неразделимое единство – мировую почвенно-экологическую систему, в которой растения и почвы живут совместно. Растительность на суше появилась около полумиллиарда лет назад. Тогда же возник почвообразовательный процесс, который прошел очень сложную историю, тесно связанную с историей всего живого на нашей планете.
Почвенный покров суши в настоящее время насчитывает около двухсот типов почвообразования. Наблюдаемые современные подзолы, серые и бурые лесные почвы, черноземы, красноземы и другие почвы имеют различный возраст и возникли вместе с развитием живой природы в разные геологические эпохи. Они появлялись и исчезали на Земле, суша сменялась морем, морское дно становилось сушей, пустыни замещались лесами, ледники выпахивали громадные площади. Однако почвообразовательные процессы следовали за растительными сообществами, исчезая и возникая вновь, сменяя друг друга вместе с изменением всей географической среды.
Солнце – главнейший источник энергии в биосфере. Нормальное функционирование биосферы зависит от поступления солнечной энергии и фотосинтеза растений. Этот важнейший процесс, связывающий солнечную энергию в растительном органическом веществе, немыслим без огромной роли почвенного покрова и его плодородия.
Запасы фитомассы на нашей планете громадны. Они составляют 99 % от всего живого вещества Земли. Большая часть этого вещества сосредоточена в почвенных горизонтах. Например, травы на 60–80 % состоят из корней. Как подземная часть растений, так и надземная масса служат источником питания растительноядных животных, а те, в свою очередь, становятся добычей хищников или после отмирания поедаются другими животными и дальше – микроорганизмами.
В конечном итоге все органическое вещество так или иначе попадает в почву. Именно здесь наблюдается наибольшая концентрация организмов. Почва – незаменимый аккумулятор биологической энергии в биосфере. Преобладающая масса живого вещества суши и потенциальной биологической энергии сосредоточена в почвенном покрове.
В итоге биологического преобразования растительных и животных остатков в почвах происходит накопление особых органических веществ – почвенного гумуса. В нем консервируются многие жизненно необходимые элементы, закрепляется энергия солнца, которая когда-то вначале была накоплена зелеными растениями.
В почвах происходят различные явления интенсивного разрушения химических соединений как органической, так и минеральной природы. Результатом всех биологических превращений органических веществ растительных, животных остатков и почвенного гумуса является их минерализация, т. е. переход в почвенные растворы неорганических соединений – солей, кислот, углекислого газа и т. д. Разрушаются также силикатные и алюмосиликатные минералы почвы, которые достались ей в наследство от материнской породы. Много процессов участвует в этом разрушении. Почвоведение дает им сложную классификацию. Но главнейший результат всех этих явлений – образование простых химических соединений, поступление в почвенные растворы химических элементов, которые входили в состав минералов почвы.
В биосфере вряд ли можно найти место, где биогеохимиче-ские процессы разрушения веществ разной природы протекают столь интенсивно. Это обусловлено тем, что в почве происходит сложный контакт и взаимодействие всех природных сил: живого вещества, воды, воздуха, температуры, различных химических соединений и т. д. Но главное – всепобеждающее действие живых организмов и продуктов их жизнедеятельности во всех явлениях. И в результате всех этих процессов в подвижное (миграционное) состояние переходят почти все химические элементы, а в почве присутствуют практически все элементы периодической системы Менделеева. Почва – единство противоречий. Ее функционирование определяется как обязательным закреплением и аккумуляцией сложных химических веществ разной природы, так и обязательным переходом в растворимое подвижное состояние очень многих химических элементов.
Соотношение химических элементов в живом веществе и в горных породах различно. В почвах постоянно аккумулируются, закрепляются и переходят в подвижное состояние те химические элементы, которые обеспечивают жизнь. Избирательное накопление элементов в почвах возможно только при участии растений. Их корни ищут эти элементы глубоко в породах, перехватывают каждую частицу вещества, необходимого для жизни. В этом заключается процесс биологической аккумуляции химических элементов жизни.
Растения, накапливая в своем веществе элементы-биофилы, затем передают их почвенному гумусу и другим соединениям, тем самым постоянно улучшая среду обитания. Почвы закрепляют нужные для жизни химические элементы и становятся начальным звеном последующего усвоения и миграции этих элементов по цепям питания многих групп организмов. Но в конце концов они снова приходят к почве.
Не все химические элементы почвенных растворов усваиваются растениями. Они часто находятся в избыточных количествах и под влиянием нисходящих потоков воды, промывающих почвы ежедневно, вовлекаются в миграционные потоки, т. е. почвенный покров – начальное звено миграции многих химических элементов. С почвенными растворами они появляются в родниках. Химический состав воды наших рек в конечном итоге зависит от химического состава почвенных растворов тех территорий, откуда текут реки.
Почвенный покров выполняет в биосфере еще одну важнейшую роль: он, как и Мировой океан, – очиститель (пурификатор) планеты. В почве завершается разрушение многих органических и органо-минеральных соединений. Почва – приемник разнообразных отходов хозяйства и жизнедеятельности. Благодаря высокой концентрации жизни в почвах и проявляется свойство утилизировать, разлагать то, что оставляют после себя живые организмы. Способность почвы как пурификатора используется в некоторых городах для очистки канализационных и промышленных вод. Создаются специальные поля орошения, на которые поступают сточные воды и эффективно в почвенной среде проходят биологическую очистку.
Почва по отношению к человеческому обществу имеет двойственную природу. Во-первых, это базис, физическая среда, жизненное пространство для сооружения, размещения жилищ, населенных пунктов, промышленных предприятий, дорог, мест отдыха и т. д. Во-вторых, экономическая основа существования людей, основное средство производства в сельском хозяйстве, выступающее как предмет и орудие труда одновременно.
В заключение отметим, что необходимо различать понятия «почва» и «земля», как это характерно для других языков (лат. solum-terra, англ, soil-land и т. д.). Земля – понятие более сложное, включающее в себя не только почву, но и определенную часть земной поверхности в конкретном географическом пространстве. Это окружающая нас географическая обстановка: ландшафты, поселки, города, леса, луга, сады, пашни, водные пространства и т. д. И, конечно, Земля – название одной из планет Солнечной системы, на которой мы живем. Исходя из вышеизложенного можно определить особенности почвы как природного тела, ее биосферные функции и сельскохозяйственное значение.
Особенности почвы как природного тела:
1) почва занимает определенное место на нашей планете – это поверхностный горизонт земной коры, образующий небольшой по мощности слой. Почвенный покров Земли составляет педосферу. Верхняя граница почвы – поверхность раздела между почвой и атмосферой; нижняя граница – глубина проникновения почвообразовательных процессов (определение нижней границы почвы достаточно условно). Почва – неотъемлемая часть наземных биогеоценозов;
2) почва – глобальный результат возникновения и эволюции жизни на Земле, взаимодействия биоты с горными породами, выходящими на поверхность суши;
3) процессы в почве включены в сложные круговороты вещества и энергии на Земле (геологический и биологический);
4) почва – природное образование, уникальное по сложности вещественного состава;
5) для почв характерна сложная пространственная организация и дифференциация признаков, свойств и процессов;
6) общее и важнейшее качество почв – плодородие.
Биосферные функции почвы:
1) обеспечение существования жизни на Земле (почва – следствие жизни и одновременно условие ее существования);
2) обеспечение постоянного взаимодействия большого геологического и малого биологического круговоротов (циклов) веществ на земной поверхности;
3) регулирование химического состава атмосферы и гидросферы;
4) регулирование биосферных процессов, в частности плотности жизни на Земле;
5) аккумуляция органического вещества и связанной с ним химической энергии.
Сельскохозяйственное значение почвы состоит в том, что она является основным средством сельскохозяйственного производства, предметом труда и в известной степени продуктом этого труда. В настоящее время благодаря почвенному плодородию человечество получает 98 % продуктов питания, а также древесину, не синтетические продукты для разнообразных производств и многое другое.
3. Почвоведение в системе наук
Почвоведение принадлежит к наукам о природе, т. е. является естественнонаучной дисциплиной. Оно тесно соприкасается с фундаментальными науками (математика, физика, химия), естественно-историческими (биологией, геологией, географией), разного рода прикладными науками (земледелие, растениеводство, агрохимия, лесоводство, мелиорация, землеустройство, инженерное строительство, экономика сельского хозяйства, здравоохранение, охрана окружающей среды и др.).
Как любая другая наука, почвоведение имеет свои методы исследований, адекватные предмету исследований.
Прежде всего выделяется системный (комплексный) подход к изучению почвы, который подразумевает ее исследование в неразрывной взаимосвязи и взаимообусловленности с окружающими ее объектами и явлениями, т. е. исследование почвы как составной части (подсистемы) большей системы (биогеоценоза, биосферы). В то же время почва сама образована меньшими подсистемами.
Профильно-генетический метод требует обязательного изучения почвы с поверхности на всю ее глубину последовательно по генетическим горизонтам с последующим сопоставлением их свойств или параметров.
Морфологический метод позволяет изучать почвы и различать их по внешним (морфологическим) признакам: строению почвенного профиля, мощности почвы и ее отдельных горизонтов, окраске, гранулометрическому составу, структуре, сложению, новообразованиям, включениям и т. д. Различают три вида морфологического анализа: макроморфологически й – изучение почвы невооруженным глазом, мезоморфологический – с помощью лупы и бинокуляра, микро-морфологический – с использованием микроскопов. Морфологический анализ почвы является обязательным начальным этапом всех почвенных исследований.
Сравнительно-географический метод основан на изучении связей между пространственным изменением свойств и состава почв с географией факторов почвообразования. Использование этого метода позволяет делать обоснованные заключения о генезисе (происхождении) почв и закономерностях их географии.
Сравнительно-исторический метод базируется на принципе актуализма, что дает возможность исследовать прошлое почв на основании изучения их современного состояния: погребенных почв и почвенных горизонтов, реликтовых признаков почв и их сопоставления с современными процессами.
Биогеоценотический (экологический) метод подразумевает одновременное сопряженное изучение всех компонентов биогеоценоза: почвы, растений, животных, микроорганизмов, атмосферы, природных вод, горных пород с учетом конкретных условий географической среды.
Метод моделирования заключается в исследовании сложных объектов, явлений и процессов путем их упрощенного имитирования (натурного, математического, логического). В почвоведении широко используется постановка модельных экспериментов в лабораторных условиях или создание математических моделей тех или иных почвенных процессов.
Метод почвенных ключей основан на детальном исследовании небольших репрезентативных участков-ключей и интерполяции полученных результатов на крупные территории с однотипной структурой почвенного покрова, что позволяет изучать большие территориальные единицы с экономией средств и ресурсов.
Аэрокосмические методы включают инструментальное или визуальное изучение фотографий земной поверхности или ее прямое исследование с самолетов и космических аппаратов.
Физические, физико-химические, химические и биологические аналитические методы используются для изучения состава и свойств почв.
В зависимости от места проведения почвенные исследования бывают полевые и лабораторные. Полевые почвенные исследования включают экспедиционные и стационарные методы изучения почв.
Метод почвенных монолитов базируется на принципе физического моделирования почвенных процессов (передвижения влаги, солей и т. д.) на почвенных колонках (монолитах) ненарушенного строения, взятых особым образом из почвенного разреза.
Метод вегетационных сосудов широко используется для исследования взаимосвязей в системе почва – растение.
Метод почвенных вытяжек основан на гипотезе о том, что каждый растворитель (вода, растворы кислот, щелочей или солей разной концентрации, органические растворители – спирт, ацетон, бензол и т. п.) экстрагирует из почвы при контролируемых условиях взаимодействия какую-то определенную группу химических соединений.
Радиоизотопные методы применяются для изучения процессов миграции тех или иных элементов и их соединений в почвах и в экосистемах на основе меченых атомов (радиоактивных изотопов).