Лекція № 3

Тема: Загальна схема грунтоутворення

План

1.Визначення процесу ґрунтоутворення, його спрямованість.

2.Баланс ґрунтоутворення.

3.Стадії ґрунтоутворення.

4.Еволюція ґрунтів.

5.Енергетика ґрунтоутворювального процесу.

1. Визначення процесу ґрунтоутворення, його спрямованість

Процес ґрунтоутворення - це сукупність явищ перетворення речовин і енергії у верхньому шарі земної кори під впливом комплексу природних факторів.Загальний процес ґрунтоутворення складається з комплексу біохімічних, хімічних, фізичних і фізико-хімічних процесів. Ґрунтоутворення починається з моменту поселення живих організмів на скельних породах або на пухких продуктах гіпергенезу і в своєму розвитку проходить ряд стадій. Вивчення теорії ґрунтоутворення зв'язано з іменами В.В.Докучаєва, П.А.Костичева, Н.М.Сібірцева, В.В.Вільямса; сучасних вчених - В.А.Ковди, І. П.Герасімова, А.А.Родя, Б.Розанова.

Грунт - арена взаємодії малого біологічного і великого геологічного кругообігу речовин. Вчення про біологічний кругообіг речовин в ґрунті розробив В.Р.Вільямс на основі наукових ідей В.І.Вернадського про роль живих організмів в біохімічних процесах на нашій планеті.

Під біологічним кругообігом речовин розуміють надходження з ґрунту, гірських порід і атмосфери в організми хімічних елементів, синтез органічних речовин, розкладання їх мікроорганізмами і повернення хімічних елементів в грунт і атмосферу. В результаті біологічного кругообігу речовин ґрунтоутворююча порода взаємодіє з живими організмами та продуктами їх життєдіяльності. В цьому і полягає суть процесу ґрунтоутворення.

Одночасно під впливом великого (геологічного) кругообігу хімічні елементи мігрують по профілю ґрунту, що зумовлює формування його хімічного складу.

Мінеральні ґрунти утворюються на суглинкових, піщаних і глинистих породах. Найхарактернішими їх рисами є наявність гумусостійкої колоїдної органічної речовини, висока щільність мікрофлори, вміст необхідних рослині поживних елементів у рухомому стані, забеспеченість водою і киснем. Грунт нерозривно пов'язаний з рослинністю і, за визначенням відомого ґрунтознавця та основоположника ґрунтової мікробіології П.А.Костичева, є шаром землі до тієї глибини, до якої поширюється більша частина маси коріння.

Найголовніша роль рослинності в ґрунтоутворенні - постачання енергетичного матеріалу для мікроорганізмів. Останні, розкладаючи рослинні рештки, не лише вивільняють поживні речовини для нових поколінь рослин, являючись при цьому однією з найважливіших ланок кругообігу елементів, а й одночасно руйнують мінерали і збагачують ґрунти рухомими зольними елементами. Таким чином, в ґрунтах зростає кількість як рухомих мікроелементів і елементів: калію, заліза, фосфору, сірки, так і вміст азоту. Всі ці елементи втягуються в біологічний кругообіг, масштаби якого наростають, разом з тим зростає біомаса рослин і тварин, яка в свою чергу стимулює життєдіяльність мікроорганізмів. Так поступово на геологічній породі формується високородючий субстрат - грунт.

Найбільш важливими складовими процеса ґрунтоутворення є:

1.Перетворення мінералів горної породи, з якої утворюється грунт;

2.Накопичення в неї органічних рештків і їх повільна трансформація;

3.Взаємодія мінеральних і органічних речовин з утворенням складної системи органо-мінеральних сполук;

4.Акумуляція у верхнїй частині ґрунту низьких біофільних елементів, перш за все - елементів живлення;

5.Пересування продуктів ґрунтоутворення зі струмом води в профілі грунту, що формується.

Взаємодія біологічного і геологічного кругообігів проявляється через ряд протилежно спрямованих процесів, які відбуваються в ґрунті у процесі його формування. Б.Г.Розанов (1988) наводить 13 таких процесів:

1.Руйнування первинних і вторинних мінералів - неосинтез мінералів.

2.Біологічна акумуляція елементів в ґрунті - засвоєння хімічних елементів організмами з грунту.

3.Гідрогенна акумуляція елементів в ґрунті - геохімічне винесення елементів з ґрунту.

4.Розкладання органічних сполук - синтез нових органічних сполук.

5.Вбирання іонів з розчину твердою фазою грунту - перехід іонів з твердої фази в розчин.

6.Розчинення речовин - випадання речовин в осад.

7.Пептизація колоїдів - коагуляція колоїдів.

8.Низхідний рух розчинів - висхідний рух розчинів.

9.Зволоження ґрунтової маси - висихання ґрунтової маси.

10.Набухання ґрунту - усадка ґрунту.

11.Нагрівання ґрунту - охолодження ґрунту.

12.Окислення - відновлення.

13.Фіксація азоту - денітрифікація.

Сукупність цих процесів і становить загальний процес ґрунтоутворення.

2.Баланс ґрунтоутворення

Ґрунтоутворюючий процес складається з 4-х компонентів речовинно-енергетичного балансу:

1)притоку речовини й енергії в ґрунт;

2)перетворення речовин і енергії в ґрунті;

3)переміщення речовин і енергії в ґрунті;

4)відтоку речовин і енергії з ґрунту.

Всі ці складові утворюють єдність, визначають направленість ґрунтоутворюючого процесу, будову, склад і властивості ґрунт. Баланс речовин при ґрунтоутворенні - це співвідношення між приходом речовин в ґрунт та їх відтоком з нього за певний відрізок час.

В.А. Ковда визначив декілька форм балансу речовин залежно від довжини охопленого ним часу: 1) віковий, який має геологічний відрізок часу і зв'язаний з формуванням геоморфології місцевості;

2) періодичний (циклічний), який охоплює відрізок часу приблизно 11-22 років, очевидно, пов'язаний з періодичною активністю Сонця;

3)річний, який вкладається в річний гідрологічний цикл територі

4)на зрошуваній території виділяють міжполивний баланс речовин, який складається з коротких відрізків часу між поливами.

Можна виділити окремо баланс органічної речовини, азот> води, мінеральних елементів, легкорозчинних солей.

У процесі ґрунтоутворення розрізняються прибуткові і видаї кові статті балансу.

До прибуткових статей балансу належать:

1)прихід С, М, зольних елементів з опадом і рештками рослин і тварин;

2)прихід тих самих елементів з кореневими виділеннями;

3)прихід N з атмосфери за рахунок азотфіксаторів;

4)прихід N з опадами;

5)прихід речовин з вітровим пилом;

6)прихід з твердим поверхневим стоком;

7)прихід з рідким поверхневим стоком;

8)прихід з капілярною каймою ґрунтових вод;

9)прихід з боковим (внутрішнім ґрунтовим) стоком;

10)прихід з добривами, меліорантами, зрошуваною водою.

Видатковістатті балансу ґрунту:

1) захоплення рослинами N і зольних елементів для утворення щорічного приросту;

2)втрати азоту за рахунок денітрифікації;

3)втрати С при мінералізації рослинного опаду і гумусу;

4)вимивання речовин низхідним током води за границю ґрунто­вого профілю - у грунтові води;

5)винос речовин всередині ґрунтовим стоком;

6)винос речовин поверхневим твердим стоком;

7)винос речовин поверхневим рідким стоком;

8)втрата речовин за рахунок дефляції;

9)винос N. С, мінеральних елементів з урожаєм сільськогоспо­дарських культур, сіном, деревиною.

Різні речовини в одному і тому ж ґрунті можуть мати різний баланс: позитивний, від'ємний, нульовий.

Позитивнийбаланс характеризується акумуляцією речовин у ґрунті, яка може бути абсолютною, відносною, залишковою. Глобальне значення має абсолютна акумуляція вуглецю і азоту атмос­фери, що відбувається в процесі життєдіяльності зелених рослин і азотофіксуючих мікроорганізмів. Ці елементи накопичуються у лісовій підстилці, степовій повсті, в гумусовому горизонті. Акуму­ляція може бути зумовлена надходженням речовин в грунт із ґрунто­вих вод, поверхневого і бокового стоків води. Це характерно для аридного клімату: вода випаровується, а речовини залишаються в гранті. В гумідному кліматі зазвичай речовини не накопичуються, оскільки винос перевищує прихід речовин. Однак можуть накопичу­ватися кремній, алюміній, залізо, кальцій у вигляді СаСО₃, що спри­чинене привнесенням твердих частинок заплавними водами, делю­віальним стоком, вітром. Формуються ґрунти абсолютного акуму­ляційного балансу речовин: заплавні, намиті, навіяні.

Відносна акумуляція речовин - збагачення верхньої частини профілю ґрунту мінеральними ліофільними елементами внаслі­док перекачування цих елементів рослинами з нижніх горизонтів або з нижньої частини тонші у поверхневі горизонти, хоч і руні в цілому їх не накопичує.

Вона залежить від вибіркової здатності рослин поглинати по­живні речовини. Про ступінь відносної акумуляції різних хімічних елементів судять за коефіцієнтом біологічного поглинання А:

Ax = lx/nx

деlх - вміст елемента х у золі рослин; nх - вміст елемента х у ґрунті, на якому росте рослина: для Р і S дорівнює 100 n; Са, Мg, К дорівнює10 n; Мn, Сu, Мо дорівнює n; Sі, Аl, Fе, Ті, Vдорівнює 0,1-0,001 n.

Як визначив О.І.Перельман, залишкова акумуляція - це віднос­не накопичення в ґрунті речовин, які залишаються на місці при виносі інших, більш рухливих компонентів.

Від'ємнийбаланс спостерігається, коли винос речовин переви­щує їх привнесення. Це відбувається в гумідних областях та ще на гірських еродованих схилах: привнесення речовин не компенсує вино­су їх поверхневим чи внутрігрунтовим низхідним током. Збіднення ґрунтів може бути загальнопрофільне і погоризонтне. Наприклад, профіль підзолистого ґрунту збіднений на катіони; в аридних ґрунтах відбувається винос легкорозчинних солей тільки на деяку глибину.

Нульовийбаланс характеризується тим, що винос І притік ре­човин скомпенсовані.

Водний баланс і водний режим ґрунтів є регуляторами балансу речовин. В.А. Ковда виділив такі типи балансу речовин: різко від'ємний, від'ємний, зрівноважений, змінний, позитивний, накопичу­вальний.

Різко від'ємний - характерний для схилів рівнинних територій з ерозійно-промивним водним режимом, для розораних схилів рівнин­них територій:

S = S0 + R - FSs - FSm - FL

де S - кількість речовин у кінці балансового періоду;

Sо - на початку балансового періоду;

R - кількість речовини атмосферних опадів;

FSs - поверхневого стоку (розчинний матеріал);

FSm - поверхневого стоку (твердий матеріал);

FL - внутрігрунтовий боковий стік.

Від'ємний баланс - властивий для територій з промивним вод­ним режимом, формується на дренованих плато і рівнинах з глибоки­ми ґрунтовими водами; опади переважають над випаровуванням:

S = S0 + R - FSs - FSm - FL - In

де Іn - інфільтрація (низхідний стік). У таких умовах формуються грунти під лісом.

Зрівноважений балансспостерігається при непромивному вод­ному режимі, характерний для територій аридного і напіваридногоклімату.

3 Стадійність ґрунтоутворення

Характер проходження окремих стадій грунтоутворення зумовлений комплексомфакторів в різних природно-кліматичних зонах земної кулі.

1.Стадія початкового ґрунтоутворення часто збігається з процесом вивітрювання скельних гірських порід. Ця стадія триває довго, оскільки ґрунтоутворення охоплює незначний шар субстрату. Малопотужний профіль слабко диференційований на генетичні горизонти (рис. 9).

Вже на початковій стадії функціювання екосистем відбувається біологічний кругообіг з циклічними процесами продукування біомаси та її відмирання. Характерною рисою біологічного кругообігу є його незначний об'єм, низька біологічна продуційність екосистем, що заселені нижчими рослинами - грибами, мхами, лішайниками. На початковій стадії відбуваються процеси небіологічні - розчинення, дифузія, випаровування тощо.

Приклади:

§у результаті регресії моря і виходу донних відкладень на поверхні;

§збільшення суші при відступленні льодників;

§при осушенні дельт рік та іншої антропогенної діяльності;

§відслонення відкритих кар'єрів і насипів.

2.Стадія розвитку ґрунту відбувається на пухких відкладах великої потужності і завершується диференціацією профілю на генетичні горизонти. Між морфологічними ознаками і властивостями ґрунту, з одного боку, і факторами ґрунтоутворення, з другого, встановлюється динамічна рівновага. Ця стадія відбувається інтенсивно. Її першою ознакою є значне зростання біологічної продуційності наземних екосистем. У результаті біологічного поглинання і перетворення елементи повертаються у грунт в якісно-новому стані - доступними для послідуючих живих організмів. Утворюється резервний фонд доступних елементів, який в декілька разів перевищує можливий вміст їх в організмах - обмінний фонд. (Таблиця - результати трансформації сполук деяких елементів при ґрунтоутворенні.)

Вуглевод С

Кругообіг С починається з фіксування атмосферного СО₂ в процесі фотосинтезу. Утворені вуглеводи йдуть на будову живого організму, а також використовуються рослинами для одержання енергії шляхом її окислення в процесі дихання. Продуктами рослин живиться тваринний світ, людина, які також в процесі дихання повертають значну кількість СО₂ в атмосферу. Мертві рослини, тварини, комахи розкладаються в ґрунті мікроорганізмами. Вуглець їх тканини окислюється до СО₂ і таким чином повертається в атмосферу. Частково розклад решток живого світу здійснюється через гуміфікацію - процес утворення гумусу.

Азот N

Початковим вузловим моментом кругообігу азоту можна вважати фіксацію елемента з атмосфери. Фіксований азот потрапляє в грунт, звідки його використовують рослини як поживний елемент. Рослини живляться як аміачною формою азоту, так і нітратною. Нітратний азот являє собою найбільш доступну сполуку.

Завдяки фіксації азоту різноманітними видами мікроорганізмів в ґрунтах (у складі гумусових сполук) на відміну від ґрунтоутворюючих пород нагромадився цей елемент.

Фосфор Р

Мінеральні фосфати представлені в ґрунтах здебільшого сполуками Са₃(РО₄)₂, FePO₄, AlPO₄, які розчиняються деякими формами бактерій і грибів.

Кількість фосфору в органічних і мінеральних сполуках ґрунтів приблизно рівна. Рослини живляться водорозчинними сполуками Н₂РО₄^-, НРО₄^2-, їх кількість мала.

Результати трансформації сполук деяких елементів при грунтоутворенні

В таблиці для прикладу показані результати трансформації сполук п'яти біофільних елементів в процесі грунтоутворювання. Найбільш масштабний результат біологічної трансформації сполук азоту в ґрунті - формування фонду азотскладаючих органічних речовин гумусової природи.

На стадіі розвитку грунту відбувається перебудова фізичного стану ґрунту. Всі процеси можна об'єднати у 2 великі групи:

1)Мезопроцеси - формуються специфічні властивості грунту (але не їх типи). Виникає просторова диференціація властивостей і процесів на агрегатному і горизонтному рівні.

2)Макропроцеси - призводять до формування певних типів грунтів.

Багато з цих процесів мають циклічний характер.

Всі ґрунтоутворюючі процеси О.А.Роде поділив на макропроцеси і мікропроцеси. Макропроцес охоплює весь профіль грунту в цілому, а мікропроцеси відбуваються в межах ізольованих ділянок грунтового профілю. Макропроцеси, які є специфічними для ґрунтоутворення, І.П.Герасимов назвав елементарними ґрунтовими процесами (ЕГП). Цей термін набув загального визнання серед грунтознавців.

Аналізуючи та узагальнюючи концепції О.А.Роде і І.П.Герасимова, Б.Г.Розанов (1988) всі ЕГП поділив на сім груп, а саме:

1.Біогенно-акумулятивні (гумусоутворення, торфоутворення).

2.Гідрогенно-акумулятивні (засолення, оруднення, загіпсовування).

3.Метаморфічні (оглеєння, озалізнення, сіалітизація).

4.Елювіальні (вилуговування, опідзолення, осолодіння).

5.Ілювіально-акумулятивні (підзолисто-ілювіальний, глинисто-ілювіальний).

6.Педотурбаційні (спучування, розтріскування, кріотурбація).

7.Деструктивні (ерозія, дефляція, поховання).

Таким чином, процес ґрунтоутворення - це сукупність різноманітних елементарних ґрунтових процесів, які формують склад твердої фази ґрунту, розчину і ґрунтового повітря, будову і властивості грунту.

3.Стадія рівноваги (клімаксний стан) триває невизначений час. Між ґрунтом і комплексом факторів підтримується динамічна рівновага. На стадії рівноваги всі групи процесів узгоджені у просторі та часі, у сукупності складають єдиний біогеохімічний процес, його стабільність сприяє прояву важливішої якості зрілих ґрунтів - самовідродженню всіх властивостей, що характерні для даного типа ґрунтів.

4.У процесі еволюції екологічної системи елементи ландшафту (фактори ґрунтоутворення) можуть зазнавати тих чи інших змін (зміна клімату, рослинності, порушення екосистеми людиною тощо). Такі зміни зумовлюють зміни в процесі ґрунтоутворення. Настає стадія еволюції ґрунту, яка зумовлює перехід його до нової стадії рівноваги нового ґрунту з новим профілем (заболочування автоморфних ґрунтів, перехід солончаку в солонець, формування чорнозему з лучного ґрунту при зниженні рівня ґрунтових вод тощо). На тому самому субстраті такі еволюційні цикли можуть відбуватися кілька разів.

4 Еволюція ґрунтів

Сукупність всіх змін у ґрунті від початка його утворення (нуль-момент) до теперішнього часу називають еволюцією ґрунтів.

В своїх працях В.В.Докучаєв вказував, що сучасні ґрунти є продукт тривалої і складної геологічної історії земної поверхні. Грунт не може виникнути миттєво, тривалий час залишатись незмінним, а потім раптово зникнути. Для формування ґрунту потрібен певний час.

Процес ґрунтоутворення, як і будь-який природний процес, має свій початок, етапи розвитку, певну швидкість і час завершення.

Ґрунтоутворення починається з моменту поселення живих організмів на пухкій вивітреній породі.

В літературі наведено чимало фактів про час, потрібний для утворення зрілого грунту. Ще В.В.Докучаєв (1883) встановив, що на вапнякових плитах Староладозької фортеці за 760 років утворився грунт, аналогічний ґрунтам, які сформовані на різному роду вапнякових відкладах. На стінах Кам'янець-Подільської фортеці з 1700 р. до 1930 р. сформувався грунт потужністю 30 см. За даними шведського ґрунтознавця О.Тамма, для розвитку підзолистого грунту (А - 10 см; Е - 10 см і В - 25 см) потрібно 1000-1500 років. М.І.Горбунов (1960), вивчаючи вулканічні ґрунти, встановив, що на лавах тисячолітнього віку сформувався грунт потужністю 30-40 см.

За спостереженнями багатьох вчених 1 см гумусового горизонту ґрунту в умовах помірного поясу формується за 100-200 років, а повний профіль сучасного гранту - від кількох тисяч років.

З появою організмів на сушістав розвиватися первинний ґрунтоутворювальний процес. Першими організмами на Землі були бактерії, які з'явилися в нижньопалеозойський період (понад 500 млн років тому). Вчені припускають, що під їх впливом формувалися примітивні ґрунти, подібні до тих, які формуються в наш час в умовах високогір'я.

Еволюція рослинних організмів обумовлена розвитком органів, що засвоюють воду з поживними речовинами.

У кінці силурійського періоду, коли на Землі з'явилися рослини псилофіти (400 млн років тому), на планеті розпочався новий етап ґрунтоутворення. Під їх впливом на перезволожених узбережжях морів сформувалися вологі ґрунти. Ці грунти є найстарішими на Землі. До нашого часу дійшли викопні рештки цих ґрунтів (горючі сланці Ленінградської області іЕстонії).

В аналогічних умовах формуються подібні ґрунти і в наш час.

350-360 млн років тому в кінці девонського періоду псилофіти зникли і на їх зміну прийшли папороті і хвощі. Вони мали кореневу систему і в карбоні займали великі території суші з тропічним і субтропічним кліматом. В таких умовах формувались фералітні ґрунти, подібні до сучасних тропічних і субтропічних ґрунтів. При добуванні вугілля в Донбасі виявлено ґрунти, вік яких понад 300 млн років, але вони мають ознаки і властивості сучасних ґрунтів.

У пермський період ( 285-240 млн років тому) відбулися різкі кліматичні зміни. На значних територіях суші встановився аридний, пустинний клімат, а в інших - холодний гумідний. Вважають, що інтенсивне випаровування і кріогенні процеси зумовили формування пустинних, засолених, мерзлотних ґрунтів. В умовах помірно холодного вологого клімату почали формуватися ґрунти, подібні до підзолистих.

У крейдяному періоді виникли покритонасінні, які по-перше були представлені деревними рослинами. Всисна поверхня кореневої системи деревних рослин менша ніж випаровуюча поверхня їх листя. Деревні рослини поглинають та засвоюють азот та зольні елементи. Вони накопичуються в листях і восени з опадом повертаються в грунт.

З появою трав'янистої рослинності, особливо злаків, що виникли і отримали широкого розповсюдження у третинному періоді, почав розвиватися новий дерновий ґрунтоутворювальний процес, особливістю якого є накопичення гумусу. У трав'янистих рослин коренева система розгалужена, її поглинаюча поверхня у багато разів більша за випаровуючу поверхню надземних органів. Це призводить до збільшення засвоєння рослинами азоту та зольних елементів у порівняні з деревними.

Протягом наступних 120-130 млн років не було умов для виникнення нових ґрунтів. Лише в еоцені виникли нові природні ландшафти - степи. В цей період почали формуватися черноземи і каштанові ґрунти.

На початку четвертинного періоду утворилася тундра, а дещо пізніше виникли сфагнові болота. В цей період почали формуватися тундрові і торфово-болотні ґрунти. Ознакою завершення формування ґрунту - є чітка диференціація профілю на генетичні горизонти.

5. Енергетика грунтоутворення

Поряд з обміном речовин в процесі грунтоутворення відбувається обмін енергії. Грунт, як самостійне природне тіло,є певною термодинамічною системою. Основні положення енергетики ґрунтоутворення розробив В.Р.Волобуєв.

Основним джерелом теплової енергії для всіх процесів ґрунтоутворення є сонячна радіація. Інші джерела енергії (тепло, що надходить з глибин Землі, енергія радіоактивного розпаду) не мають суттєвого значення в тепловому балансі ґрунтів. Протягом року Земля одержує від Сонця 21 · 10²° кДж енергії. Однак не вся ця енергія бере участь у ґрунтоутворенні. Згідно з даними В.Р.Волобуєва (1963), енергія, яка бере участь у ґрунтоутворенні, витрачається на випаровування, транспірацію, вивітрювання, перетворення органічних і мінеральних речовин мікроорганізмами, механічне переміщення солей та тонкодисперсних часток. Значна частина енергії акумулюється в гумусі. За даними В.А.Ковди (1973), сумарний запас гумусу на суші нашої планети становить 2,4 · 10¹² т, в якому акумульовано 5,44 · 10¹ª кДж внутрішньої енергії.

Сумарні витрати енергії на ґрунтоутворення найменші в тундрі і пустинях (8-20 кДж/см²·рік), найбільші у вологих тропіках (250-290 кДж/см²· рік)та в лісовій і степовій зонах помірного поясу (42-167 кДЖ/см²·рік). На- ведені дані свідчать про те, що інтенсивність ґрунтоутворення у вологих тропіках в 7 разів вища, ніж в тропічних пустинях. Витрати енергії на ґрунтоутворення збільшуються від тундри до тропіків більш як у 20 разів. Основна частка енергії (95-99,5%) витрачається на випаровування і транспірацію, на біологічні процеси - 0,5-5,0%, на процеси вивітрювання - соті і тисячні частки процента.

Кількість енергії, яка витрачається на ґрунтоутворення, залежить від вологості ґрунту. Чим вища вологість ґрунту, тим більше енергії використовується на ґрунтоутворення. В сухому гранті процеси ґрунтоутворення практично припиняються.

Відношення суми енергії, витраченої на ґрунтоутворення до радіаційного балансу, В.Р.Волобуєв (1963) назвав повнотою використання радиаційної енергії. В аридних умовах повнота використання енергії на ґрунтоутворення незначна, в гумідних вона досягає 70-80%. На Землі немає умов, де б ця величина досягала одиниці.