Основы агрономии и зоотехнии

По данным Г. В. Лопатина, в  современную геологическую эпоху  на сушу в виде осадков выпадает 98 тыс. км3 воды, испаряется с поверхности  земли — 62, стекает 36 тыс. км3 (большой  геологический круговорот воды). При  этом вода уносит с поверхности суши в мировой океан 1,3∙104 млн т взвешенных частичек и 4,9 ∙ 103 млн т растворенных веществ. Под влиянием выветривания порода измельчается, приобретает рыхлость, пористость, влагоемкость и водопроницаемость. Таким образом, в результате выветривания в почвообразующих породах образуются легкорастворимые соединения, которые могут стать источниками пищи для растений и животных. При этом плотные породы приобретают ряд новых свойств, что дает им возможность поглощать влагу и обеспечивать водой и воздухом живые организмы.

С поселением зеленых растений и микрофлоры появляется возможность  для осуществления обмена веществ  между живыми и неживыми компонентами биосферы.

Под биологическим круговоротом веществ понимают поступление химических элементов и минеральных веществ из горных пород, почвы, атмосферы в живые организмы, синтез органических веществ и их разрушение, возвращение химических элементов в литосферу и атмосферу.

Современное представление  о биологическом обмене веществ основано на научных идеях В.И. Вернадского (1934) о роли живого вещества в биохимических процессах на нашей планете. Учение о биологическом круговороте веществ в почве разработано В.Р. Вильямсом (1939).

Процессы выветривания создают  условия для поселения растений на продуктах разрушения горных пород. Они не могут сразу превращать породу в почву, так как в рухляке выветривания нет устойчивых запасов питательных веществ и воды. Со временем появляются запасы гумуса и устойчивые запасы воды под влиянием гумуса, почвенная структура и другие элементы почвенного плодородия. Эти свойства приобретаются породой в результате формирования на ней зеленых растений, которые способствуют, во-первых, отложению на поверхности породы и в ее верхних слоях значительной массы органических остатков. Накопление и превращение их приводит к созданию нового вида органического вещества — гумуса. Во-вторых, корни растений, микроорганизмы и животные извлекают из породы питательные, так называемые органогенные элементы (Са, М, К, Р, S и некоторые другие). После отмирания живых организмов эти зольные элементы вновь возвращаются в породы, но уже в другой форме и сосредотачиваются главным образом в верхних слоях породы.

Таким образом, происходит биологическое  передвижение (миграция) зольных и  других биогенных элементов и  их накопление (аккумуляция).

Особенно важная роль в  биологическом обмене веществ принадлежит зеленым растениям. По данным Л.Е. Родина и Н.И. Базилевич (1965), максимальное накопление органического вещества наблюдается в лесных сообществах (2200-4000 ц/га), а луговые степи создают 250 ц/га биомассы.

В результате биологического обмена почва обогащается углеродом, азотом, фосфором, кальцием, магнием, калием и другими химическими элементами, которых мало содержится в горных породах. Сущность биологического обмена химических элементов состоит во взаимосвязи процесса создания живого органического вещества с процессом разрушения мертвого органического вещества. Зеленые растения и другие живые организмы поглощают минеральные соединения, аккумулируют их. Зеленое растение создает из них живое органическое вещество. После завершения жизненного цикла растения и животные отмирают. Мертвое органическое вещество в процессе минерализации разрушается до простых органических соединений и минеральных солей. Зеленые растения способны поглощать эти вещества и создавать вновь живое органическое вещество.

Биологический обмен веществ  обусловливает взаимосвязь и  взаимозависимость литосферы, атмосферы  и биосферы и является частью большого геологического круговорота веществ  на земной поверхности. Малый биологический  круговорот веществ по своей природе  противоположен большому геологическому. При геологическом круговороте порода теряет безвозвратно питательные вещества, тогда как при биологическом обмене происходит их аккумуляция в верхнем слое литосферы. С появлением и накоплением биогенных элементов порода вовлекается в новый природный процесс, называемый почвообразовательным.

Таким образом, наличие малого биологического круговорота веществ  является одним из главных условий  для возникновения последующего процесса почвообразования.

П.А. Костычев рассматривал почвообразование как исключительно биологический процесс. Биологическую теорию почвообразовательного процесса развивал В.Р. Вильямс. Сущность почвообразовательного процесса, по его мнению, заключается в синтезе и разрушении органических веществ. В.Р. Вильямс создал учение о почвообразовательных процессах, исключительную роль в которых он отводил растительности, связывая изменения в направлениях почвообразовательного процесса со сменой растительных формаций. Ведущее положение биологического фактора в почвообразовании определяется тем, что высшие растения, благодаря опаду, вовлекают в процесс почвообразования радиационную энергию Солнца, трансформируя ее в процессе фотосинтеза в энергию химическую. Одновременно с этим высшие растения, также благодаря опаду, вызывают при участии радиационной энергии, трансформированной в тепловую, сорбционную и капиллярную, восходящее движение минеральных веществ из глубоких слоев почвы на ее поверхность, определяя при этом и состав этого потока. Само же включение трансформированной радиационной энергии в процесс почвообразования происходит и при участии других живых организмов, например, некоторых микроорганизмов, в том числе бактерий, водорослей, простейших животных, составляющих живую фазу почв и осуществляющих разложение растительного опада.

Целый ряд органических веществ, которые, по-видимому, сопутствуют появлению  почвы и играют существенную роль при разрушении (выветривании) как  первичных, так и вторичных минералов  и мобилизации продуктов этого  разрушения. В результате деятельности живой фазы происходит ложное преобразование, например, фиксация из атмосферы молекулярного азота бобовыми культурами, освобождение зольных элементов, находящихся в составе остатков высших растений, и перевод их в формы, доступные для сельскохозяйственных растений.

Вместе с тем жизнедеятельность  биофазы, физико-химические преобразования ведут к образованию гумуса, т.е. более или менее устойчивой органической составной части почвы, в которой аккумулируется радиационная энергия, трансформированная в энергию химическую. В результате этих процессов создается запас химической энергии.

С одной стороны, обмен  веществами и энергией между почвой и другими природными телами, такими, как грунт, атмосфера, живое вещество, с другой — поступление радиационной энергии, жизнедеятельность живой фазы почвы и влияние гравитационного поля Земли — вот важнейшие причины превращения и передвижения веществ и энергии в почве. Все это является причиной возникновения разнообразных по своей природе, характеру, содержанию и сущности взаимосвязанных почвенных процессов.

Таким образом, сущностью  почвообразовательного процесса являются биологический обмен веществ и энергии, процессы синтеза и разрушения органического вещества, при которых почвообразующая порода непрерывно взаимодействует с растениями и животными, с продуктами их жизнедеятельности, а также с продуктами разложения органических остатков.

Почвообразование представляет собой очень сложный комплекс разнообразных по природе процессов. Можно выделить три группы относительно простых процессов преобразования вещества и энергии в почвах, условно  называемых микропроцессами.

1. Процессы обмена веществами  и энергией между почвой и  другими природными телами. Поступление  в почву веществ и энергии  и вынос их из нее, например, многосторонний обмен газами  в системе атмосфера — почва  — растение, или поступление воды в почву и выделение ее из почвы.

2. Процессы превращения  вещества и энергии, происходящие в самом почвенном теле, например, бесчисленные и разнообразные реакции разложения органических соединений, входящих в состав растительного опада, или разложение и превращение минералов в почве.

3. Процессы передвижения  веществ и энергии в почвенном теле. Передвижение воздуха внутри почвы при изменении атмосферного давления и температуры или перемещение жидкой влаги под влиянием силы тяжести.

Характерная черта почвообразовательного  процесса — его цикличность. С  одной стороны, она подчинена  существующему в природе тройному (суточный, годичный и многолетний) ритму поступления на поверхность почвы радиационной энергии, связанному с вращением Земли вокруг своей оси, ее обращением вокруг Солнца, многолетними колебаниями активности Солнца. С другой — биологическому ритму развития растений, который определяет интенсивность и направленность процессов обмена вещества и энергии — вначале в почвообразующей породе, а затем и в почве.

Цикличность почвообразования обусловлена возникновением и взаимной сменой слагающих его микропроцессов противоположного характера и направления. Примерами такой смены являются: нагревание и охлаждение почвы; ее увлажнение и иссушение; реакции разложения органических веществ и синтез гумусовых соединений. Вместе с тем в почве процессы идут в одном направлении, хотя и с переменной скоростью. Так происходит, например, распад первичных минералов. Кроме этого, еще целый ряд превращений в почве имеет необратимый характер. Часть веществ удаляется из данной почвы с нисходящими токами почвенных растворов и достигает грунтовых вод. Много растворимых соединений вымывается из растительного опада верхних горизонтов и выносится с поверхностным или внутрипочвенным стоком. Вещества, перемещаемые в почвенном теле, могут терять подвижность и аккумулироваться в определенных местах.

Цикличность почвообразования характеризуется тем, что циклы  разной продолжительности и разной степени выраженности сочетаются друг с другом. В большинстве случаев наиболее резко выражен годичный цикл, так как ему свойственны наибольшая амплитуда изменений условий, в особенности радиационных и тепловых, например, при чередовании сезонов года. Однако полной обратимости, т.е. полного замыкания цикла, полной компенсации одного полуцикла, как правило, не возникает. По окончании цикла всегда сокращаются некоторые остаточные изменения. В следующих друг за другом циклах остаточные изменения, а также целый ряд необратимых процессов способствуют прогрессивному необратимому процессу, который можно назвать почвообразовательным. В результате этих процессов происходит зарождение, становление и развитие обособленных почвенных слоев. В почвоведении их называют генетические горизонты.

Генетический горизонт — относительно однородный, расположенный, как правило, параллельно земной поверхности, слой почвы, обособленный в результате почвообразования. Генетические горизонты отличаются по химическому и минералогическому составу, физическим, физико-химическим и водно-физическим свойствам, а также по морфологическим (внешним) признакам. Они выделяются по цвету, механическому составу, структуре, сложению, плотности, характеру новообразований, включений и другим свойствам.

Основными генетическими  горизонтами являются следующие:

1. Лесная подстилка (Ао) — горизонт, представляющий собой наземный опад растений разной степени разложения, например, опавшие листья, хвоя, ветки и т.д., на лугах и в степях — дернина (Ад, сплошное переплетение корней с почвенными частичками) или степной войлок (А0, опавшие листья и стебли, а также живые и мертвые узлы кущения травянистых растений).

2. Гумусово-аккумулятивный  горизонт (А) образуется в верхней  части профиля почв, куда поступает  максимальное количество наземных  и корневых остатков. В результате  гумификации и накопления в  нем гумуса этот горизонт имеет  более темную окраску по сравнению  с другими горизонтами. Мощность  его может изменяться от нескольких  сантиметров до нескольких метров.

3. Пахотный горизонт (Ап) выделяют на всех пахотных угодьях. Этот слой представляет смесь горизонтов и образуется в результате вспашки почв. В зависимости от типа почвы, мощности пахотного горизонта в этот слой входит лесная подстилка (А0), или (Ад), а также весь гумусовый горизонт (А1) или его часть. Если мощность пахотного слоя превышает мощность горизонта А1, то в этот почвенный горизонт войдут и расположенные ниже горизонты, например, А2 или А2В и В в подзолистых почвах.

Элювиальные горизонты (А2) образуются в результате вымывания из них различных продуктов почвообразования и накопления устойчивых труднорастворимых минералов среди которых наиболее часто встречаются кварц и некоторые другие первичные минералы. Вымывание окрашенных веществ, таких, как гумус, соединения железа и остаточное накопление минералов, имеющих светлую окраску или содержащих SiO2, обусловливает светлую с белесым оттенком окраску элювиальных горизонтов. Вымывание глинистых частиц и коллоидов приводит к остаточному накоплению песчаных или пылеватых фракций механических элементов. Поэтому элювиальные горизонты выделяются среди других слоев более легким механическим составом, пылеватой, непрочной пластинчатой или листоватой структурой.

Иллювиальный горизонт (В) формируется в средней или  нижней части профиля за счет вымывания  из верхних генетических горизонтов продуктов почвообразования, например, из А2, и закрепления в этом слое почв благодаря испарению растворов, изменению физико-химических и термодинамических условий почвообразования. Иллювиальный горизонт отличается более тяжелым механическим составом, чем вышележащие горизонты и почвообразующие породы, и имеет более плотное сложение, обладает, как правило, призматической, глыбистой, а в некоторых почвах столбчатой структурой. Он более обогащен минеральными, органическими и органо-минеральными веществами, чем верхние горизонты. По составу аккумулирующихся веществ выделяют следующие иллювиальные горизонты: железистые (ВFе), гумусовые (Вh), карбонатные (ВСа), гипсовые (ВCS), а также обогащенные глинистыми частицами (Вt) и илом (Bi). В некоторых почвах можно наблюдать систему иллювиальных горизонтов, располагающихся один над другим. Встречаются почвы, в которых выделяют карбонатные (ВCa), а ниже — гипсовый горизонты (ВCS). В почвах, где не происходит сильного разрушения и перемещения минеральной части, например, черноземах, индексом В обозначается не иллювиальный, а переходный горизонт от гумусово-аккумулятивного (А) к почвообразующей породе (С).