Факторы почвообразования

1.1. Истоки учения: В. В. Докучаев и «великий закон» почвообразования

До работ выдающегося русского геолога и почвоведа Василия Васильевича Докучаева в науке и практике господствовал геологический взгляд на почву как на просто рыхлую горную породу (или «измененную» породу), свойства которой определяются исключительно составом подстилающей толщи. Взгляды на плодородие были разрозненными и зачастую сводились к мистическим или сугубо агрохимическим объяснениям.

Коренной перелом произошел в 1883 году с выходом классического труда В. В. Докучаева «Русский чернозем». Изучая черноземы — главное богатство России, Докучаев не ограничился описанием их химического состава или физических свойств. Он применил комплексный географический подход, сопоставляя свойства почв с теми условиями, в которых они формируются.

Главный вывод Докучаева стал революционным: почва — это не просто геологическое образование, а самостоятельное естественно-историческое тело, обладающее собственным строением (профилем), внутренними свойствами и закономерностями распространения. Он писал: Почва есть непосредственный результат совокупного, весьма тесного векового взаимодействия между водой, воздухом, землей… с одной стороны, растительными и животными организмами и возрастом страны — с другой (Муха и др., 2003, с. 13).

Таким образом, В. В. Докучаев впервые в истории науки сформулировал концепцию факторов почвообразования. Он выделил пять ключевых факторов, совместное действие которых определяет тип, свойства и плодородие почвы:

1. Материнская (почвообразующая) горная порода — основа, на которой и из которой формируется почва.

2. Климат — поставщик тепла и влаги, определяющий скорость и направленность всех биологических и химических процессов.

3. Растительные и животные организмы — активный преобразователь минеральной массы в почву.

4. Рельеф — перераспределитель тепла, влаги и твердого материала на поверхности.

5. Время — период, в течение которого развивается почва.

Докучаев подчеркивал, что эти факторы не изолированы, а действуют в сложном взаимодействии. Их совокупность создает «вековой» результат, то есть для формирования зрелой почвы требуются тысячелетия. Он не только перечислил факторы, но и показал, как, например, климат и растительность в разных природных зонах России формируют закономерные ряды почв — от тундровых глеевых до пустынных сероземов. Это было рождением генетического почвоведения, где происхождение и свойства почвы неразрывно связаны.

1.2. Почему концепция Докучаева — это начало системного подхода

Концепция Докучаева решила главную проблему — она дала объяснение разнообразию почв. Ответ на вопрос «почему рядом могут находиться совершенно разные почвы?» становится очевидным: потому что рядом могут находиться разные сочетания факторов почвообразования.

• Смена породы. На водоразделе залегает плотный гранит, дающий каменистую маломощную почву, а в соседней ложбине — мощный слой древнего аллювия, сформировавший плодородную пойменную почву.
• Смена рельефа. На вершине холма (элювиальная позиция) и у его подножия (аккумулятивная позиция) — разные условия увлажнения, разный приток органического вещества и продуктов выветривания. Как следствие, — разные типы почв в пределах одной катены.
• Смена времени. Почвы на древней террасе реки, имеющей возраст десятки тысяч лет, и на современной пойме, возраст которой исчисляется столетиями, будут радикально различаться степенью развития профиля.

Концепция Докучаева положила начало сравнительно-географическому методу в почвоведении. Стало возможным: по свойствам почвы судить о факторах ее формирования (палеопочвоведение); по сочетанию факторов предсказывать свойства почвы; классифицировать почвы по их генезису (Weil and Brady, 2017, ch. 2).

Ключевое резюме

Почва — это не инертная субстанция, а "продукт" взаимодействия пяти групп "строителей": породы, климата, организмов, рельефа и времени. Именно В. В. Докучаев дал нам эту концепцию, превратив почвоведение из разрозненных наблюдений в фундаментальную науку.

2.1. Суть подхода Г. Дженни: формализация «clorpt»

В своём фундаментальном труде «Factors of Soil Formation» (1941) Г. Дженни предпринял смелую попытку перевести интуитивные представления Докучаева на язык точных наук. Он предложил рассматривать почвообразование как систему, в которой почва (S) или любое её отдельное свойство (s) является функцией от нескольких независимых переменных — факторов почвообразования.

В классическом виде это уравнение записывается так:

Где:

• S — почва как целостное природное тело, а s — конкретное почвенное свойство (например, содержание гумуса, мощность гумусового горизонта, рН);
• f — функция, то есть закономерная зависимость;
• cl (climate) — климат;
• o (organisms) — организмы (биота);
• r (relief) — рельеф (топография);
• p (parent material) — почвообразующая порода (литологический фактор);
• t (time) — время;
• … — многоточие означает, что в некоторых случаях могут добавляться и другие факторы, например, атмосферная пыль, вулканические выбросы или влияние человека, если оно является доминирующим (Birkeland, 1984, p. 163; White, 2006, p. 87).

Это уравнение, известное как «clorpt» (по первым буквам латинских обозначений факторов), стало своеобразной «периодической таблицей» почвоведения. Оно не утверждает, что мы можем мгновенно вычислить все свойства почвы, зная лишь пять чисел. Оно утверждает другое: почва детерминирована, т.е. её свойства являются закономерным следствием определённого сочетания факторов. Если факторы меняются — меняется и почва. Если факторы одинаковы — почвы будут одинаковы (или, по крайней мере, очень близки).

2.2. Почему это уравнение — ключ к пониманию разнообразия почв

Уравнение Дженни даёт нам мощный методологический инструмент для объяснения того, почему рядом могут находиться совершенно разные почвы. Если мы наблюдаем различие почв, мы должны искать различие в одном или нескольких факторах из правой части уравнения.

Рассмотрим это на примерах, которые мы уже затрагивали:

1. Разные породы (p): На соседних участках может залегать гранит и известняк. Уравнение примет вид: S₁ = f (cl, o, r, p₁, t) и S₂ = f (cl, o, r, p₂, t). Поскольку p₁ ≠ p₂, то и S₁ ≠ S₂. Это и будет литосеквенция (White, 2006, p. 88).

2. Разное время (t): Почвы на древней террасе (t₁) и на современной пойме (t₂) будут различаться, даже если все остальные факторы одинаковы: S₁ = f (cl, o, r, p, t₁) и S₂ = f (cl, o, r, p, t₂). Это хроносеквенция (Birkeland, 1984, p. 163).

3. Разный рельеф (r): На одной и той же породе, в одном климате, но на вершине холма и в его подножии — разные почвы. Это топосеквенция (или катена) (White, 2006, p. 91).

4. Разный климат (cl): Почвы тайги и степи, сформированные на одинаковых породах, будут кардинально отличаться. Это климасеквенция (White, 2006, p. 88).

Таким образом, уравнение Дженни не просто даёт красивую формулу. Оно диктует стратегию исследования: чтобы понять генезис почвы, нужно изучить все факторы на данной территории. Чтобы установить влияние одного фактора, нужно найти участки, где остальные факторы максимально постоянны. Дженни назвал такой подход «функциональным» (Birkeland, 1984, p. 163).

2.3. Практическая ценность и ограничения уравнения

Важно понимать, что уравнение Дженни — это не расчётная формула в том смысле, в каком мы используем, например, закон Ома. Мы не можем подставить числовые значения «температура = 15 °C», «осадки = 600 мм» и получить на выходе точный тип почвы. Дженни прекрасно осознавал это. Главная ценность уравнения — эвристическая (познавательная) и организующая (Birkeland, 1984, p. 166; Buol et al., 2011, p. 90).

Значение:

• Системный взгляд: Оно принудительно заставляет нас рассматривать почву как целостную систему, где все взаимосвязано.
• База для классификации: Иерархические системы классификации почв (такие как USDA Soil Taxonomy или WRB) во многом строятся на диагностических горизонтах, которые являются прямым следствием действия этих факторов.
• Прогнозирование: Понимание факторных зависимостей позволяет почвоведам прогнозировать, какие почвы встретятся в малоизученных районах, исходя из анализа климатических карт, геологических карт и топографии.

Ограничения (почему уравнение не решено и, вероятно, никогда не будет решено в полном смысле):

• Взаимозависимость факторов: Факторы не всегда независимы. Например, состав растительности (o) сам сильно зависит от климата (cl) и рельефа (r). Они влияют друг на друга.
• Количественная оценка: Некоторые факторы, особенно «организмы» и «порода», крайне сложно описать одним или несколькими числами (White, 2006, p. 89). Что такое «организмы»? Это видовой состав, биомасса, продуктивность, глубина корневой системы, химический состав опада. Всё это важные, но трудноформализуемые параметры.
• Полигенетичность: Уравнение предполагает, что факторы постоянны во времени. Но многие почвы являются полигенетическими, т.е. формировались в разные периоды под действием разных условий (например, в плейстоцене под лесом, а в голоцене — под степью). В таком случае, как учесть смену факторов во времени в одной функции? (Birkeland, 1984, p. 166)
• Нелинейность и пороговые эффекты: Реакция почвы на изменение фактора часто нелинейна. Например, увеличение осадков на 100 мм в засушливой зоне может вызвать кардинальную перестройку почвы, а в гумидной зоне — почти не отразиться на её свойствах (современные дополнения мы рассмотрим позже).

2.4. Решения для практического использования: «держать факторы постоянными»

Дженни предложил остроумный способ обойти проблему неразрешимости общего уравнения. Он предложил решать не общее уравнение, а частные функции, оставляя все факторы, кроме одного, постоянными. Так появились известные нам «-секвенции»:

• Климофункция: s = f (cl)o,r,p,t — изучаем зависимость почвенного свойства от климата, когда порода, рельеф, организмы и время одинаковы.
• Биофункция: s = f (o)cl,r,p,t — влияние растительности.
• Топофункция: s = f (r)cl,o,p,t — влияние рельефа.
• Литофункция: s = f (p)cl,o,r,t — влияние породы.
• Хронофункция: s = f (t)cl,o,r,p — влияние времени (Birkeland, 1984, p. 163).

Именно этот подход, а не попытка решить всё уравнение сразу, принёс наибольшие плоды. Почвоведы всего мира, используя метод «функций» Дженни, получили массу эмпирических зависимостей. Например, классическая работа Дженни и Леонарда (1934) показала, как с увеличением годового количества осадков на лёссах закономерно возрастает содержание гумуса и глины, снижается рН и увеличивается глубина залегания карбонатов (Scheffer et al., 2018, p. 347).

В итоге, уравнение Дженни — это, возможно, самый гениальный компромисс в почвоведении. Оно не даёт окончательной формулы, но даёт метод, который работает до сих пор, и строгую концептуальную рамку, в которую укладывается всё наше знание о генезисе почв.

Ключевое резюме второй части лекции:

Уравнение Дженни переводит концепцию Докучаева на язык математической функции: Почва = f(климат, организмы, рельеф, порода, время). Несмотря на то, что это уравнение не решаемо в лоб, оно является мощным инструментом для систематизации знаний, планирования исследований и прогнозирования. Разнообразие почв — это закономерный результат варьирования этих пяти главных переменных. Далее мы разберём каждый из этих факторов в отдельности, начав с климата.

3.1. Вода как главный агент: осадки и их эффективность

Вода — это «кровь» почвообразования. Она участвует во всех химических реакциях (гидролиз, растворение, гидратация), является средой для перемещения веществ и необходима для существования биоты. Но не все осадки одинаково эффективны для почвообразования. Решающее значение имеет не столько абсолютное количество миллиметров в год, сколько эффективное увлажнение — то есть та доля осадков, которая просачивается через почвенный профиль, участвует в реакциях и выносит продукты выветривания (Weil and Brady, 2017, Ch. 2, Box 2.1; White, 2006, p. 91).

Факторы, определяющие эффективность осадков:

1. Общее количество и режим выпадения. Осадки в 600 мм, равномерно распределённые в течение года, вызовут большее выщелачивание, чем те же 600 мм, выпавшие в виде ливней за 2-3 месяца (засушливый сезон) (Weil and Brady, 2017, Ch. 2, Box 2.1).

2. Температура и испарение (эвапотранспирация). В жарком климате большая часть влаги теряется на испарение, и для просачивания вглубь остаётся мало. Поэтому 600 мм осадков в холодном климате могут создать промывной режим, а в жарком — лишь непромывной (Foth, 1990, Ch. 16, p. 262; Weil and Brady, 2017, Ch. 2, Box 2.1). Для оценки этого баланса используется понятие водного баланса: соотношение между атмосферными осадками и потенциальной эвапотранспирацией (Buol et al., 2011, p. 108).

3. Рельеф и проницаемость породы. На крутом склоне вода стекает, не успевая проникнуть в почву. На плотной глине инфильтрация минимальна. Следовательно, на разных элементах рельефа и на разных породах «эффективные осадки» будут разными, даже при одном и том же их общем количестве (Weil and Brady, 2017, Ch. 2, Box 2.1).

В зависимости от баланса между поступлением влаги и её расходом на испарение и сток выделяют несколько типов водного режима почв (которые впоследствии лягут в основу классификаций):

• Промывной режим: Количество осадков значительно превышает испарение. Вода просачивается через весь профиль и уходит в грунтовые воды, вынося растворимые соли и продукты выветривания. Характерен для гумидных (влажных) областей — тайга, влажные тропики. Приводит к подзолообразованию и латеритизации (Scheffer et al., 2018, p. 346).
• Непромывной режим: Осадки примерно равны испарению. Влага промачивает почву, но не достигает грунтовых вод. В сухие периоды возможен капиллярный подъём растворов. Характерен для степей и лесостепей, способствует накоплению гумуса и карбонатов (кальция) в профиле (чернозёмы) (Scheffer et al., 2018, p. 347).
• Выпотной режим: Испарение значительно превышает осадки. Влага не только не просачивается вглубь, но и поднимается по капиллярам из грунтовых вод к поверхности, испаряясь и оставляя там соли. Характерен для пустынь и полупустынь, формирует засолённые почвы (солончаки) (Scheffer et al., 2018, p. 349).

Примеры влияния осадков на свойства почв:

Классический пример — трансекта по лёссам в США. С увеличением осадков с запада на восток закономерно увеличивается глубина выщелачивания карбонатов, содержание глины и органического вещества, а pH снижается (Foth, 1990, Ch. 16, p. 262; Scheffer et al., 2018, p. 347). Ещё пример: в Индии при 24 °C среднегодовой температуры содержание гумуса в верхнем горизонте возрастает с 0,4 % при 35 мм осадков до 4,5 % при 3200 мм (Scheffer et al., 2018, p. 348).

3.2. Температура: Ускоритель всех реакций

Если вода — это «кровь», то температура — это «пульс» почвообразования. Температура определяет скорость всех химических, физических и, что особенно важно, биологических процессов. В основе этого лежит простое правило Вант-Гоффа: при повышении температуры на 10 °C скорость химических реакций возрастает в 2-3 раза (Buol et al., 2011, p. 106; Weil and Brady, 2017, Ch. 2, p. 77).

Как температура влияет на разные аспекты почвообразования:

1. Интенсивность выветривания. В тёплом и влажном климате минералы разлагаются гораздо быстрее, чем в холодном и сухом. Это приводит к образованию мощных кор выветривания, глубокому преобразованию породы и формированию вторичных минералов (каолинит, оксиды железа и алюминия) в тропиках. В холодных же регионах преобладает физическое выветривание (морозное растрескивание) (Weil and Brady, 2017, Ch. 2, p. 75-77).

2. Баланс органического вещества. Температура влияет и на продукцию фитомассы (растут быстрее), и на скорость её разложения микроорганизмами. В тёплых влажных тропиках разложение происходит настолько быстро, что, несмотря на огромную биомассу, гумуса в почве накапливается мало. В холодной тундре, наоборот, разложение сильно замедлено, и органическое вещество накапливается в виде мощных торфяных горизонтов (Scheffer et al., 2018, p. 346; Foth, 1990, Ch. 16, p. 263).

3. Сезонность и промерзание. В умеренных широтах важна не только среднегодовая температура, но и её сезонный ход. Зимнее промерзание приостанавливает все процессы, а весеннее оттаивание может вызывать физическое разрушение структуры (криотурбация) и усиление эрозии. В тропиках с изотермическим режимом (малые сезонные колебания) биологические процессы идут непрерывно круглый год (Buol et al., 2011, p. 106).

3.3. Взаимодействие температуры и влаги: климатические зоны

Наиболее мощное воздействие на почвообразование оказывает не температура или влажность по отдельности, а их совместное действие. Сочетание тепла и влаги определяет тип биома (растительности), интенсивность выветривания и характер миграции веществ.

• Гумидный тропический климат (жарко и влажно): → глубокое химическое выветривание → образование ферраллитных почв (оксисоли, ферральсоли) с преобладанием каолинита и оксидов железа/алюминия; бедных основаниями.
• Умеренно-континентальный климат (теплое лето, холодная зима, умеренные осадки): → формирование дернового процесса → накопление гумуса → образование плодородных чернозёмов и каштановых почв.
• Холодный гумидный климат (тайга): → слабое химическое выветривание, интенсивное выщелачивание → образование подзолистых почв (сподосолей) с кислым, обеднённым верхним горизонтом.
• Аридный климат (жарко и сухо): → испарение преобладает → накопление солей → образование солончаков и гипсовых почв.

Именно эта закономерность, впервые замеченная Докучаевым, привела к созданию учения о почвенных зонах (Birkeland, 1984, p. 166; White, 2006, p. 92). Смена климатических зон с севера на юг или с запада на восток неизбежно ведёт к смене зональных типов почв, что объясняет их глобальное разнообразие.

3.4. Почему климат — это не просто «среднегодовое»

Важно подчеркнуть, что на почвообразование влияют не столько средние климатические показатели, сколько экстремальные события и режим. Почва — это «запись» долговременных процессов, но решающий вклад могут вносить редкие катастрофические ливни (например, в пустынях) или многолетние засухи. Поэтому при анализе климата как фактора почвообразования мы говорим о климатическом режиме — типичной последовательности и продолжительности периодов увлажнения, иссушения, нагрева и охлаждения (Buol et al., 2011, p. 102; Weil and Brady, 2017, Ch. 2, Box 2.1).

Ключевое резюме третьей части лекции:

Климат — это «главный дирижёр» почвообразования. Он определяет, сколько энергии и влаги поступает в систему, задаёт скорость всех процессов и создаёт основу для зонального деления почв. Два основных компонента — осадки (их режим и эффективность) и температура (её уровень и сезонность) — в своём сочетании управляют:

• Типом и интенсивностью выветривания минералов.
• Скоростью синтеза и разложения органического вещества.
• Направлением перемещения веществ (выщелачивание или аккумуляция).
• Формированием водного режима почвы (промывной, непромывной, выпотной).

Именно поэтому климат часто выступает как самый мощный фактор дифференциации почв на глобальном и региональном уровнях. Далее мы перейдём к следующему фактору — организмам, которые, используя климатические ресурсы, активно преобразуют минеральную массу в почву.

4.1. Роль высших растений: Биологический круговорот и профилеобразование

Зелёные растения — ключевая группа организмов. Именно они создают первичную органическую массу (фитомассу) за счёт фотосинтеза, вовлекая в биологический круговорот углерод, азот, зольные элементы и энергию. Воздействие растений на почвообразование многогранно.

Поступление и трансформация органического вещества

Растения являются главным поставщиком органического вещества в почву. Оно поступает в двух формах:

• Надземный опад: листья, хвоя, ветки, стебли. Его количество и химический состав сильно варьируют в зависимости от типа растительности (лес, степь, тундра) (Buol et al., 2011, p. 119; Муха и др., 2003, табл. 1).
• Корневые остатки и выделения: отмирающие корни, корневые экссудаты. В случае травянистых растений (степи, луга) основная масса органического вещества поступает именно в виде корней, пронизывающих верхнюю толщу почвы. Это приводит к равномерному пропитыванию верхнего горизонта гумусом и формированию мощного гумусового горизонта (чернозёмы) (Weil and Brady, 2017, Ch. 2, p. 73; Foth, 1990, Ch. 16, p. 265).

Химический состав опада определяет, в каком направлении пойдёт трансформация органического вещества. Опад хвойных пород богат лигнином, дубильными веществами и смолами, но беден основаниями (Ca, Mg) и азотом. Это способствует образованию кислой, медленно разлагающейся подстилки (О-горизонт) и развитию подзолистого процесса. Напротив, опад широколиственных пород и степных трав богат основаниями и азотом, что способствует быстрому разложению, нейтральной реакции и накоплению гумуса в форме гумусово-аккумулятивного процесса (черноземообразование) (Foth, 1990, Ch. 16, p. 264; Weil and Brady, 2017, Ch. 2, p. 74).

Биогенное выветривание и биологический круговорот

Корни растений и ассоциированные с ними микроорганизмы (микориза) выделяют в ризосферу органические кислоты, углекислый газ и хелатирующие соединения. Это многократно усиливает химическое выветривание минералов (гидролиз, комплексообразование), высвобождая из них элементы питания (K, Ca, Mg, P, микроэлементы). Растения активно извлекают эти элементы из глубоких горизонтов и после отмирания возвращают их в верхние слои с опадом. Это явление называют биологической аккумуляцией или «насосом элементов» (Scheffer et al., 2018, p. 350). Благодаря этому в верхней части профиля концентрируются наиболее ценные элементы питания. Степная растительность, благодаря глубокой корневой системе, создаёт мощный «гумусовый насос», аккумулируя питательные вещества в верхнем горизонте, что и обеспечивает исключительное плодородие чернозёмов (Foth, 1990, Ch. 16, p. 264).

Влияние на физические свойства и микроклимат

• Корни механически разрыхляют породу, создают макропоры, улучшая аэрацию и водопроницаемость. После отмирания корней их каналы служат путями для движения воды и роста новых корней.
• Растительный покров защищает почву от эрозии, смягчает удары капель дождя, уменьшает сток и испарение, создавая особый микроклимат под пологом леса или травяного покрова.
• Различные типы растительности существенно влияют на температуру почвы (затенение) и влажность (транспирация), тем самым модифицируя действие климатического фактора (Buol et al., 2011, p. 107).

4.2. Роль микроорганизмов: Биохимический реактор почвы

Микроорганизмы — это «невидимый фронт» почвообразования. В 1 грамме плодородной почвы могут содержаться миллиарды бактерий, актиномицетов и грибов, а также множество простейших и водорослей (Weil and Brady, 2017, p. 25). Их значение невозможно переоценить:

• Деструкция органического вещества: Микроорганизмы — главные минерализаторы. Они разлагают сложные органические полимеры (целлюлозу, лигнин, белки) до простых минеральных соединений (CO₂, H₂O, NH₄⁺, NO₃^-, PO₄³⁻). Без этого процесса элементы питания навсегда остались бы запертыми в растительных остатках, и биологический круговорот прекратился бы.
• Гумификация: Часть продуктов разложения не минерализуется, а вступает в сложные реакции поликонденсации, образуя гумусовые вещества — тёмноокрашенные, высокомолекулярные, устойчивые к дальнейшему разложению соединения. Именно гумус придаёт почве её важнейшее свойство — плодородие (способность удерживать и постепенно отдавать элементы питания, улучшать структуру, влагоёмкость) (Weil and Brady, 2017, Ch. 1, p. 38; Муха и др., 2003, с. 18).
• Фиксация азота: Некоторые микроорганизмы (свободноживущие и симбиотические азотфиксаторы) способны восстанавливать молекулярный азот атмосферы (N₂) до аммонийной формы (NH₄⁺), доступной растениям. Это уникальный процесс, без которого запасы связанного азота в экосистемах истощились бы (Scheffer et al., 2018, Kap. 1).
• Окислительно-восстановительные процессы: Микроорганизмы участвуют в трансформации железа, марганца, серы. Они могут создавать как восстановительные (анаэробные) условия, приводящие к оглеению, так и окислительные, способствуя образованию оксидов (Huang et al., 2012, Ch. 30, p. 30-5).

4.3. Роль животных: Биотурбация и перемешивание

Почвенные животные (зоофауна) — от дождевых червей и насекомых до грызунов — оказывают мощное механическое воздействие на почвенную массу. Этот процесс получил название биотурбация.

• Перемешивание и структурообразование: Дождевые черви, термиты, муравьи, кроты и суслики перемещают огромные объёмы почвы. Они выносят материал из нижних горизонтов на поверхность (например, термитники) и, наоборот, затаскивают органику вглубь. Это приводит к перемешиванию (гомогенизации) профиля, разрушению одних горизонтов и созданию других, нивелируя процессы дифференциации (Weil and Brady, 2017, Ch. 2, p. 78; Foth, 1990, Ch. 16, p. 264).
• Дренирование и аэрация: Ходы и норы животных служат дополнительными макропорами, улучшающими водопроницаемость и газообмен.
• Создание агрегатов: Проходя через кишечник дождевых червей, минеральные частицы и органические остатки склеиваются слизистыми выделениями, формируя прочные водопрочные агрегаты — копролиты, которые являются основой ценной зернистой или комковатой структуры (Huang et al., 2012, Ch. 30, p. 30-6).

Особенно велика роль биотурбации в степях (чернозёмы), где деятельность землероев и дождевых червей создаёт мощный, гумусированный и хорошо структурированный профиль (Муха и др., 2003, с. 26). В тропиках аналогичную роль выполняют термиты, которые могут полностью переработать верхний слой почвы за тысячелетия.

4.4. Влияние растительности на разнообразие почв: Лес vs Степь

Классический пример того, как организмы определяют различия между почвами, — сравнение почв под лесом и под травянистой растительностью в сходных климатических условиях (например, на границе лесостепи) (Weil and Brady, 2017, Ch. 2, p. 73; Foth, 1990, Ch. 16, p. 264; Buol et al., 2011, p. 121).

• Под лесом: Опад сосредоточен на поверхности. Разложение идёт в кислой среде с участием грибов. Образуется грубый, кислый гумус (мор). Продукты разложения (органические кислоты) активно выщелачивают из верхней части профиля основания, железо и алюминий, формируя светлый элювиальный (подзолистый) горизонт (Е). Внизу, на некоторой глубине, происходит аккумуляция вынесенных веществ (иллювиальный горизонт — Bh, Bs или Bt). Профиль чётко дифференцирован.
• Под степью: Основная масса органики — корни, пронизывающие всю толщу гумусового горизонта. Разложение идёт в среде, близкой к нейтральной, с участием бактерий. Образуется мягкий, насыщенный основаниями гумус (мюлль), который пропитывает верхнюю часть профиля, образуя мощный, тёмноокрашенный гумусовый горизонт. Элювиально-иллювиальная дифференциация отсутствует; профиль представлен постепенным переходом от гумусового горизонта к материнской породе.

4.5. Человек как фактор почвообразования

Хотя мы рассматриваем человека отдельно (в современных дополнениях и в главе об антропогенных почвах), важно подчеркнуть, что в масштабах последних тысячелетий он стал полноценным шестым фактором почвообразования (Amundson and Jenny, 1991; Huang et al., 2012, Ch. 38). Человек воздействует на почву:

• Непосредственно: обработка, осушение, орошение, внесение удобрений и мелиорантов, террасирование, застройка, создание техногенных субстратов (Scheffer et al., 2018, p. 351; Муха и др., 2003, с. 24).
• Косвенно: изменение растительного покрова (вырубка лесов, введение севооборотов), изменение водного режима, загрязнение атмосферы (кислотные дожди).

В результате человеческая деятельность может либо ускорить, либо затормозить естественные процессы, а иногда и привести к формированию совершенно новых почв (например, агроземы, урбаноземы, техноземы). Именно вмешательством человека объясняются многие различия в почвах соседних участков, которые кажутся одинаковыми с точки зрения «классических» пяти факторов.

Ключевое резюме четвёртой части лекции:

Организмы — это активная сила почвообразования. Они переводят солнечную энергию и атмосферный углерод в органическое вещество, разрушают и перестраивают минералы, перемешивают и структурируют почвенную массу. Роль организмов уникальна:

1. Растения — задают «почвенный профиль»: определяют характер гумусонакопления, кислотность, глубину биогенного выветривания и тип биологического круговорота.

2. Микроорганизмы — обеспечивают замкнутость круговорота, осуществляя минерализацию, гумификацию и фиксацию азота.

3. Животные — являются «инженерами» почвы, перераспределяя вещество по профилю, создавая структуру и улучшая гидрологический режим.

4. Человек — в современную эпоху добавляется как мощный фактор, способный кардинально изменить или даже полностью пересоздать почву.

Именно различия в составе и активности организмов (особенно растительных сообществ и почвенной фауны) часто объясняют, почему на одной и той же породе и в одном климате могут формироваться принципиально разные почвы. Далее мы перейдём к фактору рельефа, который перераспределяет влияние всех предыдущих факторов в пространстве.

5.1. Влияние высоты над уровнем моря: Вертикальная зональность

С увеличением абсолютной высоты происходит закономерное изменение климатических условий (в первую очередь температуры и, как правило, увлажнения). Это явление называется высотной (вертикальной) поясностью (Buol et al., 2011, p. 112; Scheffer et al., 2018, p. 348).

При подъёме на каждые 100 м в горах температура воздуха понижается в среднем на 0,6 °C (по сухому адиабатическому градиенту). Одновременно, как правило, увеличивается количество осадков (до определённых высот). Следовательно, в горах можно наблюдать смену почвенных зон, аналогичную широтной, но сжатой в пространстве до нескольких километров.

Классический пример: В горах Кавказа от подножия к вершине на одной и той же породе и в сходных геологических условиях закономерно сменяются:

• На высоте 10–500 м: каштановые почвы и чернозёмы (степная зона).
• На высоте 500–1500 м: серые лесные почвы (лесостепь) → бурые лесные (Phaeozems, Luvisols).
• На высоте 1500–2500 м: дерново-подзолистые и подзолы (горная тайга).
• На высоте > 2500 м: горно-тундровые почвы (Cryosols) и примитивные щебнистые почвы (Scheffer et al., 2018, p. 348).

Таким образом, рельеф через высоту опосредованно влияет на климат, а через климат — на тип растительности и, следовательно, на характер почвообразования. Это один из самых ярких ответов на вопрос «почему рядом — на соседних склонах одной горы — могут быть разные почвы?».

5.2. Экспозиция склона: Север vs Юг

В Средних и Высоких широтах Северного полушария огромное значение имеет ориентация склона относительно сторон света — экспозиция (Buol et al., 2011, p. 112; Weil and Brady, 2017, Ch. 2, p. 81).

Южные склоны (инсолируемые): получают больше солнечной радиации, сильнее нагреваются, снег тает раньше, почва чаще пересыхает. В результате:

• Растительность более ксерофитная (засухоустойчивая), часто разреженная.
• Органического вещества накапливается меньше.
• Химическое выветривание может быть более интенсивным из-за более высоких температур (при достаточном увлажнении), но процессы выщелачивания часто ослаблены из-за дефицита влаги.
• Почвы могут быть более карбонатными, менее мощными.

Северные склоны (теневые): получают меньше тепла, влага испаряется слабее, почва более влажная и прохладная.

• Растительность более мезофитная (теневыносливая, влаголюбивая), часто лесная.
• Активнее идёт накопление органического вещества и его гумификация.
• Усиливаются процессы выщелачивания, почвы могут быть более кислыми и мощными.

Классическое исследование: В Мичигане (США) на южных склонах были сформированы почвы с более красным оттенком и большим содержанием глины в B-горизонте, чем на северных склонах (на тех же породах и в одинаковом возрасте). При этом на северных склонах глубина гумусового горизонта и общая мощность профиля были больше (Scheffer et al., 2018, p. 348, ссылаясь на Cooper, 1960). Это объясняется тем, что на более тёплых южных склонах активнее шло образование глины, а на более влажных северных — глубже проникало выщелачивание.

В Южном полушарии ситуация зеркально противоположная: северные склоны там оказываются более тёплыми, а южные — более прохладными.

5.3. Крутизна склона: Эрозия и аккумуляция

Угол наклона (крутизна) — один из важнейших параметров, определяющих соотношение инфильтрации и поверхностного стока, а также интенсивность эрозии (Weil and Brady, 2017, Ch. 2, p. 80; Scheffer et al., 2018, p. 349).

• Крутые склоны: вода стекает быстро, не успевая впитываться. Следовательно, «эффективное увлажнение» резко снижается. Кроме того, поверхностный сток уносит мелкозём, особенно верхний, наиболее плодородный слой. Почвы на крутых склонах, как правило, молодые, маломощные, с неразвитым профилем. Преобладают процессы эрозии над процессами почвообразования. Здесь часто можно встретить примитивные щебнистые почвы (Leptosols) или скелетные разности (Foth, 1990, Ch. 16, p. 266).
• Пологие склоны и водоразделы: вода успевает впитаться, процессы выщелачивания и выветривания идут полным ходом, формируются зрелые профили (например, Luvisols, Chernozems). Эрозия минимальна.
• Выпуклые и вогнутые склоны: выпуклые участки (вершины, перегибы) — места интенсивного смыва; вогнутые (подножия) — места аккумуляции смытого материала (коллювия). В результате у подножия накапливается мощный слой переотложенной почвы, часто гумусированной и хорошо увлажнённой, что может дать плодородные почвы, но с погребёнными горизонтами (Huang et al., 2012, Ch. 29, p. 29-14).

5.4. Дренаж и положение в ландшафте: Катена

Как мы уже упоминали в главе о климате, рельеф определяет дренаж — способность почвы отводить избыточную влагу. Положение в рельефе (элювиальное, трансэлювиальное, аккумулятивное) создаёт закономерные гидрологические последовательности, называемые катенами (White, 2006, p. 99; Weil and Brady, 2017, Ch. 2, p. 81; Huang et al., 2012, Ch. 29, p. 29-5).

Пример катены (Clarion–Nicollet–Webster) на ледниковом ландшафте в Айове, США:

• Вершина (Clarion): хорошо дренированная почва, окисленная, ярко-коричневых тонов, с глубоким выщелачиванием карбонатов.
• Средняя часть склона (Nicollet): почва с умеренным дренажем, несколько более влажная, чем на вершине, с признаками оглеения (серая окраска, пятна) в нижней части профиля.
• Подножие и западина (Webster): почва с плохим дренажем (Verbesserung: "постоянно влажная"), часто с близким стоянием грунтовых вод, с выраженными признаками оглеения — сизыми и голубоватыми тонами, восстановленными формами железа (Huang et al., 2012, Ch. 29, p. 29-5; Foth, 1990, Ch. 16, p. 266).

Таким образом, в одной и той же ложбине, на одной породе и в одном климате, мы видим последовательную смену почв: от хорошо дренированной до переувлажнённой. Эти различия — прямое следствие топографии (рельефа).

5.5. Взаимодействие рельефа с другими факторами

Рельеф не действует изолированно. Он модифицирует все другие факторы:

• С климатом: высота и экспозиция меняют температуру и увлажнение.
• С породой: на крутых склонах обнажаются глубокие горизонты породы, а на пологих — накапливаются мощные толщи коллювия или аллювия.
• С организмами: крутые склоны часто лишены почвы и растительности, а подножия — аккумулируют органику и создают очаги более пышной растительности (оазисный эффект).
• Со временем: на стабильных водоразделах почвы могут развиваться миллионы лет, а на активно эродируемых склонах — постоянно «омолаживаться», не достигая зрелости.

Ключевое резюме пятой части лекции:

Рельеф — это «архитектор» почвенного покрова, который пространственно перераспределяет действие климата, воды, организмов и даже материала. Он создаёт разнообразие почв в пределах одной территории, потому что:

1. Высота → меняет климат → зональные сдвиги в горах.

2. Экспозиция → перераспределяет солнечное тепло → различия в тепло- и влагообеспеченности соседних склонов.

3. Крутизна → регулирует сток и эрозию/аккумуляцию → маломощные почвы на крутых склонах и мощные — у подножий.

4. Положение в ландшафте → определяет дренаж и уровень грунтовых вод → формирует закономерные катены (ряды почв от хорошо дренированных до переувлажнённых).

Именно благодаря рельефу почвы на расстоянии нескольких десятков метров могут быть столь же разными, как и на расстоянии тысяч километров при смене климатических зон. Это делает рельеф критическим фактором для понимания мозаичности почвенного покрова. Теперь мы перейдём к следующему фактору — материнской породе, которая служит «строительным материалом» для почвы.

6.1. Что такое почвообразующая порода?

Почвообразующая (материнская) порода — это рыхлая, несцементированная горная порода, которая служит минеральной основой для формирования почвы. Важно понимать, что это не обязательно та порода, которая залегает на глубине (коренная порода). Зачастую почва образуется на осадочных отложениях (коллювий, аллювий, лёсс, ледниковые отложения), которые могут быть принесены из других мест. Свойства этих отложений могут сильно отличаться от коренной породы под ними (Buol et al., 2011, p. 91; White, 2006, p. 89).

Ключевая идея: Порода — это не просто «пассивный субстрат». Она активно влияет на все последующие стадии почвообразования, особенно в молодых почвах. С возрастом влияние породы постепенно ослабевает, уступая место «наслоению» климатических и биологических эффектов, но никогда не исчезает полностью (Foth, 1990, Ch. 16, p. 260; Weil and Brady, 2017, Ch. 2, p. 61).

6.2. Как порода влияет на свойства почвы?

Влияние породы многогранно и проявляется на нескольких уровнях.

Минералогический состав (что мы имеем «на входе»)

Минералы породы делятся на первичные (кварц, полевые шпаты, слюды, амфиболы) и вторичные (глинистые минералы, карбонаты, оксиды железа/алюминия), которые уже могли быть принесены в составе осадка или унаследованы от предыдущего цикла выветривания (Buol et al., 2011, p. 91).

• Наличие карбонатов (CaCO₃): карбонатные породы (известняки, мергели, карбонатные морены, лёсс) содержат кальций. Это сильно замедляет процессы подкисления (буферизирует кислоту), поддерживает высокую насыщенность основаниями и способствует формированию нейтральных или слабощелочных почв. Например, на лёссе формируются чернозёмы, а на известняках — рендзины (Buol et al., 2011, p. 95; Foth, 1990, Ch. 16, p. 260).
• Наличие силикатных минералов: гранит, гнейс, базальт — все они богаты силикатами. Скорость их выветривания определяет, как быстро и какие элементы питания будут высвобождаться. Кварц — очень устойчив и является «инертным наполнителем». Полевые шпаты (калиевые, натриевые, кальциевые) — важный источник оснований. Слюды (биотит, мусковит) — источник калия и железа.
• Содержание железа и магния: породы, богатые ферромагнезиальными минералами (базальт, габбро), при выветривании дают много оксидов железа и, следовательно, почвы часто имеют красные или коричневые оттенки и отличаются более высокой плодородностью (Buol et al., 2011, p. 92; White, 2006, p. 88).

Гранулометрический состав (текстура)

Размер частиц, из которых состоит порода (песок, супесь, суглинок, глина), определяет:

• Водопроницаемость и влагоёмкость: песчаные породы быстро пропускают воду, но плохо её держат; глинистые — наоборот, медленно впитывают, но хорошо хранят.
• Емкость поглощения (способность удерживать питательные элементы): глинистые частицы имеют большую удельную поверхность, поэтому такие почвы более плодородны (если они не переувлажнены).
• Структурообразование: суглинки и глины, обогащённые органическим веществом, образуют агрегаты; пески — в основном сыпучие (Foth, 1990, Ch. 16, p. 259; White, 2006, p. 91).

Химический состав и режим питания

Порода, богатая легко выветриваемыми минералами (например, основные магматические породы), поставляет растениям больше калия, кальция, магния, фосфора и микроэлементов. Бескислородные кварцевые пески (бедные полевыми шпатами) дают малоплодородные, бедные основаниями почвы, даже при благоприятном климате (Buol et al., 2011, p. 93; Weil and Brady, 2017, Ch. 2, p. 65).

6.3. Устойчивость минералов к выветриванию (Ряд Гольдиха)

Не все минералы разлагаются с одинаковой скоростью. Чем прочнее кристаллическая решётка, тем дольше минерал сохраняется в почве. Это иллюстрирует знаменитый ряд устойчивости (ряд Гольдиха), который (в обратном порядке, от наименее устойчивых к наиболее) выглядит так:

• Наименее устойчивы: оливин, кальциевый плагиоклаз (анортит), авгит, роговая обманка, натриевый плагиоклаз (альбит).
• Промежуточные: биотит, калиевый полевой шпат (ортоклаз, микроклин), мусковит.
• Наиболее устойчивы: кварц (White, 2006, p. 88-89; Weil and Brady, 2017, Ch. 2, Table 2.2).

Что это означает на практике?

На начальных стадиях выветривания (в молодых почвах) мы найдём смесь всех этих минералов. Но с течением времени (в старых, зрелых почвах) все «слабые» минералы разрушатся, и останутся только самые устойчивые — кварц, оксиды железа и алюминия, а также некоторые вторичные глины (каолинит). Именно поэтому песчаные почвы в старых тропических ландшафтах состоят почти из одного кварца (Weil and Brady, 2017, Ch. 2, p. 65; Buol et al., 2011, p. 92).

Этот ряд также помогает понять, почему почвы, сформированные на гранитах (богатых устойчивым кварцем и полевыми шпатами), медленнее выветриваются и часто дают кислые, малоплодородные почвы, в отличие от почв на базальтах (богатых неустойчивыми ферромагнезиальными минералами), которые быстро разрушаются и дают плодородные глинистые почвы.

6.4. Почему влияние породы особенно заметно в молодых почвах?

В молодых почвах (голоцен, последние 10–12 тыс. лет) минералогический и химический состав почвы почти полностью унаследован от материнской породы. Свойства почвы напрямую зависят от того, на чём она сформировалась: на лёссе, морене, аллювии или на элювии коренных пород. Это делает породу доминирующим фактором на ранних стадиях почвообразования (Foth, 1990, Ch. 16, p. 260; Birkeland, 1984, p. 166).

В старых почвах (плейстоцен, сотни тысяч лет и более) действие других факторов (климата, организмов) «перекрывает» первоначальный сигнал породы. Происходит выщелачивание оснований, накопление устойчивых вторичных минералов, и порода может сильно трансформироваться. Однако некоторые «наследственные» черты, такие как общая текстура (если она была экстремальной, например, чистый песок или чистая глина) или наличие трудно выветриваемых минералов (кварц), могут сохраняться неограниченно долго.

Пример: Почвы на древних террасах Амазонки, сформированные на кварцевых песках, остаются очень бедными даже через миллионы лет, в отличие от соседних почв на глинистых сланцах (Buol et al., 2011, p. 93). Влияние породы никогда не исчезает полностью — она остаётся «скелетом» и «сдерживающим фактором» для всех остальных процессов.

6.5. Основные типы почвообразующих пород (без излишней детализации)

Основная страница: Минеральная основа почв

Для общего понимания полезно знать несколько распространённых групп:

• Магматические породы (гранит, базальт) → дают почвы, богатые первичными минералами, но с разной скоростью выветривания.
• Метаморфические породы (гнейс, сланец) → почвы на них часто схожи с магматическими, но с особенностями структуры.
• Осадочные породы (известняк, песчаник, сланец) → наиболее распространены на поверхности Земли (около 75% суши). Почвы на них сильно зависят от примесей (глинистых частиц в известняке, цемента в песчанике).
• Четвертичные отложения (лёсс, морена, аллювий, коллювий, эоловые пески) — главные почвообразующие породы в умеренных широтах. Именно они создают те «рыхлые» толщи, в которых идёт интенсивное почвообразование. Лёсс — особенно ценный материал: он карбонатный, суглинистый (хорошее сочетание песка, ила и глины), водопроницаемый и плодородный (Муха и др., 2003, с. 15; Buol et al., 2011, p. 98).

Ключевое резюме шестой части лекции:

Почвообразующая порода — это фундамент, который задаёт «стартовые условия» для всего почвообразования. Она определяет:

1. Минералогический состав: набор первичных и вторичных минералов, их устойчивость и способность отдавать элементы питания.

2. Гранулометрический состав: текстуру (песок, суглинок, глина), которая контролирует водный, воздушный и тепловой режимы.

3. Химическую активность: наличие карбонатов, железа, обменных оснований — всё это влияет на кислотность, буферность и потенциальное плодородие.

4. Возрастное «затухание»: влияние породы максимально в молодых почвах и постепенно ослабевает в старых, но полностью никогда не исчезает.

Именно поэтому при анализе любого почвенного разреза мы всегда начинаем с определения породы. И именно поэтому две соседние почвы, сформированные на разных породах (например, на граните и на лёссе), даже в одном климате и рельефе, будут разительно отличаться друг от друга. Теперь, после анализа всех пяти «классических» факторов, мы перейдём к последнему, самому «таинственному» фактору — времени.

7.1. Абсолютный и относительный возраст почвы

В почвоведении различают два понятия возраста, и важно их не путать (Муха и др., 2003, с. 23; Birkeland, 1984, p. 166).

• Абсолютный (календарный) возраст — это время, прошедшее с момента начала формирования данной почвы. Измеряется в годах (или тысячелетиях, миллионах лет) от "нулевой точки" — момента, когда поверхность была обнажена для почвообразования (например, после отступления ледника, извержения вулкана, отложения аллювия). Абсолютный возраст устанавливается методами геохронологии: радиоуглеродный анализ (¹⁴C) органического вещества, оптически стимулируемая люминесценция (OSL) для минеральных зёрен, калий-аргоновое или уран-ториевое датирование (Buol et al., 2011, p. 136; Foth, 1990, Ch. 16, p. 257).
• Относительный возраст — это степень выраженности почвенных свойств и степень развития профиля по сравнению с другими почвами. Молодая почва по абсолютному возрасту может быть сильно развита, если она формируется в благоприятных условиях (например, на вулканическом пепле в тропиках). И наоборот, старая по календарю почва в сухой холодной пустыне может быть очень слабо развита (Scheffer et al., 2018, p. 352).

Таким образом, относительный возраст — это интегральный показатель того, насколько далеко зашло почвообразование, а абсолютный — это просто календарная дата. Для почвоведа на практике относительный возраст часто важнее, поскольку он непосредственно связан с морфологией и свойствами почвы.

7.2. Скорость почвообразования: Почему одни процессы идут быстро, а другие — медленно?

Скорость, с которой развивается почва, зависит от интенсивности действия всех остальных факторов (климат, биота, порода, рельеф). В благоприятных условиях (жарко, влажно, рыхлая и богатая основаниями порода, ровный рельеф) почвообразование идёт быстро; в неблагоприятных (холодно, сухо, плотная кварцевая порода, крутой склон) — крайне медленно.

Разные почвенные свойства и горизонты формируются с разной скоростью, и это ключевая идея для понимания эволюции почв (Foth, 1990, Ch. 16, p. 255; Weil and Brady, 2017, Ch. 2, p. 82).

Быстро (годы — десятилетия):

• Появление и накопление органического вещества в верхнем горизонте, потемнение А-горизонта (гумусонакопление). На свежих аллювиальных отложениях или вулканическом пепле заметный А-горизонт может сформироваться за 10–20 лет (Weil and Brady, 2017, Ch. 2, p. 82; Scheffer et al., 2018, p. 352).
• Образование слаборазвитого В-горизонта (Bw) с изменением цвета и структуры — от 100 до 1000 лет.

Средне (сотни — тысячи лет):

• Накопление карбонатов (CaCO₃) в нижней части профиля в аридных условиях (кальциты, Bk-горизонт) — от нескольких сотен до нескольких тысяч лет.

Медленно (тысячи — десятки тысяч лет):

• Формирование текстурного (глинистого) В-горизонта (Bt) с явным иллювиальным накоплением глины. Для образования заметного Bt требуется минимум несколько тысяч лет, а в условиях умеренного климата — 10–15 тысяч лет (Foth, 1990, Ch. 16, p. 255; Birkeland, 1984, p. 168).
• Значительное изменение минералогического состава, разрушение первичных минералов и образование устойчивых вторичных (каолинит, оксиды железа) — сотни тысяч лет.

Очень медленно (миллионы лет):

• Формирование глубоких кор выветривания (мощность > 10–20 м) и ферраллитных профилей (оксисолей) в тропиках.
• Полное выщелачивание всех оснований и большей части кремнезёма.

Пример из хроносеквенций: В Мичигане (США) на песчаных террасах озера разного возраста было показано:

• 2250 лет: почва с A и C горизонтами (Deer Park).
• 3000 лет: появился Bs-горизонт (накопление полуторных оксидов) и E-горизонт (Rubicon).
• 8000 лет: сформировался мощный Bhs-горизонт с накоплением гумуса и оксидов (Kalkaska) (Foth, 1990, Ch. 16, p. 254; Weil and Brady, 2017, Ch. 2, p. 82).

Этот пример наглядно показывает, как с течением времени последовательно появляются новые горизонты, и профиль становится всё более сложным.

7.3. Взаимодействие времени с другими факторами

Время никогда не действует изолированно. Оно всегда взаимодействует с другими факторами.

• Климат: В тёплом влажном климате те же 10 000 лет приведут к гораздо более глубокому выветриванию и дифференциации профиля, чем в холодном или сухом. Например, в тропиках за 10 000 лет может сформироваться ферраллитная почва с мощным латеритным горизонтом, а в тундре — лишь примитивный криозём (Buol et al., 2011, p. 138).
• Порода: На рыхлых, богатых основаниями породах (лёсс, базальт) почва развивается быстрее, чем на плотных, бедных (кварцит, гранит). Это означает, что за одно и то же время на разных породах будут сформированы почвы разного относительного возраста (Birkeland, 1984, p. 166).
• Рельеф: На крутых склонах процессы эрозии постоянно "обновляют" поверхность, смывая продукты выветривания. Поэтому почвы на склонах могут оставаться молодыми по относительному возрасту многие тысячелетия, в то время как на соседних водоразделах, где эрозия минимальна, они достигают зрелости (Weil and Brady, 2017, Ch. 2, p. 82).

7.4. Старые и молодые почвы: В чём различия?

Как выглядят молодые и старые почвы, и по каким признакам их можно отличить в поле?

Молодые почвы (например, на поймах рек, моренах последнего оледенения, свежих вулканических выбросах):

• Слабодифференцированный профиль: чаще всего это профиль А-С или А-Вw-С (Bw — слаборазвитый горизонт).
• Отсутствие чёткого иллювиального горизонта (Bt, Bhs).
• Цвета близки к цвету материнской породы (с поправкой на гумусонакопление в А-горизонте).
• Преобладание первичных минералов, мало вторичных глин.
• Высокое содержание оснований (кальция, магния, калия), если порода их содержала.
• Высокая рН (часто нейтральная или слабощелочная), если порода карбонатная (Foth, 1990, Ch. 16, p. 260).

Старые почвы (например, на древних террасах, поверхностях выравнивания, в стабильных тропических ландшафтах):

• Мощный, чётко дифференцированный профиль с выраженными элювиальными и иллювиальными горизонтами (Е-Вt, Е-Вhs, или мощный Bw с глубоким выветриванием).
• Изменённый минералогический состав: преобладание устойчивых вторичных минералов (каолинит, оксиды Fe и Al), разрушение первичных (полевые шпаты, слюды).
• Глубокое выщелачивание оснований: почва кислая, ненасыщенная, с низкой ёмкостью катионного обмена.
• Часто сильная окраска (красные, жёлтые оттенки от оксидов железа).
• Наличие мощных горизонтов аккумуляции (например, карбонатные горизонты в аридных регионах, или сподические горизонты в гумидных) (Birkeland, 1984, p. 168; Buol et al., 2011, p. 137).

7.5. Почему время — это не просто "количество лет"?

В почвоведении важно понимать, что относительный возраст не всегда прямо пропорционален абсолютному. Это связано с тем, что почвообразование — это не линейный, а асимптотический процесс. Сначала изменения идут быстро, затем скорость их замедляется, и почва приближается к некоторому "равновесному" состоянию (steady state), когда скорость её изменения становится пренебрежимо малой (Birkeland, 1984, p. 168; White, 2006, p. 100).

Этот закон "убывающей отдачи" (diminishing returns) проявляется для многих свойств: накопления органического вещества, глины, карбонатов. Сначала рост идёт экспоненциально, затем кривая выполаживается. Например, содержание гумуса в чернозёмах достигает плато уже через несколько тысяч лет, а накопление глины в B-горизонте может продолжаться десятки тысяч лет, но всё более медленно.

Два важных следствия:

1. Нелинейность: Две почвы, различающиеся по абсолютному возрасту в 2 раза (например, 5000 и 10000 лет), могут различаться по степени развития гораздо меньше, чем две почвы, различающиеся в 2 раза в начальный период (например, 100 и 200 лет).

2. Пороговые эффекты: В определённый момент времени (порог) может произойти резкая смена доминирующего процесса (например, накопление карбонатов сменяется их выщелачиванием при изменении климата, или разрушение первичных глин запускает образование оксидов). Это делает временной ряд сложным для простой экстраполяции.

Ключевое резюме седьмой части лекции:

Время — это "интегратор" всех почвообразовательных процессов. Оно позволяет:

1. Накопить органическое вещество и сформировать гумусовый горизонт (годы — столетия).

2. Создать текстурную дифференциацию (элювиально-иллювиальные горизонты) (тысячи лет).

3. Радикально изменить минералогический состав породы (сотни тысяч — миллионы лет).

4. Привести почву к состоянию, близкому к равновесному (steady state).

Разные свойства формируются с разной скоростью, поэтому почвы одного возраста могут иметь разную степень развития в разных условиях. Именно поэтому для объяснения разнообразия почв, встречающихся в одном ландшафте, мы всегда должны учитывать не только то, какие факторы действуют, но и как долго они действуют. Древние поверхности (например, террасы или водоразделы) несут на себе печать тысячелетий и даже миллионов лет эволюции, в то время как молодые поверхности отражают только недавнюю историю.

В следующей, заключительной части лекции мы обсудим современные дополнения к факторной модели — концепции катен, пороговых изменений, обратных связей и нелинейности почвенных процессов, которые делают эту модель ещё более мощной и объяснительной.

8.1. Катены и топосеквенции: Пространственная связь почв

Концепция катены, введённая Дж. Милном в 1935 году в Восточной Африке, стала первым важным дополнением к факторной модели. Катена — это закономерный ряд почв, сменяющих друг друга по склону от водораздела к подножию, сформированных на единой материнской породе (или на серии пород) и в одинаковых климатических условиях, но различающихся из-за рельефа, дренажа и процессов перераспределения вещества (Huang et al., 2012, Ch. 29, p. 29-4; Weil and Brady, 2017, Ch. 2, p. 81; White, 2006, p. 99).

Ключевая идея катены: почвы в ландшафте не изолированы, а связаны друг с другом потоками воды, растворённых веществ и твёрдого материала.

• Элювиальные позиции (вершины, верхние склоны): Преобладает вынос вещества (выщелачивание, эрозия). Почвы здесь часто более кислые, обеднённые, с контрастными горизонтами.
• Транзитные позиции (средние склоны): Происходит перемещение вещества, но без его накопления.
• Аккумулятивные позиции (подножия, западины, поймы): Происходит накопление вещества, приносимого сверху (коллювий, аллювий, соли). Почвы здесь часто более мощные, обогащённые органическим веществом или солями, с менее дифференцированным профилем.

Пример катены (по Милну, для Восточной Африки):

• Вершина: хорошо дренированная кислая почва (Acrisol).
• Склоны: почвы с признаками эрозии и смыва.
• Подножие: накопление смытого материала, более плодородные и влажные почвы (Luvisol).
• Дно долины: переувлажнённая почва с признаками оглеения (Gleysol) (Huang et al., 2012, Ch. 29, p. 29-4).

Катена — это не просто "топосеквенция" в терминах Дженни (где меняется только рельеф). Это функционально связанная система, где вещества, вынесенные из одних почв, поступают в другие. Это объясняет, почему почвы на склоне нельзя рассматривать изолированно — они являются частями единого ландшафтно-геохимического сопряжения.

Современное развитие идеи:

Концепция катены была расширена до модели "почва-ландшафт" (soil-landscape model) и водосборного бассейна (Huggett, 1975). В этой модели базовой единицей анализа становится не отдельный педон, а целый первый порядок водосбора — от водораздела до русла реки, который представляет собой естественно замкнутую систему переноса вещества (Huang et al., 2012, Ch. 29, p. 29-6). Это позволяет количественно моделировать потоки углерода, солей, продуктов выветривания в масштабах ландшафта.

8.2. Нелинейность почвообразования: Почему изменения не всегда плавные

Классическая модель предполагала более или менее гладкие, монотонные изменения почвенных свойств при изменении факторов. Однако реальность гораздо сложнее: многие почвенные процессы демонстрируют нелинейное поведение, включая пороговые эффекты, обратные связи и гистерезис (Birkeland, 1984, p. 166; Huang et al., 2012, Ch. 30, p. 30-24).

Пороговые эффекты (thresholds)

Порог — это критическая точка в пространстве факторов или во времени, при пересечении которой резко меняется характер процесса или направление развития почвы (Huang et al., 2012, Ch. 30, p. 30-24; Weil and Brady, 2017, Ch. 2, Box 2.1).

Примеры:

• Карбонатный порог (текстурный): В почвах на карбонатных породах, пока в профиле есть кальцит, pH держится около 7–8, и процессы выщелачивания кремнезёма и образования глин сильно заторможены. Как только все карбонаты выщелочены (порог достигнут), pH резко падает, и начинается интенсивное кислое выветривание силикатов с образованием каолинита и оксидов железа (Buol et al., 2011, p. 93).
• Порог накопления органического вещества: В некоторых почвах при определённом уровне поступления органического вещества может произойти резкий переход от состояния, где разложение доминирует над накоплением, к состоянию, где накопление начинает преобладать (например, при переходе от аэробных к анаэробным условиям).
• Пороги гидроморфизма: При достижении определённой длительности или уровня переувлажнения резко меняется окислительно-восстановительный режим, что ведёт к массовому восстановлению железа и марганца, потере их подвижности и формированию глеевых горизонтов (Huang et al., 2012, Ch. 30, p. 30-21).

Пороги делают прогнозирование почв сложным: небольшое изменение фактора (например, +50 мм осадков) может не вызвать изменений, пока не будет пересечён порог, после чего почва может кардинально перестроиться.

Положительные и отрицательные обратные связи (feedbacks)

Обратная связь — это процесс, при котором изменение какого-либо свойства почвы влияет на интенсивность процессов, которые это свойство и создают. Это делает почву саморегулирующейся системой (Huang et al., 2012, Ch. 30, p. 30-24; Weil and Brady, 2017, Ch. 2, p. 76).

Положительная обратная связь (ускоряет процесс):

• Пример (аккумуляция глины): Как только в нижнем горизонте начинает накапливаться иллювиальная глина, этот горизонт становится менее водопроницаемым. Меньшая водопроницаемость приводит к более частому застою воды над ним. Застой воды усиливает выветривание и образование глины в вышележащих горизонтах, что в итоге даёт ещё больше глины для выноса вниз. Процесс ускоряется сам собой (Huang et al., 2012, Ch. 30, p. 30-16).
• Пример (опустынивание): Разрушение растительного покрова → усиление эрозии → обеднение верхнего горизонта → гибель остатков растений → ещё большее усиление эрозии (петля, ведущая к деградации) (Huang et al., 2012, Ch. 38, p. 38-10).

Отрицательная обратная связь (замедляет, стабилизирует):

• Пример (накопление органического вещества): Увеличение содержания органического вещества в почве улучшает её структуру, водоудерживающую способность и питательный режим, что стимулирует рост растений и поступление новой органики. Однако одновременно растёт и микробная активность, которая начинает разлагать органику быстрее. В итоге система может прийти к равновесному состоянию (steady state), когда поступление уравновешивается разложением (Birkeland, 1984, p. 168; White, 2006, p. 100).

Обратные связи объясняют, почему почвы часто демонстрируют устойчивые состояния (стабильность), но при пересечении порога могут резко переключаться в другое устойчивое состояние (например, из леса в степь, или из луга в пустыню).

8.2.3. Гетерогенность и самоорганизация

Современные исследования показывают, что даже в условиях, казалось бы, одинаковых факторов, почвы могут проявлять значительную пространственную изменчивость, которая не может быть объяснена простым варьированием одного из пяти факторов (White, 2006, p. 89, Box 5.1). Это связано с:

• Небольшими, но критическими начальными различиями: Микронеровности рельефа, локальные очаги биологической активности (норы, корневые ходы) могут инициировать нелинейные цепочки процессов, которые со временем приводят к заметным различиям (эффект "бабочки" в почвообразовании) (Huang et al., 2012, Ch. 30, p. 30-22).
• Самоорганизацией: Почва как открытая термодинамическая система способна к формированию устойчивых пространственных паттернов (например, пятнистость тундры, гильгаи, полосы в пустынях), которые возникают из-за внутренних взаимодействий, а не являются прямым отражением внешних факторов (Phillips, 1998, цит. по White, 2006, p. 89).

8.3. Человек как полноценный фактор: Антропогенез

Мы упоминали человека в главе об организмах, но в современных дополнениях он заслуживает отдельного рассмотрения. Сегодня деятельность человека — это уже не просто "внешнее возмущение", а полноценный фактор почвообразования (Huang et al., 2012, Ch. 38; Weil and Brady, 2017, Ch. 2, p. 79).

Масштаб воздействия: Более половины поверхности суши Земли так или иначе затронуто человеческой деятельностью (распашка, пастбища, урбанизация, вырубка лесов, мелиорация) (Huang et al., 2012, Ch. 38, p. 38-2; Weil and Brady, 2017, Ch. 1, p. 20).

Новые факторы: Человек вводит в систему новые воздействия:

• Механические: вспашка, террасирование, строительство, уплотнение.
• Химические: внесение удобрений, мелиорантов (известь, гипс), загрязнение (тяжёлые металлы, органические поллютанты, кислотные дожди, соли при орошении).
• Биологические: интродукция новых видов растений и микроорганизмов, уничтожение естественной биоты.
• Гидрологические: осушение, орошение, создание водохранилищ.

Новые "почвы": В результате этих воздействий формируются антропогенные почвы (культурозёмы, агрозёмы, урбанозёмы, технозёмы), свойства которых радикально отличаются от естественных аналогов (Huang et al., 2012, Ch. 38, p. 38-3; Scheffer et al., 2018, p. 352).

Метапедогенез (по Яалону и Ярону): Термин, введённый для описания процессов формирования почв под влиянием человека, которые могут как ускорять, так и замедлять естественные процессы, а также создавать совершенно новые (Huang et al., 2012, Ch. 38, p. 38-3). Это расширяет факторную модель, добавляя шестой фактор — антропогенный (h).

В современном мире человеческое воздействие часто перекрывает влияние всех остальных факторов, поэтому при изучении любой почвы мы должны учитывать историю её землепользования.

8.4. Обобщающая модель: Почва как самоорганизующаяся система

В итоге, современное понимание почвообразования можно свести к нескольким ключевым позициям, которые дополняют классическую модель:

1. Почва — открытая система: Она активно обменивается веществом и энергией с окружающей средой (атмосферой, гидросферой, биотой). Это создаёт условия для самоорганизации и нелинейной динамики (White, 2006, p. 89).

2. Множественные стабильные состояния: Почва может находиться в разных устойчивых состояниях при одном и том же наборе внешних факторов (например, лесная или луговая экосистемы на одной породе). Переход между ними происходит скачкообразно, при пересечении порога.

3. Иерархическая организация: Почвообразование можно рассматривать на разных уровнях — от молекулярного до континентального. На каждом уровне действуют свои механизмы и закономерности (White, 2006, Box 5.1, p. 89).

4. Взаимное влияние факторов: Факторы не независимы. Например, рельеф влияет на климат (высотная поясность), растительность влияет на породу (биогенное выветривание), а человек может изменить климат (глобальное потепление). Это создаёт сложную сеть причинно-следственных связей.

5. Память почвы: Почва "помнит" предыдущие условия (например, реликтовые признаки гумидного климата в современных аридных регионах). Это явление, называемое палеопедогенезом или реликтовыми признаками, часто сбивает с толку при интерпретации современных факторов (Scheffer et al., 2018, p. 378; Birkeland, 1984, p. 166).

Итоговое резюме всей лекции:

Мы прошли путь от простой, но гениальной идеи Докучаева о пяти факторах, через математическую формализацию Дженни, к современному системному видению почвообразования. В ходе этого пути мы ответили на главный вопрос: почему рядом могут находиться совершенно разные почвы?

Потому что:

1. Климат (осадки, температура, их сезонность) создаёт разные энергетические и влажностные режимы.

2. Организмы (тип растительности, состав микрофауны) по-разному преобразуют минеральную массу и формируют профиль.

3. Рельеф (высота, экспозиция, крутизна, положение) перераспределяет тепло, влагу и материал, создавая локальные очаги аккумуляции или эрозии.

4. Порода (минералогический, гранулометрический, химический состав) задаёт стартовые условия — "строительный материал" для почвы.

5. Время (абсолютный и относительный возраст) интегрирует эффекты всех процессов, позволяя почве достигать разной степени развития.

6. Современные факторы (катены, обратные связи, пороги, человек) усложняют картину, делая почву самоорганизующейся системой, способной на нелинейные и скачкообразные изменения.

Почва — это не просто продукт, а активный участник экосистемных процессов, который одновременно и отражает историю факторов, и сам формирует среду для своего дальнейшего развития. Понимание этой сложности — основа для грамотного землепользования, охраны почв и прогнозирования их изменений в условиях глобальных климатических и антропогенных сдвигов.

В следующих лекциях мы подробно рассмотрим конкретные почвенные процессы (выветривание, гумификация, элювиирование, иллювиирование и др.), которые являются "инструментами" реализации действия этих факторов и приводят к формированию разнообразных почвенных профилей.