Глава 1. ВВЕДЕНИЕ В ПОЧВОВЕДЕНИЕ
§1. Общие представления об изучаемой дисциплине
Почвоведение – наука о почвах, их образовании (генезисе), строении, составе и свойствах, закономерностях географического распространения. Изучает формирование и развитие главного свойства почвы – плодородия и пути наиболее рационального его использования, а также вопросы охраны почв и их изменение под влиянием антропогенного воздействия. Cовременное почвоведение является наукой междисциплинарной, объединяющей самые разнообразные области человеческих знаний, среди которых физика, химия, математика, геология, биология, минералогия, микробиология, климатология, геология и растениеводство (рис.1). Понимание важной роли почвоведения пришло не сразу – долгое время почвоведение рассматривалось в качестве одной из агрономических дисциплин и преподавалось только в сельскохозяйственных вузах.
§2. Понятие о почве. Место, роль почвы в биосфере и значение для человека
Первоначально люди отождествляли почву с землей – участком поверхности, на которой обитает человек. С возникновением земледелия появилось представление о почве как об относительно рыхлом землистом слое, в котором укореняются наземные растения и который служит предметом земледельческой обработки. Такое простое представление о почве вполне удовлетворяло человечество в течение нескольких тысячелетий. В конце XVIII – начале XIX века в рамках агрогеологии появилось одно из первых научных определений почвы – это рыхлая горная порода, образующаяся из плотных горных пород под влиянием выветривания. Оно сохранялось до появления работ В.В.Докучаева, который показал научную несостоятельность такого понимания почвы и дал новое определение почвы как развивающегося природного тела.
В.В.Докучаев (1883) впервые установил, что почва – это самостоятельное природное тело и ее формирование есть сложный процесс взаимодействия материнской горной породы, климата, рельефа, живых организмов, помноженный на время. Самое главное в докучаевском определении почвы, сыгравшем столь выдающуюся роль в развитии новой науки, – это то, что оно, во-первых, ставит почву в ряд самостоятельных природных тел, качественно отличающихся от всех иных тел природы, во-вторых, показало, что почва эволюционирует во времени и пространстве, в-третьих, – подчеркнуло наличие функциональных связей между почвой и всеми другими природными телами и явлениями. Следовательно, и изучать данный объект должна самостоятельная наука – почвоведение.
Рассматривая почву как самостоятельное природное тело, нельзя не отметить такое существенное свойство, как плодородие, которое отличает ее от бесплодной горной породы. Академик В.Р.Вильямс дал следующее определение почвы: «Когда мы говорим о почве, мы разумеем рыхлый поверхностный горизонт суши Земного шара, способный производить урожай растений». Подходы В.В.Докучаева и В.Р.Вильямса взаимно дополняют друг друга, поэтому принято следующее определение: почва – это верхний рыхлый слой земной коры, который видоизменен и продолжает видоизменяться под взаимным влиянием горных пород, климата, рельефа, живых организмов, времени и хозяйственной деятельности человека, качественным показателем которого является плодородие.
Почва занимает промежуточное положение между живым (живущие организмы) и косным (горные породы, минералы) веществом биосферы и является, по выражению академика В.И.Вернадского, биокосным телом природы. Особое положение почвы определяется тем, что в ее составе участвуют как минеральные, так и органические и большая группа специфических органических и органоминеральных соединений – почвенный гумус. Неотъемлемую частью почвы – живую фазу – составляют живые организмы: корневые системы растений, почвообитающие животные, микроорганизмы. Поэтому почва является многофазной системой, включающей твердую, жидкую, газообразную и живую фазы в отличие от других природных тел.
Почва образуется в зоне контакта всех сфер Земли и формирует особую геосферу – педосферу, или почвенный покров. Благодаря этому почва выступает не только как результат взаимодействия разных сфер, но и сама играет большую роль в их функционировании. Её рассматривают как особую природную мембрану (биогеомембрану), регулирующую взаимодействие между биосферой, гидросферой и атмосферой Земли, роль которой для планеты так же важна, как роль кожного покрова для человека.
Прежде всего следует отметить общепланетарное значение почвы. Она обеспечивает существование жизни на Земле, являясь не только жизненным пространством для наземных организмов растительного и животного мира, но и служит основным источником питания и воды для растений, а через них и животные, и человек получают необходимые вещества для создания своей биомассы. Благодаря ее поглотительной способности осуществляется удержание минеральных, органических веществ, микроорганизмов и не допускается их вымывание с водой или выдувание ветром. В почве осуществляется превращение веществ из одной формы в другую, доступную для питания растений. Почва выполняет санитарные функции, способствует очищению воды, воздуха, разрушению многих вредных веществ, является барьером для болезнетворных микроорганизмов, вирусов и других источников инфекционных заболеваний. Нехватка или избыток отдельных химических веществ и их соединений в почве вызывают многие специфические заболевания (рахит, зоб, онкологические и др.). Почва выполняет функцию буфера и защищает поверхность суши от перегревания, переувлажнения или высушивания и т.д.
Важнейшая глобальная функция почвы – это обеспечение постоянного взаимодействия большого (геологического) и малого (биологического) круговоротов веществ. В случае нарушения почвенного покрова происходит принципиальное изменение в соотношении этих круговоротов в сторону ослабления биологического и усиления геологического, вследствие чего существует угроза быстрой потери многих биогенных элементов ландшафтами плакоров (водоразделов).
Большое влияние оказывает почва на литосферу, гидросферу и атмосферу. В литосфере почва является источником веществ, которые участвуют в образовании минералов, горных пород, полезных ископаемых. Среди минералов следует отметить прежде всего вторичные минералы, минералы легкорастворимых солей. Под влиянием почвенных процессов образовывались мощные толщи осадочных отложений (континентальных и морских), в которых находятся многие полезные ископаемые – уголь, нефть, фосфориты, бокситы, каменная соль, глина и др. Благодаря свойствам почвы атмосферная влага, выпадающая на поверхность суши, разделяется на поверхностный, почвенный и подземный сток, что уменьшает эрозионное разрушение литосферы.
Влияние почвы на гидросферу проявляется не только в трансформации поверхностных вод в грунтовые и участии в формировании речного стока и водного баланса, но и, в конечном счете, во всем круговороте воды на Земном шаре; при прохождении атмосферных осадков через почвенный профиль изменяется их химический состав, причем он всецело зависит от характера почвы. Особенностью почвы является быстрое обновление в ней воды. Если в Мировом океане полное обновление воды происходит на протяжении 3 тыс. лет, то почвенная вода обновляется за 1 год. В связи с тем, что в воду попадает большое количество почвенных веществ, почва представляет собой важный фактор биопродуктивности водоемов, а также играет роль защитного барьера акваторий, поглощая многие вредные вещества на пути их миграции в водные экосистемы. Воздействие почвы на атмосферу обусловлено тем, что почвенный воздух находится в постоянном взаимодействии с атмосферным. Почва «дышит» (с выделением СО2) и при этом в атмосферу попадает от 1 до 4 тыс. литров в час с гектара почвенного газа. В верхней части почвы воздух обновляется за 1 час. Важное место занимает и противоположный процесс – поглощение почвой газов (азота, оксида углерода (II), диоксида серы, этилена и др.). Почва участвует в поглощении и отражении солнечной энергии, а значит, и в формировании теплового режима атмосферы. Она является также источником попадания в атмосферу твердых частиц и микроорганизмов, которые конденсируют влагу, уменьшают приток тепла и света.
Огромна роль почвы и в жизни человека. Благодаря такому свойству, как плодородие, почва выступает основным условием возникновения и средством сельскохозяйственного производства. В этом качестве она характеризуется следующими особенностями: ограниченностью, незаменимостью, неперемещаемостью и плодородием. Эти особенности подчеркивают необходимость исключительно бережного отношения к почвенным ресурсам и постоянной заботы о повышении плодородия почв. Используя почву как средство производства, человек существенно изменяет почвообразование, влияя как непосредственно на свойства почвы, ее режимы и плодородие, так и на природные факторы, определяющие почвообразование. Следовательно, почва является не только объектом, но и продуктом человеческого труда. Обеспечивая получение основной массы сырья и продуктов питания, необходимых для человека, почва является основой существования человечества на Земле.
§3. Краткая история развития почвоведения
Интерес человека к почве отмечается с самого начала появления цивилизации, однако изучение и накопление эмпирических знаний о почве началось фактически с возникновением земледелия.
Археологические раскопки показывают, что земледелие развивалось быстрее и эффективнее в районах с плодородными почвами. Эти районы необходимо было найти и научиться использовать почвы. Таким образом, первоначальные сведения были необходимы человеку для того, чтобы определить на местности почвы, наиболее подходящие для различных видов сельскохозяйственного производства. В зависимости от свойств почвы делились на группы. Об том известно уже с X – VIII вв. до н.э. В Древнем Египте почвы подразделялись на «пшеничные», «виноградники и сады», «степные», «водно-болотные». В IV в. до н.э. в Китае разработана пятиступенчатая группировка почв, которая фактически используется до сих пор. Выделялись почвы черные (север Китая), белые (пустыни и полупустыни), синие (заболоченные), красные (тропики и субтропики), желтые (лессовые плато Китая). В древних цивилизациях (Индия, Месопотамия, Китай) уже много знали о важнейших свойствах почв, их использовании, способах улучшения (прежде всего орошение и осушение). Среди письменных памятников этого времени с описанием качества земли следует отметить египетские «Бруклинский папирус» и «Палермский камень» (3500 – 3000 до н.э.), знаменитый вавилонский «Кодекс Хаммурапи» (1750 до н.э.) – первое известное земельно-водное законодательство. В трудах ученых Рима и Античной Греции (Феофраст, Геродот, Вергилий) были обобщены известные на тот момент (VIII в. до н.э. – III в. н.э.) сведения о почве, их земледельческом использовании и установлено, что почва – особое вещество, изменчивое в пространстве, имеет такое свойство как плодородие, что сказывается на урожайности как дикорастущих, так и культурных растений. Особую известность получил трактат древнеримского ученого Колумеллы «О сельском хозяйстве», который явился первой в мире сельскохозяйственной энциклопедией, где можно было найти самые разнообразные сведения о почвах разных регионов, их плодородии, классификации, обработке, удобрении. Таким образом, благодаря исследованиям древних ученых в этот период была проведена систематизация сведений о почве, их классификация, получены первые научные сведения о географии почв, возможностях удобрения.
В период средневековья общий упадок сельского хозяйства привел к тому, что многие знания были утрачены и только в XV – XVII вв. возродились исследования о свойствах почв, появилась теория водного (Френсис Бэкон) и солевого (Бернар Палисси) питания растений, о круговороте веществ и формировании почв под воздействием растений (Авиценна, Леонардо да Винчи). К этому периоду относятся первые научные исследования на Киевской Руси, Беларуси, Украине. В XVI в. вышел Статут Великого княжества Литовского и другие книги, где приводились сведения о качестве земель и организационно-юридические вопросы их использования, обмена, купли-продажи, охраны.
На рубеже XVIII – XIXвв. в Европе возникла острая потребность в увеличении количества продуктов питания, вызванная развитием промышленности и ростом городского населения, а также растительного и животного сырья для перерабатывающей промышленности. Натуральное хозяйство не удовлетворяло растущие потребности, и нужно было изыскать пути повышения продуктивности почв. Решение этой проблемы стало жизненной необходимостью. Изучение физических, химических, биологических свойств почв, оценка урожайности сельскохозяйственных культур, применение удобрений и агротехнические мероприятия способствовали росту знаний о свойствах плодородия почв.
В конце XVIII в. немецкий профессор Альбрехт Тэер предложил гумусовую теорию питания растений, в которой он пытался доказать, что растения питаются непосредственно органическим веществом. В подтверждение этой теории приводились доводы о том, что почвы темноокрашенные, удобряемые навозом, обладают высоким плодородием. Тэер также разработал первую классификацию форм гумуса. Теория гумусового питания растений держалась до 1840 года, когда появилась книга Юстуса Либиха «Химия в приложении к земледелию и физиологии растений». В ней было доказано, что растения усваивают из почвы минеральные питательные вещества. На основании теории минерального питания растений Ю.Либих предложил применение минеральных удобрений для увеличения урожайности сельскохозяйственных культур. Появилась новая наука – агрокультурхимия, которая занималась разработкой способов применения удобрений. Однако почву стали рассматривать как инертную среду, смесь органических и минеральных соединений, плодородие которой зависит от внесения удобрений.
В России активно начали изучать свойства почв в первой половине XIX века, в 1851 г. была создана первая почвенная карта европейской части России. Василий Васильевич Докучаев (1846 – 1903) – основоположник научного почвоведения, в 1883 г. опубликовал монографию «Русский чернозем» в которой показал, что почва – есть самостоятельное естественноисторическое тело, образовавшееся в результате совокупной деятельности пяти факторов почвообразования: материнской породы, растительных и животных организмов, климата, рельефа, геологического возраста. Растительность, поселяющаяся на горных породах, вызывает в них ряд изменений, в результате которых порода превращается в новое тело природы – почву. Почвенная микробиота и метаболические процессы трансформации органического вещества усиливают влияние растительности. Год выхода этой книги и считается годом появления почвоведения как науки. Помимо учения о факторах почвообразования, В.В.Докучаев дал первую научную классификацию почв, разработал методику их исследования и оценки, составления почвенных карт.
Большой вклад в создание научного почвоведения внес российский ученый
П.А.Костычев (1845 – 1895). По его мнению, ведущими факторами почвообразования являются биологический процесс и биогенность почвы. Плодородие почвы зависит не только от химических процессов, совершающихся в ней, но и в равной мере от ее физических и биологических свойств. П.А.Костычев развивал агрономическое почвоведение, он изучал способы обработки почв, применения органических и минеральных удобрений, борьбы с засухой и эрозией почв, подчеркивал значение гумуса в восстановлении структуры и поддержании плодородия чернозема.
Н.М.Сибирцев (1860 – 1900) обобщил учение В.В.Докучаева о происхождении почв и представления П.А.Костычева о почве как среде, способной удовлетворить потребности растений в питании и влаге, написал первый учебник почвоведения, уточнил докучаевскую классификацию почв и концепцию бонитировки почв, которая практикуется в настоящее время.
К.Д.Глинка (1867 – 1927) разработал вопросы генезиса, географии и классификации почв.
К.К.Гедройц (1872 – 1932) разработал учение о поглотительной способности почв и приложил его к решению практических задач применения удобрений, обосновал мероприятия по известкованию и фосфоритизации почв. Фундаментальные методики лабораторных анализов почв, разработанные К.К.Гедройцем, широко используются и поныне.
В.Р.Вильямс (1863 – 1939) показал, что главным признаком всех почв, отличающим их от материнских пород, служит концентрация элементов питания в них, которая создается под воздействием растительности на почвообразующую породу, разработал схему управления плодородием почв.
Д.Н.Прянишников (1865 – 1948) основоположник агрохимической ветви почвоведения, исследовал химию почв, занимался обоснованием рационального применения азотных, фосфорных и калийных удобрений.
Теоретической и практической основой современного почвоведения являются работы по исследованию органического вещества почв И.В.Тюрина, М.М.Кононовой, Л.Н.Александровой и др., почвенных процессов и режимов – А.А.Роде, И.С.Кауричева и др., геохимии и эволюции почв – Б.Б.Полынова, М.А.Глазовской и др., агрофизических и мелиоративных свойств – Н.А.Качинского, В.А.Ковды, Л.П.Розова, В.В.Егорова и др., структуре и бонитировке почвенного покрова – В.М.Фридлянда, Т.А.Романовой и др., биогенности почв – Е.М.Мишустина, Д.Г.Звягинцева и др. В последние годы на первый план выходят проблемы охраны почвенного покрова и его рационального использования, прогнозирование будущего состояния почв. В авангарде оценки антропогенного воздействия на почвы и разработки прогнозов стоят научные работы белорусских и российских почвоведов и агрохимиков Т.Н.Кулаковской, И.М.Богдевича, Н.П.Смеяна, В.С.Аношко, С.Е.Головатого, Н.Н.Бамбалова, Г.В.Добровольского, Е.Д.Никитина и др.
§4. Земельные ресурсы мира и Республики Беларусь
Площадь поверхности Земли составляет 510 млн. км2, из которых 361 млн. км2 (71 %) занимает океан, 149 млн. км2 (29 %) – суша. Земельный фонд нашей планеты представлен следующим образом:
● леса и лесопосадки – 40,3 млн. км2 (27 %);
● естественные луга и травяно-кустарничковые пастбища – 28,5 млн. км2 (19 %);
● земледельческая площадь – 19,0 млн. км2 (13 %), из которой
чисто посевная – 10,8 млн. км2,
орошаемая, осушаемая – 2,2 млн. км2;
● неорошаемые пустыни, прибрежные пески и скальные грунты – 18,2 млн. км2 (12,2 %);
● ледники – 16,3 млн. км2 (11 %);
● тундра и лесотундра – 7,0 млн. км2 (4,7 %);
● полярные и высокогорные пустыни – 5,0 млн. км2 (3,3 %);
● антропогенный бедленд (испорченные земли) – 4,5 млн. км2 (3 %);
● болота – 4,0 млн. км2 (2,7 %);
● озера, реки, водохранилища – 3,2 млн. км2 (2,1 %);
● земли городского и промышленного назначения – 3,0 млн. км2 (2,0 %).
Как видно, сельскохозяйственные земли занимают всего лишь 11 %, большие площади заняты горами, пустынями, ледниками. В последнее время наблюдается тенденция сокращения земледельческой площади с одновременным уменьшением обеспеченности пашней и лесными угодьями на 1 человека. Одной из причин этого является опустынивание (по данным ООН, каждый год на 21 млн. га растет площадь земель с нулевой продуктивностью) в результате деятельности человека и изменения климата.
Почвенно-земельные ресурсы являются частью национального богатства нашей республики. Земельный фонд Республики Беларусь на 1.01.2005 г. составлял 20759,8 тыс. га, в том числе:
● площадь сельскохозяйственных земель – 9106,7 тыс. га;
из них пахотные – 5568,7 тыс. га,
● площадь лесных земель государственного лесного фонда и земли под древесно-кустарничковой растительностью – 8750,2 тыс. га;
● болота – 923,5 тыс. га;
● водные объекты – 477,4 тыс. га;
● дороги, улицы, площади и др. – 832,8 тыс. га;
● нарушенные земли – 6,8 тыс. га;
● другие – 652,4 тыс. га.
За последние годы в земельном фонде Беларуси произошли структурные изменения, выразившиеся в уменьшении площади пахотных угодий за счет отвода их под сенокосы и пастбища.