CC BY
33
ГЕНЕЗИС И ГЕОГРАФИЯ ПОЧВ
УДК 631.48
ОПЫТ ОБРАБОТКИ БАЗЫ ДАННЫХ В ЦЕЛЯХ ИЗУЧЕНИЯ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ
ФОРМИРОВАНИЯ ПОГЛОТИТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ ПОЧВ
И.О. Алябина
Для изучения закономерностей формирования поглотительной способности почв была создана и обработана база данных, включающая около 750 описаний почвенных разрезов. Идентификация стадии развития почвенного поглощающего комплекса (ППК) и выделение «зрелых» по этому параметру почв проводились путем анализа распределений. Использование оригинальных методических приемов позволило подтвердить наличие связи величины емкости катионного обмена почв с содержанием валовых кальция и магния в материнских породах, предложить формулу этой связи, а также проанализировать влияние экологических факторов на формирование ППК.
Ключевые слова: поглотительная способность почв, почвообразующий потенциал материнской породы, база данных, методические приемы.
Введение
Поглотительная способность почв является важнейшей характеристикой, определяющей в первую очередь их плодородие. Почвенный поглощающий комплекс представляет собой «...наиболее ценную часть почвы и по мере его разрушения почва все более и более переходит из совокупности очень сложных и сравнительно малоустойчивых соединений, обусловливающих ее жизнь., — в смесь простых и устойчивых соединений, т.е. в мертвое тело» [7, с. 358]. К.К. Гедройц указывал, что процесс почвообразования состоит главным образом в изменении, создании и разрушении поглощающего комплекса. Формирование его происходит как под воздействием всех экологических факторов, так и «под влиянием только одного времени» [16, с. 45] в ходе почвообразования и эволюции почв.
Согласно В.И. Тюльпанову [30], механизм преобразования минеральной основы почв на земной поверхности един по своей сути. Эволюция состава и свойств почвы с момента начала почвообразования и до ее «естественной гибели» главным образом связана с эволюцией ее минеральной основы, которая протекает до стадии самых простых и самых устойчивых на земной поверхности соединений: оксидов железа, алюминия, титана, никеля, кобальта и некоторых других элементов. На этой стадии процесс почвообразования практически прекращается, поскольку растения не находят в минеральном субстрате необходимых питательных элементов. «Почва переходит в породу» [30, с. 10]. Однако в большинстве случаев всевозможные геологические катаклизмы, изменения экологических факторов прерывают или приостанавливают развитие почвы то на одной, то на другой
стадии, и она в редких случаях достигает своей «естественной гибели».
Формирование емкости катионного обмена, изменение ее величины, являющиеся непременным условием почвообразования и эволюции почв, следует считать вполне закономерными. Максимальную величину емкости поглощения, которую могут иметь сформированные на той или иной породе почвы (за исключением органических горизонтов и почв, развивающихся при значительном поступлении веществ из других источников), мы предложили называть «почвообразующим потенциалом» породы [1—3].
Термин «почвообразующий потенциал» (ПП) в последние годы получил достаточно широкое распространение. Он используется и исследуется как по отношению к отдельным факторам или группе факторов (частный ПП), так и к географической среде или всей совокупности природных факторов (интегральный ПП) [8, 10, 11, 29, 33]. Говоря в данной работе о ПП исходной или первичной материнской породы, мы имеем в виду магматические или метаморфические породы, вышедшие на дневную поверхность.
Изменение поглотительной способности
почв во времени
В общем виде изменение емкости катионного обмена (ЕКО) верхней части коры выветривания, или почв с нуль-момента до стадии остаточного глу-боковыветрелого элювия, можно представить в виде кривой 1, изображенной на рис. 1.
Все почвы по степени развития емкости катион-ного обмена могут быть разделены на три группы. В первую входят почвы с емкостью поглощения, еще не достигшей предельно возможной величины, —
Рис. 1. Схема изменения поглотительной способности почв во времени: 1 — естественное развитие ЕКО; 2 — ускоренное развитие ЕКО без разрушения ППК;
3 — то же с разрушением ППК
«молодые» почвы. Вторая объединяет «зрелые» почвы, в которых полностью реализован почвообразующий потенциал породы, — почвы, имеющие максимально возможную емкость поглощения. И, наконец, третью группу составляют «стареющие» почвы, поглощающий комплекс которых начал разрушаться, а ЕКО — уменьшаться.
Почвы первой и третьей групп представляют собой развивающиеся системы, стремящиеся к равновесному состоянию с внешними факторами. Вторая группа включает почвы, находящиеся в относительном равновесии с условиями среды, т.е. стабильные системы. В данном случае равновесие — это взаимокомпенсация одних процессов и элементов системы другими [19]. Пользуясь терминологией И.А. Соколова и В.О. Таргульяна [25], можно сказать, что возраст этих почв соответствует характерному времени формирования почвенного поглощающего комплекса для данных условий, в первую очередь климатических.
Ширина основания пика кривой 1 соответствует времени прохождения породой полного цикла почвенного развития. Достижение максимально возможной емкости поглощения в почвах, видимо, происходит быстрее, чем последующий процесс «старения», т.е. образования глубоковыветрелого элювия с крайне низкой поглотительной способностью.
Достижение почвами состояния конечной зрелости возможно только на древних не эродированных участках суши в тропических и субтропических зонах. Возраст (суммарный, не конкретный) этих феррал-литных, аллитных, ферритных почв измеряется сотнями тысяч и миллионами лет [28, 29]. По мнению В.А. Ковды [15], возраст аллитных бокситовых почв и латеритов достигает нескольких десятков миллионов лет. Очевидно, возраст этих наиболее древних кор выветривания и почв и будет тем временем, за которое емкость катионного обмена прошла весь путь развития в почвах, сменявших друг друга по мере выветривания исходных материнских пород.
Возможность реализации почвообразующего потенциала породы, а также скорость изменения емкости катионного обмена почв зависят от ряда
факторов: состава и плотности пород, рельефа, климата, растительности, подтока минерализованных вод, поступления свежего материала (например, пеплов в зонах развития вулканических почв, делювиальных и пролювиальных отложений в предгорных районах, аллювиальных наносов в долинах рек и т.п.). В связи с этим кривая развития емкости катионного обмена почв может иметь различный вид (рис.1). Он зависит от почвообразующего потенциала первичной материнской породы, а также наличия условий, позволяющих этому потенциалу реализоваться [2, 3].
Высота пика кривой 1 определяется почвообразующим потенциалом исходной материнской породы, т.е. максимальной величиной емкости поглощения, которую могут иметь сформированные на данной породе почвы.
Роль химического состава породы
в процессе почвообразования
Роль породы как одного из почвообразующих факторов хорошо известна. А.А. Роде [21] относил материнскую породу к факторам активным, поскольку она является не только источником веществ, из которых формируется почва, но и источником энергии — химической, поверхностной, тепловой.
Еще в 1932 г. Н.И. Соколов [26] писал, что обменная способность почв стоит в строгой зависимости от материнской породы, наследуется почвой и изменяется в дальнейшем в ту или другую сторону в зависимости от типа почвообразования. Многочисленные исследователи подчеркивали связь ЕКО и других почвенных характеристик с составом почвообразующих пород. Согласно Г. Иенни [13], именно материнская порода обусловливает пространственное варьирование почвенных признаков в пределах данного типа.
Известно, что на богатых кальцием и магнием породах формируются почвы с высокой емкостью катионного обмена и большой степенью насыщенности почвенного поглощающего комплекса. В ряде работ можно найти непосредственные указания на роль этих элементов в формировании величины ЕКО почв. Причем они могут содержаться как в материнской породе, так и в мертвом органическом веществе, атмосферных осадках, грунтовых или поверхностных водах, пирокластическом материале, приносящих дополнительное количество кальция и магния.
Однако главным и основным источником веществ в процессе почвообразования является материнская порода. Содержание кальция и магния в ней играет существенную роль в эволюции почв [12]. Первостепенное влияние их количество оказывает на формирование емкости катионного обмена и ее величину. Это объясняется тем, что образование в почве гумуса, тонкодисперсных фракций, минералов с высокой
поглотительной способностью, являющихся носителями ЕКО, находится в прямой связи с содержанием данных элементов в материнских породах.
Первая попытка установить количественную связь емкости катионного обмена почв и химического состава материнских пород позволила утверждать, что ЕКО почв находится в прямой зависимости от содержания кальция в первичной почвообразующей породе [1].
Данные из литературных источников (всего более 200 описаний почвенных разрезов) были в виде точек нанесены на график. По оси абсцисс отложено содержание валового кальция в первичных материнских породах, а по оси ординат — величина емкости кати-онного обмена сформировавшихся на них почв. По максимальным значениям ЕКО проведена огибающая кривая наибольшей ее величины, которую могут иметь почвы на исходных породах с определенным содержанием кальция.
Было показано, что каждой первичной породе, в зависимости от содержания в ней кальция, соответствует почва со вполне определенной величиной максимально возможной емкости катионного обмена. Причем, величина эта может быть теоретически рассчитана и она не зависит от того, к какому типу относится почва. То, что емкость катионного обмена не является отличительным признаком каждого почвенного типа и сильно варьирует в рамках любой почвенной разности, подтверждают данные многочисленных исследователей.
В ходе анализа собранного массива данных был выявлен ряд закономерностей. Так, на породах с содержанием кальция менее 1% не встретились почвы с ЕКО выше 10—15 мг-экв/100 г. В изученных случаях это альфегумусовые подзолы, дерново-подзолистые, оподзоленные буроземы, охристые оподзоленные почвы. На гранитах, гнейсах, кристаллических сланцах с количеством кальция около 1,4% в различных климатических условиях формируются почвы с ЕКО, не превышающей 15—20 мг-экв/100 г. В проанализированном материале это альфегумусовые подзолы, подзолистые, кислые буроземы, красные и красно-бурые почвы саванн — ферроземы. Почвы с аналогичной максимальной емкостью катионного обмена — подзолистые1 и почвы пустынь — развиты на песках с содержанием кальция 1,7%.
Исходные породы с количеством кальция, превышающим 2% (лёссовидные суглинки, двучленные насосы на лёссовидных суглинках), дают возможность ЕКО формирующихся на них почв достигнуть величины 30—35 мг-экв/100 г (черноземы, элювиземно-подзолистые поверхностно-глееватые). На карбонатных моренах и карбонатных лёссовидных суглинках (содержание Са более 3%) в условиях разных растительных зон образуются дерново-карбонатные, серые лесные, черноземы и каштановые почвы. В них ЕКО достигает 35—45 мг-экв/100 г почвы.
Максимальную емкость катионного обмена, равную 45—50 мг-экв/100 г, на полимиктовых третичных глинах (содержание кальция более 4%) имеют черноземы, солонцы и каштановые почвы. Траппы и осадочные породы с количеством кальция более 5% полностью реализуются в регурах (тропики и субтропики) и слитоземах Волго-Ахтубинской поймы. ЕКО этих почв достигает 50—60 мг-экв/100 г. Содержание в материнских породах более 6% валового кальция позволяет развивающимся на них почвам иметь ЕКО 50—70 мг-экв/100 г. В обработанных данных это ан-досоли на вулканических пеплах, на магматических породах — буроземы в умеренном, желто-коричневые, черные слитые, коричневые в субтропическом и тропическом поясах.
Максимальную емкость катионного обмена в изученных материалах имели черно-бурые почвы Западного Тянь-Шаня. В почвах, сформированных на лёссовидных карбонатных наносах с содержанием кальция около 9%, ЕКО достигает 80 мг-экв/100 г.
Из обработанного массива данных видно, что дальнейшее увеличение количества кальция в исходных почвообразующих породах (мергелях, известняках, доломитах) не привело к росту емкости катионного обмена развитых на этих породах почв. Объяснение этому факту можно найти в литературе. Образование различных типов почв на таких материнских породах обусловлено прежде всего минералого-химическим составом примесей, содержащихся в породе в количестве, не превышающем в среднем 10% [13, 32]. Емкость катионного обмена почв на карбонатных породах также непосредственно не связана с содержанием карбонатов. Более того, согласно данным L.G. Shields и M.W. Meyer [34], карбонаты, имеющие незначительную ЕКО, являются как бы «разбавителями» почв, уменьшающими их емкость катионного обмена пропорционально весу карбонатной фракции.
Таким образом, обработанные данные позволили сделать вывод, что каждой первичной материнской породе, в зависимости от содержания в ней кальция, соответствует почва со вполне определенной величиной максимально возможной емкости катионного обмена [1]. Содержание кальция в почвообразующей породе является фактором, ограничивающим поглотительную способность формирующихся на этих породах почв.
Методические приемы обработки базы данных
Для подтверждения выдвинутой гипотезы была создана и обработана база данных СЕС, включающая около 750 разрезов. Источником послужили литературные и собственные материалы, всего 238 наименований [3].
Базу данных составили описания почв, сформированных на самых разных почвообразующих породах, в различных условиях. Критерием отбора служило
1 Здесь и далее использованы авторские названия почв.
3 ВМУ, почвоведение, № 4
наличие следующей информации: для почвы — содержание гумуса или органического вещества (%), содержание ила (%), рН, емкость катионного обмена или другой показатель, характеризующий катионо-обменную способность почв (мг-экв/100 г почвы), валовое содержание кальция (%), валовое содержание магния (%); в породе — валовое содержание этих элементов (%).
В базу данных СЕС вошли почвы, имеющие самую разную по величине емкость катионного обмена. Наибольших значений (60,3—63,9 мг-экв/100 г) ЕКО достигает в почвах на карбонатных породах: арктотун-дровой перегнойно-карбонатной о. Вайгач, палевой карбонатной северо-востока Азии, дерново-карбонатной псевдооподзоленной Южной Якутии, горнолуговой черноземовидной Северного Кавказа.
Большинство почв, составивших базу данных СЕС, сформированы на породах, сумма кальция и магния в которых не превышает 10%. Почвообразующие породы, в которых сумма Са и Mg составляет более 20%, представлены в основном карбонатными породами. Исключением является элювий пироксенита, содержащий эти элементы в количестве 25%. Максимальное содержание кальция и магния в материнской породе почвы, вошедшей в базу данных, — 54,5%.
При обработке результатов руководствовались рядом общих принципов. Для каждого почвенного разреза, использованного в работе, основываясь на приведенных данных физико-химического и валового анализов, рассчитывали средневзвешенные величины всех параметров отдельно для почвы и породы. В качестве веса использовали мощность горизонта. Если такой возможности не было, то определяли средние арифметические значения параметров.
Величины, характеризующие поглотительную способность почв, получены разными авторами с применением разных методов. Более того, не в каждой работе имелось указание на способ определения емкости катионного обмена или суммы обменных оснований почв. При сравнении всех этих разрозненных данных исходили из того, что недостатком большинства известных методов определения емкости катионного обмена почв является потеря той или иной части ЕКО. Завышены могут быть лишь результаты при определении суммы поглощенных оснований методом Пфеффера в почвах хлорид-но-сульфатного и сульфатного типов засоления, а также при экстрагировании из некоторых минералов необменных форм катионов [31]. В связи с этим при наличии результатов определения поглотительной способности почв несколькими способами в расчет принималась максимальная величина.
При обработке материалов учитывались только минеральные горизонты. Органические, т.е. содержащие, согласно «Индексам и определениям почвенных горизонтов» [14], более 35% органического вещества, в расчет не включались.
К определению почвообразующей породы подходили дифференцированно. Чаще всего в работах
приводятся данные, относящиеся к гор. С, т.е. материнской рыхлой породе, не существенно измененной почвообразованием. Известно, однако, что валовой состав генетических горизонтов почв, развитых на плотных породах, не всегда корректно сравнивать с мелкоземом нижнего горизонта, поскольку рыхлые отложения могут быть обеднены кремнеземом по сравнению с коренными породами в результате водной и эоловой сортировки материала [20, 27]. Кроме того, для ряда почв установлена специфичность внутригоризонтального почвенного выветривания, приводящая к существенному отличию химического состава мелкозема от состава исходной плотной породы [24]. С учетом вышеизложенного, при наличии материала по исходной почвообразующей породе, в том числе и плотной, предпочтение отдавалось этим данным. Подстилающая порода, вовлеченная в процесс почвообразования, двучленные отложения, наличие вулканического пепла в почвах на кристаллических породах и т.п. также учитывались при расчетах валового содержания кальция и магния в почвообразующей породе.
Полученный таким образом материал (гумус, ил, рН, ЕКО, валовые Са и Mg почвы, а также валовое содержание этих элементов в породе для каждого почвенного разреза) был обработан с помощью программ DAC и Statgraphics. Расчеты показали, что в обработанной совокупности данных практически отсутствует зависимость между величиной емкости катионного обмена и содержанием в почвах гумуса, а также ЕКО и значением водного рН. Обнаружено лишь наличие слабой связи величины емкости катионного обмена с количеством ила в почвах (коэффициент корреляции составляет 0,62).
Для установления количественной зависимости максимально возможной величины емкости катион-ного обмена почв от валового содержания кальция и магния в материнских породах, на которых они сформированы, из всей отобранной совокупности данных потребовалось выделить почвы, в которых полностью реализован почвообразующий потенциал породы, т.е. почвы, имеющие максимально возможную емкость поглощения. Это должны быть «зрелые» почвы, находящиеся в относительном равновесии с внешними факторами.
В основу выделения этой группы был положен анализ распределений величины ЕКО почв. Исходили из известного положения: когда случайная величина связана с большим числом независимых случайных величин, играющих в ее образовании незначительную роль, в выборке имеет место нормальное распределение. Кроме того, имеются подтверждения тому, что нормальное распределение характеризует устойчивые системы, потерявшие способность к развитию, т.е. анализ распределений может быть полезен не только для определения текущего состояния систем, но и для идентификации стадии их развития [35 и др.]. Емкость катионного обмена почв — это параметр, связанный с различными природными факторами и
почвенными характеристиками. Очевидно, существует группа почв, варьирование величин ЕКО в которых подчиняется закону нормального распределения. Теоретически эта группа должна включать относительно стабильные системы, т.е. «зрелые» почвы с максимально возможной поглотительной способностью, в которых полностью реализован почвообразующий потенциал материнских пород (рис. 1).
Проверка типа распределения показала, что распределение величин емкости катионного обмена для всей совокупности данных базы СЕС отличается от нормального. Согласно нашему предположению, это объясняется тем, что в состав базы данных СЕС входят почвы, различающиеся по степени развития ЕКО.
Для определения почв, находящихся в относительно стабильном, равновесном состоянии, имеющих максимально развитую емкость обмена, применяли специальный прием — выделение совокупности нормально распределенных данных. Поскольку ранее была установлена корреляция максимально возможной величины ЕКО почв с содержанием валового кальция в материнских породах [1], весь массив данных требовалось предварительно разделить на группы по содержанию в породе суммы кальция и магния и уже в этих группах выделить нормально распределенные данные. Ввиду незначительного для статистической обработки количества данных база СЕС была разбита всего на пять частей (таблица).
Группировка базы данных СЕС для обработки
Группа почв Число разрезов Сумма валовых Ca и Mg в породе, %
1 119 Ъ < 1
2 224 1 < Ъ < 2
3 144 2 < Ъ < 3
4 71 3 < Ъ < 4
5 188 Ъ > 4
В каждой из полученных выборок проводили анализ распределений величин ЕКО почв. Было установлено, что во всех группах почв варьирование величины ЕКО не подчиняется закону нор- 70| мального распределения. Затем в полученных группах был произведен поиск величин ЕКО, _ 60,< выше которых данные были бы распределены £ нормально. Для этого в выборках последова- ° 50,< тельно отбрасывали часть данных, начиная с ^ минимальных величин, а в оставшихся про- 2 водили проверку типа распределения. Таким | 30)| способом для каждой из групп данных была ^ получена выборка наибольших в этой группе 20,1 значений ЕКО, подчиняющихся закону нор- ^ мального распределения. 10'(
Величину ЕКО, с которой начинается (
нормальное распределение значений емкости катионного обмена в выборке, мы назвали пороговой. По пороговым величинам ЕКО и соответствующим им средним значениям сум-
мы кальция и магния в породах (пять пар значений) было рассчитано уравнение степенной регрессии (коэффициент детерминации 0,81):
у = 21,09-х0,30, (1)
где х — сумма валовых Са и М^ породы (%), у — ЕКО почв (мг-экв/100 г).
На график (рис. 2) нанесены точки базы данных СЕС. Для большей наглядности он включает почвенные разрезы с содержанием валовых кальция и магния в породе менее 15%, что составляет свыше 96% всей базы данных (721 разрез).
Лежащие на линии, описываемой уравнением (1), и выше нее 135 точек теоретически соответствуют почвам, имеющим максимально возможную или близкую к ней величину емкости катионного обмена (база данных СЕСтах).
В состав выборки СЕСтах вошли почвы равнинных территорий (108 описаний почвенных разрезов), включая пойменные (10 описаний), а также горные почвы (27 описаний). Остановимся на некоторых выявленных закономерностях.
Горные почвы, достигшие по емкости катионного обмена стадии зрелости, представляют собой очень пеструю картину. Они встречаются практически во всех климатических и высотных поясах, на любых породах, под самой разной растительностью. Сами почвы также чрезвычайно разнообразны. В выборку вошли первичные почвы на граните, более 83% обменных катионов которых представлены водородом, а также лесные примитивно-аккумулятивные, альпийская дерново-торфянистая луговая, дерново-подзолистая и дерновая, различные лесные и бурые лесные, палевая карбонатная, черноземы и луговые черноземовидные почвы. Горные субтропики представлены желто-бурыми, бурыми ферраллитными и коричневыми почвами. Свойства всех этих почв весьма различны и соответствуют их классификационному положению.
Пойменные почвы, вошедшие в базу данных СЕСтах, принадлежат в основном бассейну Дона.
_
* ** / • \ ♦♦ * * ♦ * СЕСтах
* * * * t ♦* *♦ ____ * ' ♦♦ ** * ♦ ♦ ^^^^^ * ♦ * ♦ • ' . . / CECmin
* * , * * . ;
♦♦i *<*У f ** ♦♦ | | 1 1 1 1
2,0
4,0
6,0
8,0
10,0
12,0
14,0
Ca+Mg породы, %
Рис. 2. Размещение выборок СЕСтах и СЕСтт в общем массиве данных СЕС: верхняя кривая — уравнение 1; нижняя кривая — уравнение 2
В выборке встретилось только одно описание почвы на Оке — луговой типичной. Подавляющая часть пойменных почв, имеющих максимально возможную ЕКО, развиты под лесной растительностью. Их почвообразующими породами являются различные по механическому составу аллювиальные отложения, содержащие кальций и магний в незначительном количестве (1—2% и менее). Однако следует отметить тот факт, что данные пойменные почвы формируются при подпитке минерализованными грунтовыми или поверхностными водами, несущими дополнительное количество этих элементов. Величина рН почв варьирует от 6,0 (на Оке) до 7,9.
Наибольшую часть выборки СЕСтах составили почвы равнинных территорий. Так же, как и горные почвы, они встречаются во всех климатических поясах и растительных зонах бывшего СССР. Тундра представлена арктотундровой перегнойно-карбо-натной, различными глеевыми, а также тундровыми высокогумусными почвами. В таежной зоне это различные подзолистые и дерново-подзолистые почвы, палевые, дерновые, бурые лесные, а также охристо-подзолистая и дерново-карбонатная почвы. Наибольшее число почв, в которых реализован почвообразующий потенциал материнских пород и емкость катионного обмена имеет максимально возможную величину, встречается в лесостепной и степной зонах — это серые лесные, черноземные и луговые черноземовидные почвы. Зона сухих степей и полупустынь представлена разрезом темно-каштановой сильносолонцеватой солончаковой почвы и луговым слитым солончаком. В условиях субтропического климата составу пород наиболее соответствует ЕКО желтоземов и коричневых почв. Кроме того, в группу данных вошли желто-коричневая почва Китая, слитая коричневая полупустынная Восточного Судана и красно-желтая ферраллитная Индонезии. Почвообразующие породы всех этих почв крайне разнообразны.
Подводя итог вышесказанному, можно констатировать следующее. Любая исходная порода, независимо от состава, может пройти весь путь развития, реализуя свой почвообразующий потенциал, до сформирования на ней почвы, имеющей максимально возможную емкость катионного обмена. Наиболее часто это будут полноразвитые почвы равнинных территорий.
Более «молодые» пойменные почвы достигли состояния «зрелых» по емкости катионного обмена, видимо, благодаря участию в почвообразовательном процессе дополнительных количеств кальция и магния, приносимых с грунтовыми и поверхностными водами.
Горные почвы, вошедшие в выборку, обычно развиты на плоских вершинах, горных плато, в межгорных впадинах и на пологих склонах. Очевидно, они являются динамически «зрелыми», скорость
эрозионного процесса в них значительно меньше скорости выветривания и гумусообразования.
Рассмотренные почвы выборки СЕСтах по степени сформированности почвенного поглощающего комплекса относятся к «зрелым», емкость катионного обмена в них достигла максимально возможной величины или близка к ней.
Вместе с тем большая часть обработанных данных базы СЕС не вошла в группу почв, имеющих максимально возможную емкость катионного обмена. Точки, характеризующие эти почвенные разрезы, на графике (рис. 1) лежат ниже кривой, рассчитанной по формуле (1). Это объясняется тем, что почвы в реальных условиях часто не имеют емкости катионного обмена, которая потенциально могла бы сформироваться на данных материнских породах.
Различные экологические факторы (состав и плотность пород, рельеф, климат, растительность, поступление дополнительного материала) наряду с хозяйственной деятельностью человека оказывают существенное влияние на возможность реализации почвообразующего потенциала породы, а также на скорость изменения поглотительной способности почв. Они могут как способствовать, так и препятствовать формированию максимально возможной емкости катионного обмена, задерживая почвы на «молодых» стадиях развития или ускоряя процесс их «старения» путем разрушения почвенного поглощающего комплекса.
Для выявления закономерностей развития ЕКО почв, ее связи с различными природными факторами с помощью искусственного приема была получена выборка СЕСтт. На первом этапе база СЕС была также разделена на группы по содержанию в породе суммы кальция и магния. В этом случае было 13 групп. Первые 10 включают почвенные разрезы, в которых сумма валовых кальция и магния в материнской породе составляет соответственно < 1%;
I—2; 2—3; 3—4; 4—5; 5—6; 6—7; 7—8; 8—9 и 9—10%.
II-я группа содержит почвы с суммой кальция и магния в породе от 10 до 15, 12-я — от 15 до 20%. В последнюю группу входят почвы на породах с более чем 20% кальция и магния. В каждой из групп были определены средние арифметические значения ЕКО почв и суммы кальция и магния пород. По полученным данным (13 пар значений) рассчитано уравнение степенной регрессии (коэффициент детерминации 0,86):
у = 14,98- х0'26, (2)
где х — сумма Са и Mg породы (%), у — ЕКО почв (мг-экв/100 г).
Точки, лежащие ниже кривой, соответствующей уравнению (2), и составили выборку СЕСтт из 106 почвенных разрезов (рис. 2). Такой искусственный прием позволил четче выявить закономерности. В выборку вошли почвы, наиболее далеко отстоящие
по значению ЕКО от максимально возможной величины данного параметра. Теоретически это должны быть почвы на ранних или, напротив, поздних стадиях развития емкости катионного обмена — «молодые» или «старые» по степени развития ЕКО.
Около половины почв, вошедших в выборку СЕСтт и имеющих крайне незначительную поглотительную способность по сравнению с теоретически возможной величиной емкости катионного обмена, развиты на песчаных и супесчаных породах различного генезиса. Эти почвы представлены разрезами, расположенными на территории европейской части России (прежде всего — Северо-Запад), Эстонии, Литвы, Белоруссии, Западной и Средней Сибири, Северного Казахстана, Предбайкалья и Забайкалья. Набор почвенных разностей довольно однообразен: различные подзолы, подзолистые и дерново-подзолистые почвы. В случае вовлечения в процесс почвообразования более богатых подстилающих пород (карбонатная морена, ленточная глина и др.) авторы констатируют образование дерновых (Эстония, Смоленская обл.) или бурых лесных (Литва, Татарстан) почв. Кроме того, в эту группу попадают примитивные, аллювиальная, а также грубогумусная иллювиально-железистая и торфянистая иллювиаль-но-гумусовая почвы речных террас севера ЗападноСибирской низменности.
Среди других равнинных почв базы данных СЕСтт выделяются две группы. В первую входят таежные почвы холодных регионов страны: северного побережья Охотского моря, плато Путорана, Прибайкалья. Вторая группа состоит из сероземов Средней Азии и Южного Казахстана. Общим для всех является часто значительное количество кальция и магния в материнских породах (наиболее богаты этими элементами траппы на плато Путорана и гипсоносные отложения в Узбекистане).
Еще 22 почвы в базе данных СЕСтт — горные. Исходным материалом для них служат самые разнообразные материнские породы: как граниты, так и габбро-диориты и пироксениты, как пески и супеси, так и плотные кристаллические массивы. Развитые на этих породах почвы отнесены исследователями к различным тундровым и подзолистым почвам, выделены также подбур, бурая лесная, таежная торфянистая и почвы, названные авторами таежными литогенными. Часть горных почв является мерзлотными, что связано с их расположением в холодных областях субарктического пояса и в области резко континентального климата умеренного пояса. Кроме того, имеется несколько описаний тех же типов почв на территориях с более мягкими климатическими условиями — Урал и Дальний Восток. В данной группе особняком стоят слаборазвитая горная лесолуговая почва Кавказа, а также серозем, красновато-коричневая и светло-коричневая почвы Южного Казахстана и Таджикистана.
И, наконец, несколько почв базы данных СЕСтт, о которых следует сказать особо. Это почвы на древних корах выветривания. Только один почвенный разрез из вошедших в группу расположен на территории бывшего СССР — субтропический глеевый псевдопозол на красноземной коре выветривания. Остальные почвы представлены латеритом юга Китая и желто-красной латеритной и кварцево-ферраллит-ными желтыми Кубы. Очевидно, что эти почвы являются наиболее древними из всех описанных выше. Сумма кальция и магния в корах выветривания, а также самих почвах невелика (0,2—1,35%), а емкость катионного обмена не превышает 5,5 мг-экв/100 г почвы. Содержание гумуса и ила варьирует в довольно широких пределах, рН составляет от 4,7 до 5,9.
Таким образом, выборка СЕСтт включает, во-первых, почвы, в которых ЕКО еще не достигла потенциально возможной величины: на песчаных и супесчаных породах различного генезиса; развитые в условиях холодного, а также засушливого климата; горных регионов. Во-вторых, в базу данных СЕСтт вошли почвы на древних корах выветривания, ЕКО которых уже прошла, очевидно, период максимального развития. На примере почв, составивших эту выборку, четко прослеживается влияние экологических факторов на формирование поглотительной способности и выявляются причины, по которым может задерживаться формирование емкости катионного обмена почв такой величины, которая потенциально заложена в почвообразующих породах.
Прежде всего большое значение имеют свойства самих материнских пород, их плотность и состав. Известно, что на плотных породах почвы развиваются очень медленно и имеют укороченный профиль [5, 22]. Однако и для плотных кристаллических пород, и для рыхлых отложений одинаково важен состав. Выветривание любых пород обычно происходит тем быстрее, чем они более основные, т.е. содержат меньше кремнезема [4, 12, 22]. Неудивительно поэтому, что около половины почв данной выборки развиты на песчаных и супесчаных породах, содержащих от 59 до 97% кварца. Вместе с тем следует заметить, что и для песков возможна более полная реализация их почвенного потенциала. Так, в общей базе данных СЕС находится немало описаний почв на песчаных породах. Все они имеют гораздо более развитую емкость катионного обмена. Четыре разреза (не считая пойменных) вошли в группу почв, имеющих максимально возможную обменную емкость: две подзолистые альфегумусовые на морских отложениях, а также дерново-глеевая и бурая лесная. Их ЕКО составляет 22,3—35,7 мг-экв/100 г, причем значительная часть этих величин приходится на долю обменного водорода.
Другим фактором, задерживающим почвы на молодых стадиях развития и препятствующим формированию поглотительного комплекса с высокой
емкостью обмена, может служить их орографическое положение. Хорошо известно влияние на этот процесс рельефа как условия почвообразования [21]. Одной из причин широкого распространения в горах почв с крайне низкой по сравнению с теоретически возможной ЕКО может являться то, что процесс эрозии в данном случае обгоняет процесс внутрипочвенного выветривания и гумусообразования2. Однако при определенных условиях и горные почвы достигают стадии зрелости по емкости обмена. Примером служат горные почвы, вошедшие в выборку СЕСтах.
Значение растительности в почвообразовании исследовалось многими учеными. Еще в 1947 г. Б.Б. Полынов [17] писал, что живые организмы никогда не захватывают элементов в количествах, пропорциональных содержанию в среде, а по-своему их сортируют. Тем самым они активно изменяют свою собственную среду обитания. Ф. Дюшофур [12] подчеркивал, что климаксная растительность способна модифицировать химические особенности материнской породы, делая их более благоприятными для себя. В работе В.В. Пономаревой с со-авт. [18] отмечено влияние луговых трав о. Сахалин на процесс почвообразования. Авторы связывают разницу в величинах ряда показателей почв (рН, ЕКО, количество гумуса, степень насыщенности) с различным содержанием кальция в золе бамбука и крестовника, являющихся на острове растениями-почвообразователями. Интересно, что два описания почвенных разрезов, приведенные в этой статье, попали в разные выборки — одно с минимальной, а другое с максимально возможной ЕКО. Эпидотово-хлоритовые сланцы, служащие материнской породой этим почвам, в сумме содержат около 1,5% кальция и магния. Буро-таежная почва развита под зарослями курильского бамбука. В состав золы этого растения входит 0,13% этих элементов, и емкость катионно-го обмена почвы составляет менее 7 мг-экв/100 г. Дерново-буроземная почва сформировалась в тех же условиях, за исключением растительного покрова. Гигантский крестовник имеет иной зольный состав — 1,4% Са и Mg, а ЕКО почвы под ним превышает 30 мг-экв/100 г.
Не подлежит сомнению влияние на процесс развития емкости катионного обмена в почвах еще одного фактора — климата. Касаясь вопроса формирования элювия горных пород, Е.М. Самойлова [22] отмечала, что мощность коры выветривания определяется климатической обстановкой. Климат воздействует и на состав элювия, так как может ограничивать возможность полного прохождения породой стадий выветривания (по Б.Б. Полынову). Климатические условия влияют также на скорость прохождения стадий. Согласно И.А. Соколову [23, 24], холодный климат определяет не столько направление почвообразования, сколько его интенсивность, а почвообра-
зующий потенциал климата может характеризоваться, во-первых, мощностью толщи активного почвообразования и, во-вторых, степенью преобразованности исходных пород. Почвы, на которых действие этого фактора проявилось особенно ярко, составили в базе данных СЕСтт две группы почв, развитых в условиях холодного, а также засушливого климата. Недостаток тепла в одном случае и влаги в другом задерживает в них формирование емкости катионного обмена такой величины, которая потенциально заложена в почвообразующих породах.
Как уже говорилось, наиболее преобразованными и древними в обработанном массиве данных оказались почвы, развитые в достаточно влажных областях тропического и субтропического поясов на древних корах выветривания. На схеме почвенно-климати-ческих ареалов основных почвенных типов мира В.Р. Волобуева [6] они занимают крайнее положение на пересечении термо- и гидрорядов, характеризующееся высокой тепло- и водообеспеченностью. Очевидно, именно такой климат является необходимым условием для прохождения породой полного цикла развития, заканчивающегося образованием конечной ее формы, представленной, согласно В.И. Тюль-панову [30], латеритами, бокситами, железистыми латеритами, каолинитовыми глинами, имеющими крайне низкую емкость обмена.
Выводы
Методические приемы, использованные в ходе обработки базы данных СЕС и анализа полученного материала, позволили подтвердить гипотезу о закономерном формировании ППК в почвах.
Поглотительная способность почв определяется почвообразующим потенциалом первичной материнской породы, а максимально возможная величина ЕКО может быть вычислена по содержанию в ней кальция и магния.
Различные экологические факторы оказывают существенное влияние на возможность реализации почвообразующего потенциала породы, а также на скорость изменения поглотительной способности почв. Они способны как задерживать почвы на «молодых» стадиях развития, препятствуя формированию максимально возможной емкости катионного обмена, так и ускорять процесс их «старения» путем разрушения почвенного поглощающего комплекса.
Весь путь развития ЕКО проходит в почвах, формирующихся на материнской породе и последовательно сменяющих друг друга. Иными словами, емкости катионного обмена почв, представляющих собой эволюционный ряд на исходной почвообразу-ющей породе, составляют характеризующую данную породу кривую изменения поглотительной способности во времени.
2 По А.Н. Геннадиеву и Т.А. Соколовой [9], скорость проникновения процесса выветривания в глубь морены, обогащенной гранитом, в условиях континентального высокогорного климата Приэльбрусья измеряется миллиметрами в год.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алябина И.О. Емкость катионного обмена почв как функция состава материнских пород // Теоретические основы охраны почв. М., 1992.
2. Алябина И.О. Закономерности формирования поглотительной способности почв. М., 1998.
3. Алябина И.О. Экологическая оценка устойчивости почв и закономерности формирования их поглотительной способности: Дис. ... канд. биол. наук. М., 1995.
4. Белоусова Н.И., Тонконогов В.Д. Некоторые экспериментальные данные о выветривании вулканических пеплов Камчатки // Почвоведение. 1968. № 5.
5. Винокуров М.А, Колоскова А.В. Агрохимические показатели и водно-физические свойства черноземов Татарии на известняках // Почвоведение. 1975. № 3.
6. Волобуев В.Р. Введение в энергетику почвообразования. М., 1974.
7. Гедройц К.К. Учение о поглотительной способности почв // Гедройц К.К. Избр. соч. Т. 1. М., 1955.
8. Геннадиев А.Н. Почвы и время: модели развития. М., 1990.
9. Геннадиев А.Н., Соколова Т.А. Направление и скорость глинообразования в некоторых почвах Приэльбрусья // Почвоведение. 1977. № 6.
10. Герасимова М.И., Алябина И.О., Урусевская И.С. и др. Методические подходы к картографической оценке климата как фактора почвообразования // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2000. № 4.
11. Голеусов П.В., Лисецкий Ф.Н. Воспроизводство почв в антропогенных ландшафтах лесостепи. Белгород, 2005.
12. Дюшофур Ф. Основы почвоведения. Эволюция почв. М., 1970.
13. Иенни Г. Факторы почвообразования. М., 1948.
14. Индексы и определения почвенных горизонтов // Почвоведение. 1982. № 12.
15. Ковда В.А. Биогеохимия почвенного покрова. М., 1985.
16. Полынов Б.Б. Время как фактор почвообразования // Полынов Б.Б. Избр. тр. М., 1956.
17. Полынов Б.Б. Руководящие идеи современного учения об образовании и развитии почв // Там же.
18. Пономарева В.В. и др. Некоторые особенности почвообразования на о. Сахалин и вопросы экологии луговых трав // Почвоведение. 1971. № 10.
19. Пузаченко Ю.Г. Инвариантность геосистем и их компонентов // Устойчивость геосистем. М., 1983.
20. Роде А.А. К вопросу о рыхлых наносах как продуктах выветривания // Пробл. сов. почвоведения. Вып. 6. М.; Л., 1938.
21. Роде А.А. Почвообразовательный процесс и эволюция почв. М., 1947.
22. Самойлова Е.М. Почвообразующие породы. М., 1983.
23. Соколов И.А. Зональный спектр автономных почв и его эколого-генетический анализ // Почвоведение. 1988. № 3.
24. Соколов И.А. Некоторые теоретические итоги и проблемы изучения почв Восточной Сибири и Дальнего Востока // Там же. 1991. № 5.
25. Соколов И.А., Таргульян В.О. Взаимодействие почвы и среды: почва-память и почва-момент // Изучение и освоение природной среды. М.,1976.
26. Соколов Н.И. Материалы по обменной способности почв // Тр. Почв. ин-та им. В.В. Докучаева. Вып. 6. 1932.
27. Соколова Т.А. О влиянии пород на подзолообразование // Почвоведение. 1964. № 3.
28. Таргульян В.О. Проблемы зональности, возраста и зрелости почв гумидных областей мира // Почвы и их биологическая продуктивность. Тарту, 1979.
29. Таргульян В.О. Развитие почв во времени // Проблемы почвоведения. М., 1982.
30. Тюльпанов В.И. Особенности выветривания и почвообразования на породах различного генезиса: Автореф. докт. дис. М., 1993.
31. Хитров Н.Б., Понизовский А.А. Руководство по лабораторным методам исследования ионно-солевого состава нейтральных и щелочных минеральных почв. М., 1990.
32. Чирич М. Особенности образования почв на известняках и основы их классификации // Почвоведение. 1967. № 1.
33. Шоба С.А., Герасимова М.И., Таргульян В.О. и др. Почвообразующий потенциал природных факторов // Сб. науч. тр. Междунар. конф. «Генезис, география и экология почв». Львов, 16—18 сентября 1999 г. Львов, 1999.
34. Shields L.G., Meyer M.W. Carbonate Clay: Measurement and relationship to clay distribution and cation-exchange capacity // Soil Sci. Soc. Am. Proc. 1964. Vol. 28, N 3.
35. http://www.sci.aha.ru/
Поступила в редакцию 12.02.2009
DATABASE PROCESSING TO STUDY A MECHANISM OF CATION EXCHANGE CAPACITY DEVELOPMENT
I.O. Alyabina
An inclusive of about 750 soil pits database was gathered and processed to study a mechanism of cation exchange capacity development. The distribution analysis was applied for an identification of a stage of cation exchange capacity evolution and for a selection soils reached a mature CEC point. Unorthodox approaches to a problem allowed a verification of an interrelation between a quantity of cation exchange capacity in the soils and a percentage of total Ca and Mg in parent rocks. An equation of this relation was derived, and an ecological factors influence on CEC development was analyzed.
Key words: cation exchange capacity of soils, soil-forming potential of parent rocks, database, methodical approach.
Сведения об авторе
Алябина Ирина Олеговна, канд. биол. наук, доц. каф. географии почв ф-та почвоведения МГУ; тел.: 8 495 939-55-87; e-mail: alyabina@soil.msu.ru
