Структурные уровни организации почвы это

Фазы (части) почвы

Факторы почвообразования. Климат. Рельеф.

Фазы (части) почвы

Лекция 2.

Почва состоит из четырех (фаз или частей): твердой, жидкой, газообразной и живой.

Твердая фаза почвы. В состав твердой фазы почвы входят минералы и химические соединения, унаследованные от исходной горной породы и неизмененные при последующем выветривании и почвообразовании – их называют первичными. Твердую фазу почвы формируют разнообразные компоненты вторичного происхождения. Они образуются при выветривании исходной горной породы и почвообразовании. Это: вторичные глинистые минералы, простые соли, оксиды и гидроксиды, растительные остатки и продукты их трансформации типа детрита, гумусовые вещества и их органо-минеральные производные. Эти продукты образуются на месте или же приносятся агентами геохимической миграции — поверхностными, внутрипочвенными и грунтовыми водами, а также аэральным путем.

Твердая фаза почвы характеризуется гранулометрическим, минералогическим и химическим составом, сложением, структурой и пористостью.

Жидкая фаза почвы. Это влага, циркулирующая в пределах почвенного профиля вместе с растворенными в ней разнообразными минеральными, органическими и органо-минеральными соединениями. Она называется почвенным раствором. Почвенный раствор представ ляет собой исключительно динамичную фазу почвы, он играет важную роль в жизни живых организмов, а также в процессах миграции веществ в почвенном профиле. Динамика почвенного раствора тесно связана с характером атмосферного и грунтового увлажнения почвы, температурным и окислительно-восстановительным режимами, деятельностью живых организмов.

Газовая фаза почвы. Представляет собой почвенный воздух, который заполняет разнообразные пустоты (поры, трещины и т. п.), имеющиеся в почве и не занятые водой. Почвенный воздух существенно отличается от атмосферного и динамичен во времени.

Живая фаза почвы. Эта фаза представлена живыми организмами, населяющими почву, которые помимо всего прочего служат важнейшим фактором почвообразования. В состав живой фазы почвы входят разнообразные микроорганизмы (бактерии, грибы, актиномицеты, водоросли), почвенная микро- и мезофауна (простейшие, насекомые, черви и т. д.), корневые системы зеленых растений.

Все фазы почвы взаимосвязаны, оказывают взаимное влияние друг на друга и существуют как единое целое, между почвой и окружающей средой происходит постоянный обмен веществом и энергией, т. е. почва — открытая система.

Взаимодействие почвы с другими природными телами осуществляется через следующие процессы:

• многосторонний обмен газами (О2, СО2, 2 и др.) и влагой (жидкой и парообразной)

в системе атмосфера—почва—растения—порода;

• обмен коротко- и длинноволновой радиацией в системе Солнце_почва_атмосфера;
• многосторонний обмен тепловой энергией в системе атмосфера—почва—порода;
• обмен биофильными элементами в системе почва—растения;
• одностороннее поступление в почву органического вещества, синтезированного зелеными растениями и несущего в себе химическую энергию (трансформированную лучистую энергию Солнца).

Почва — сложная структурная система .

По Б.Г.Розанову (1975), под структурным уровнем организации того или иного объекта понимается такая группа материальных объектов, все индивидуальные представители которой характеризуются принципиально однотипным характером превращений вещества и энергии и однотипными как по направлению, так и по интенсивности взаимодействиями. Каждый структурный уровень характеризуется своим особым комплексом природных законов поведения и взаимодействия (внутри себя и с окружающей средой) составляющих его объектов и явлений.

Каждый последующий более высокий структурный уровень организации включает в себя все объекты, явления и взаимодействия более низких уровней и, кроме того, имеет дополнительно некоторые иные явления и взаимодействия, что делает его принципиально иным природным образованием. Переход от одного структурного уровня к последующему определяется прежде всего изменением характера взаимодействия.

Выделяют следующие уровни структурной организации почвы.

Атомарный уровень. Взаимодействия, происходящие на этом уровне, преимущественно связаны с радиоактивностью почв, возникающей при распаде естественных радионуклидов семейства урана, радия, тория и некоторых искусственных нуклидов. Распад радиоактивных элементов сопровождается выделением энергии. Процесс распада и превращения радиоактивных элементов, вероятно, представлен во всех почвах. Хотя радиоактивные элементы обычно присутствуют в почвах в ультрамикроконцентрациях, процесс их распада, растянутый во времени, может вносить заметный вклад в энергетический баланс почв и оказывать определенное воздействие на биологические процессы и выветривание минералов. Реально в почве мигрируют и трансформируются не атомы, а ионы, молекулы и более сложные образования.

Ионно-молекулярный уровень. В качестве элементов на этом уровне структурной организации почвы выступают активные центры молекулярно-ионной природы, находящиеся на поверхности раздела твердой фазы почвы, а также молекулы и ионы жидкой и газообразной фаз, взаимодействующие с активными центрами и между собой.

Ионы — главный компонент почвенных растворов, они играют исключительно важную роль в таких процессах и явлениях, как кислотность и щелочность почв, питание растений, окислительно-восстановительное состояние, засоление и рассоление, обменные реакции, формирование разнообразных органо-минеральных производных и др.

Молекулярный (вещественный) состав почвы чрезвычайно разнообразен. Это тысячи различных соединений, многие из которых до настоящего времени не идентифицированы. Исключительная сложность вещественного состава — одна из характерных особенностей почвы, отличающих ее от других природных объектов. Например, относительно полно изучен состав кристаллических минеральных соединений (почвенных минералов) некоторых типов почв, идентифицированы многие органические соединения индивидуальной природы (сахара, аминокислоты, фенолы, кислоты жирного ряда, ферменты и др.), получены сведения о составе и свойствах комплексных органо-минеральных соединений. Почвенные соединения в молекулярной и ионной формах присутствуют преимущественно в почвенном растворе. Основная часть соединений твердой фазы почвы находится в агрегированном состоянии и формирует следующие уровни структурной организации почвы.

Уровень элементарных почвенных частиц. Элементарные почвенные частицы — это частицы различных размеров и различной природы (минеральные — кристаллические и аморфные, органические и органо-минеральные), унаследованные от материнской породы, измененные и новообразованные в процессе почвообразования. На этом уровне происходят основные превращения веществ в почве. Особую роль здесь играют почвенные коллоиды, которые определяют многие важнейшие свойства почвы — воднофизические, сорбционные, буферную способность и др.

Агрегатный уровень. Элементарные частицы в почвах обычно существуют не изолированно, а объединяются между собой под действием различных факторов в характерные для каждого типа почвообразования агрегаты и новообразования (за исключением песчаной). На агрегатном уровне происходит и локализация почвенных процессов, например передвижение влаги и растворенных в ней веществ по межагрегатным полостям и трещинам и т. д. Многие биохимические и химические явления, связанные с превращением веществ и составляющие важную часть почвообразования, протекают не на поверхности, а внутри агрегатов.

Горизонтньый уровень. Почвенный горизонт — относительно однородный слой почвы, обособившийся в процессе почвообразования. Формирование горизонта связано с преобразованием, аккумуляцией, привносом или выносом веществ, что отражается на взаимодействии и способе организации агрегатов и почвенных новообразований. В пределах почвенного горизонта протекают не только вертикальные, но и боковые процессы перемещения вещества и энергии, приводящие к формированию тех или иных особенностей горизонтов. Каждый тип почвы всегда характеризуется наличием горизонтов, наиболее ярко отражающих специфику почвообразования.

Профильный уровень. Закономерные сочетания отдельных почвенных горизонтов, взаимодействующих между собой, образуют почвенный профиль или собственно почву как особое природное тело. Это не просто арифметическая сумма горизонтов, а структурный уровень почвенной организации . Почвенные горизонты связаны между собой непрерывным обменом веществ и энергии, что составляет главную черту профильного уровня организации почвы. Именно на этом уровне наиболее полно проявляется специфика почвы как единого целого. Профильный метод изучения почв, введенный еще В.В.Докучаевым, лежит в основе всех почвенных исследований.

Уровень почвенного покрова. Этот уровень структурной организации представляет собой почвенный покров определенной территории, на которой в зависимости от особенностей рельефа, почвообразующих пород и других местных условий формируются почвенные комбинации, представленные разными почвами.

Для получения исчерпывающей информации о почве как природном объекте необходимо проведение исследований на всех уровнях ее организации.

Источник

СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ПОЧВЫ

Под структурным уровнем организации того или иного объек­та понимается такая группа материальных объектов, все индиви­дуальные представители которой характеризуются принципиально однотипным характером превращений вещества и энергии и одно­типными как по направлению, так и по интенсивности взаимодей­ствиями.

Чтобы проиллюстрировать это положение, возьмем, например, такие пары объектов разных структурных уровней, как атом — молекула, белковая молекула — клетка, орган — организм, мине­рал — порода. Каждый из перечисленных объектов попарно прин­ципиально отличается один от другого, составляя различные тела, существование которых в природе определяется различным ком­плексом фундаментальных и частных законов. В частности, законы жизни клетки и законы существования белковой молекулы совер­шенно различны. Клетка не существует без белка, но комплекс белковых молекул клетки вместе с остальными ее инградиентами

настолько существенно отличается от белкового молекулярного од­нородного комплекса, что мы совершенно неизбежно вынуждены их признать принципиально различными природными образованиями, кратко охарактеризовав это различие тем, что клетка живет, а белок существует.

Каждый последующий более высокий уровень структуры дан­ного природного объекта или явления включает в себя в качестве структурных единиц объекты или явления более низкого уровня, сгруппированные таким образом, что в своей совокупности они дают принципиально новое природное тело или явление. Семья складывается из личностей, но это — совершенно различные со­циально-экономические категории. Организм состоит из органов, а последние — из клеток, но все это — принципиально различные природные тела.

Таким образом, каждый последующий более высокий струк­турный уровень организации того или иного материального объек­та характеризуется тем, что он, с одной стороны, включает в себя все объекты, явления и взаимодействия (законы поведения, су­ществования), более низких уровней, а с другой — имеет допол­нительно некоторые иные явления и взаимодействия, что и делает его принципиально иным природным образованием. Совокупное взаимодействие объектов данного структурного уровня с окружаю­щей материей принципиально отлично от индивидуальных взаимо­действий каждого из них, взятого изолированно. Переход от одно­го структурного уровня к последующему прежде всего определяет­ся изменением характера взаимодействий. Критерием выделения различных структурных уровней того или иного природного объек­та должно служить, таким образом, изменение характера (направ­ления и интенсивности) взаимодействий субстанционно-сходных образований, например: березовый лист — березовое дерево —

Философски вопрос о взаимоотношении структурных уровней организации как о соотношении целого и его частей решен мате­риалистической диалектикой в теории несводимое™ высших форм движения материи к сумме низших форм движения. Эта теория, в частности, иллюстрируется положением, что «форма движения в органическом теле отличается от механической, физической, хи­мической, содержа их в себе в снятом виде» (Энгельс, 1955, стр. 227).

Важно иметь в виду, что не всякая часть целого представляет собой новый структурный уровень организации данного объекта, что следует из определения структурного уровня.

С точки зрения терминологии важно условиться о понятиях высокого (высшего, более сложного) и низкого (низшего, более простого) структурных уровней, которыми широко, но не всегда однозначно пользуются в научной литературе. Под объектом более низкого уровня мы будем понимать только то, что он является составной частью какого-то другого объекта, составляющего по отношению к нему более высокий структурный уровень, не внося в это определение никаких представлений о степени сложности строения объектов или взаимодействий.

Методологически важным представляется также и положение о взаимодействии разных структурных уровней. Поскольку данный природный объект существует в материальном мире как единое целое, то независимо от числа и характера уровней его структур­ной организации имеет место непрерывное взаимодействие всех его составных частей, находящихся на разных структурных уров­нях. Именно этими взаимодействиями между разными уровнями и обусловлено единство природного объекта как целого.

Исходя из изложенных теоретических позиций и помня, что критерием выделения структурного уровня служит изменение ха­рактера взаимодействий, попробуем представить себе структурную организацию почвы как природного тела во всей ее полноте.

Описание структурной иерархии организации почвы представ­ляется возможным начать с наиболее низкого из известных нам и имеющего значение для почвы как целого, уровня — атомар­ного. С этим уровнем мы имеем дело при изучении естественной и искусственной радиоактивности почв. Исследование этого явле­ния в почвах начато сравнительно недавно, и оно мало изучено, но не верно было бы и недооценивать радиоактивность и изотоп­ный состав почв.

Описываемое явление состоит в том, что в почвах изотопы ряда химических элементов самопроизвольно превращаются в изо­топы других элементов с испусканием элементарных частиц или ядер. Эти превращения сопровождаются: а) выделением энергии, уносимой выбрасываемыми а- и (3-частицами и у-квантами; б) ко-; ренным изменением заряда ядра, приводящим к возникновению новых элементов с другими химическими свойствами по сравнению с исходными (Нерпин, Чудновский, 1967).

Весьма важно, что процесс распада и превращения радиоак­тивных элементов — сложнейший внутренний процесс, не завися­щий от внешних условий и воздействий, — вероятно, развивается во всех почвах в одном направлении независимо от условий почво­образования. Будучи помноженным на время, он должен играть, с одной стороны, существенную роль в энергетическом балансе почв, а с другой — может оказывать определенное воздействие на био­логические процессы и выветривание минералов в почвах. В поч­вах содержатся все известные в настоящее время природные ра­диоактивные элементы, и не учитывать это обстоятельство было бы не верно.

В качестве следующего структурного уровня почвенной орга­низации может быть назван кристалло-молекулярный характер основных взаимодействий, который качественно отличается от предыдущего. Почвоведением за всю историю науки очень много сделано для познания почв на этом уровне. Это царство основных превращений вещества в почве, царство химических реакций. Молекулярные и кристалло-молекулярные взаимодействия органи­ческих и минеральных компонентов почвы, характерные для этого уровня, являются предметом исследования специальной отрасли почвоведения — химии и минералогии почв.

Кристаллы и молекулы веществ в почве существуют не изо­лированно, а объединяются в агрегаты, сначала в микроагрегаты разной прочности, а затем в макроагрегаты — структурные от­дельности. Даже в полностью распыленной почве имеет место микроагрегированность частичек. Почвенные агрегаты — это клет­ки почвы, объединяющиеся в горизонты — ткани. Агрегатное со­стояние почв, почвенные агрегаты — следующий структурный уро­вень организации почв.

В изучении агрегатного состояния почв достигнут значитель­ный прогресс благодаря особому вниманию, уделявшемуся в не­давнем прошлом почвенной структуре.

Известно, что внутренняя часть почвенных агрегатов резко отличается по составу от их поверхности, покрытой часто особыми пленками. В то же время, вследствие того, что почвенным агрега­там не придавалось самостоятельного значения как определенному уровню структурной организации почвы, мы практически не распо­лагаем сейчас данными о процессах, протекающих внутри почвен­ного агрегата, на его поверхности и между агрегатами. Несомненно, что подавляющее большинство тонких биохимических и хими­ческих процессов превращения вещества, составляющих сущест­венную часть почвообразования, имеют внутриагрегатный харак­тер, на что особое внимание обращал В. Р. Вильямс, но почвоведы в своей исследовательской деятельности иногда упускают это из внимания и в процессе подготовки почвы к анализу (сплошное измельчение и просеивание образца) теряют значительную часть информации за счет колоссального усреднения. В этой связи надо напомнить, что основная масса мельчайших корешков и корневых волосков растений сосредоточена внутри почвенных агрегатов, а не на их поверхности и не в межагрегатных полостях, что имеет весьма важное значение в процессах питания растений.

Следующий, четвертый, структурный уровень в почве мы встречаем переходя от почвенного агрегата к горизонту, имея в виду при этом, что почвенный горизонт — это определенный пласт, имеющий три измерения в пространстве. Почвенные гори­зонты можно было бы аналогизировать для наглядности с тканя­ми организма, хотя подобная аналогия и не является достаточно строгой.

Благодаря трудам В. В. Докучаева, его учеников и последова­телей понятие о почвенном горизонте прочно вошло в науку и является фундаментальным в современном почвоведении.

Процесс образования почвенных горизонтов, дифференциации исходной материнской породы на генетически разнокачественные слои составляет предмет исследования, строго говоря, уже на сле­дующем уровне почвенной организации. На данном же уровне важно исследовать каждый горизонт самостоятельно в пределах его толщи. В этом отношении в почвоведении накоплен довольно солидный описательный материал, особенно по морфологии и со­ставу различных горизонтов, но весьма недостаточны данные по «физиологии» отдельных горизонтов. Мы употребили термин «физиология» не случайно, а опять-таки исходя из аналогии с изу­чением биологических систем, где исследуется физиология отдель­ных тканей и органов. Представляется законной и необходимой постановка исследований по «физиологии» и педохимии элювиаль­ного горизонта, глеевого горизонта, иллювиального и т. п., кото­рые могут быть встречены в различных почвенных образованиях в разных комбинациях. При этом важно учитывать то обстоятель­ство, что в пределах почвенных горизонтов протекают не только вертикальные, но и латеральные (боковые) процессы перемещения вещества и энергии, приводящие к формированию тех или иных особенностей горизонтов. С рассматриваемой здесь точки зрения каждый почвенный горизонт может быть на определенном этапе исследован самостоятельно с точки зрения морфологии, состава, генезиса, безотносительно к какому-либо определенному почвенно­му профилю. С этих позиций такое абстрагирование представляет­ся вполне оправданным, так как всякий структурный уровень организации материального объекта может и должен быть иссле­дован самостоятельно и своим комплексом методов как один из этапов исследования объекта в целом.

Закономерные сочетания отдельных почвенных горизонтов дают нам почвенный профиль или собственно почву как особое природное тело. Но поскольку это именно сочетание, живое и неразрывное, только в таком сочетании и проявляющее свою специфику как единого целого, а не просто арифметическая сумма горизонтов, то в результате мы имеем следующий структурный уровень почвенной организации. Почвенный профиль в понимании его как материального тела в трех измерениях составляет ту основную единицу, которая служит главным объектом исследова­ния почвенной науки в целом, то единое целое, которое мы назы­ваем почвой. В данном случае понятие «почвенный профиль» используется в качестве синонима термина «почвенный индиви- дум» как элементарная почвенная единица. Введенный В. В. До­кучаевым профильный метод изучения почв явился настолько про­грессивным и плодотворным, что до настоящего времени лежит в основе всех почвенных исследований и навсегда сохранит свое значение.

Итак, почвенный профиль, почва как единое природное це­лое — это пятый структурный уровень почвенной организации, требующий своего особого подхода к его исследованию.

Дальнейший анализ показывает, что разные почвы в природе взаимодействуют между собой посредством определенных агентов, давая различные сочетания и комплексы, набор которых состав­ляет следующий, шестой структурный уровень организации, ко­торый мы определяем как почвенный покров территории.

Строение почвенного покрова суши земного шара, как мы его сейчас представляем, весьма сложное и многоступенчатое. Этот структурный уровень организации почвы составляет предмет гео­графии почв и не рассматривается в данной книге.

Итак, мы рассмотрели шесть последовательных уровней струк­турной организации почвенных образований: атомарный, кристал­ломолекулярный, агрегатный, горизонтный, профильный и ассо- циационный. Такое рассмотрение имеет прежде всего методологи­ческое значение с точки зрения подходов к изучению того или иного объекта. Каждый из структурных уровней требует специфи­ческих подходов и методов исследования.

Изложенная теория структурных уровней организации почвы как природного тела имеет весьма важные в методологическом отношении следствия. Первым следствием служит вывод, что са­мое доскональное познание почвы на каком-либо одном уровне ее структурной организации не может дать достаточно полной информации о почве в целом, ибо при этом остаются непознанны­ми все взаимодействия других уровней, более высоких или более низких. Только сочетание исследования почвы в целом с исследо­ваниями на каждом из структурных уровней ее организации мо­жет дать достаточно полное представление о ней. Мало будет известно о почве, если сказать, что профиль ее состоит из таких-то горизонтов, структурных агрегатов, определенных химических ве­ществ и г. д.; чтобы исследование о ней было полным, надо изу­чить еще ее отношение ко всем факторам почвообразования, ее положение и роль в природной экосистеме, ее генетические связи с почвообразующей породой, ее тепловой и водный режимы, ее отношение к той или иной системе земледелия. Каждый структур­ный уровень организации почвы характеризует ее лишь в каком-то одном аспекте, что недостаточно для ее полного познания.

Вторым важным следствием теории структурных уровней организации почвы служит положение о том, что исследование почвы как природного тела требует на каждом структурном уров­не своего методического подхода и специфических методов иссле­дования. Электронный микроскоп и рентгеновский аппарат необ­ходимы для исследования почвы на кристалломолекулярном уров­не, масспектрограф и счетчики частиц нужны для исследований атомных явлений, поляризационный микроскоп и лупа хороши для изучения на агрегатном уровне, а на уровне почвенного профиля необходим целый комплекс особых методов и подходов, требую­щих от исследователя подчас большой изобретательности. Важно иметь в виду, что специфика подхода к исследованию того или иного уровня всегда начинается непосредственно в полевых усло­виях, а не в лаборатории, когда почвовед видит перед собой почву как единое целое.

Источник