Теоретична частина. 1. Стадійність ґрунтоутворення

1. Стадійність ґрунтоутворення. Еволюція ґрунтів.

2. Основні ґрунтоутворюючі породи.

3. Роль мікроорганізмів у ґрунтоутворенні.

4. Участь тварин у ґрунтоутворенні.

Стадійність ґрунтоутворення. Еволюція ґрунтів. Процес ґрунтоутворення – це сукупність явищ перетворення речовин і енергії у верхньому шарі земної кори під впливом комплексу природних факторів. Загальний процес ґрунтоутворення складається з комплексу біохімічних, хімічних, фізичних і фізико-хімічних процесів. Ґрунтоутворення починається з моменту поселення живих організмів на скельних породах або на пухких продуктах гіпергенезу і в своєму розвитку проходить ряд стадій.

1. Стадія початкового ґрунтоутворення часто збігається з процесом вивітрювання скельних гірських порід. Ця стадія триває довго, оскільки ґрунтоутворення охоплює незначний шар субстрату. Малопотужний профіль слабко диференційований на генетичні горизонти.

2. Стадія розвитку ґрунту відбувається на пухких відкладах великої потужності і завершується диференціацією профілю на генетичні горизонти. Між морфологічними ознаками і властивостями ґрунту з одного боку і факторами ґрунтоутворення, з другого, встановлюється динамічна рівновага. Ця стадія відбувається інтенсивно.

3. Стадія рівноваги (клімаксний стан) триває невизначений час. Між ґрунтом і комплексом факторів підтримується динамічна рівновага.

4. У процесі еволюції екологічної системи елементи ландшафту (фактори ґрунтоутворення) можуть зазнавати тих чи інших змін (зміна клімату, рослинності, порушення екосистеми людиною тощо). Такі зміни зумовлюють зміни в процесі ґрунтоутворення. Настає стадія еволюції ґрунту, яка зумовлює перехід його до нової стадії рівноваги нового ґрунту з новим профілем (заболочування автоморфних ґрунтів, перехід солончаку в солонець, формування чорнозему з лучного ґрунту при зниженні рівня ґрунтових вод тощо). На тому самому субстраті такі еволюційні цикли можуть відбуватися кілька разів.

Час ґрунтоутворення

 

Рис. 10 Стадії ґрунтоутворення (за Л. О. Гришиною):

1 – початкове ґрунтоутворення; 2 – розвиток ґрунту; 3 – клімакс ний стан І; 4 – еволюція ґрунту по шляху а або б; 5 – клімаксний стан II (а або б); 6 – нова еволюція ґрунту по шляху в, г, д або е; 7 – клімаксний стан III (в, г, д або е).

Основні ґрунтоутворюючі породи. За мінералогічним складом виділяють два типи кори вивітрювання: сіалітну і алітну. Сіалітна поширена в поясі помірно вологого клімату. Алітна притаманна регіонам субтропічного і тропічного клімату. За балансом речовин у ході вивітрювання виділяють три типи кір вивітрювання: елювіальну (залишкову), транзитно-акумулятивну (проміжну) і акумулятивну (перевідкладену). Найпоширенішими ґрунтоутворюючими породами є пухкі відклади Четвертинного періоду. Вони різноманітні за складом, будовою, властивостями, що певним чином впливає на ґрунтоутворення і рівень родючості ґрунту.

Породи елювіальної кори вивітрювання – різноманітні за складом продукти вивітрювання корінних порід, що залишились на місці утворення.

В.А. Ковда (1973) наводить вісім різновидностей елювіальних порід. Найпоширенішими з них є дрібноземний карбонатний елювій. Первинний елювій поширений на вивержених породах, зокрема, в Монголії, Вірменії і Криму; вторинний (неоелювий) – на великій території Європи і Азії у вигляді лесу, лесовидних і сиртових суглинків (рис. 2.2.). Вони наче ковдрою вкривають підстилаючи корінні породи і тому їх називають покривними.

Леси мають палеве або бурувато-палеве забарвлення і пилувато-суглинковий механічний склад. Їм властива карбонатність, пористість, борошнистість, добра водопроникність. Хімічний склад і фізичні властивості лесу дуже сприятливі для росту рослин. Лесовидні суглинки містять менше карбонатів, трапляються і безкарбонатні. Вони крупнозернисті, часто шаруваті, з меншою борошнистістю і пористістю. Леси поширені в основному в Україні, південних регіонах Росії, в Середній Азії, в центрі Північної Америки; лесовидні суглинки – в Білорусі, Центральній Нечорноземній зоні Росії та в інших районах. На цих породах сформувались чорноземні, сірі лісові, каштанові та сірі пустинно-степові ґрунти. Крім лесу та лесовидних суглинків на території Східноєвропейської рівнини поширені інші ґрунтоутворюючі породи.

Дрібноземний сіалітний елювій у вигляді покривних суглинків поширений на півночі Руської рівнини.

Породами транзитно-акумулятивної кори вивітрювання є пролювіальні і делювіальні наноси, які формуються в передгірських районах і в підніжжях гір. На них формуються різноманітні ґрунти. В Передкарпатті та в Карпатах на таких відкладах формуються бурі лісові ґрунти.

Породи акумулятивної кори вивітрювання формуються на малодренованих і безстічних низовинах, депресіях, заплавних терасах, дельтових рівнинах тощо. Тут накопичуються продукти вивітрювання, які надходять з інших територій. Це механічні, хімічні і біохімічні накопичення продуктів вивітрювання, знесені з гір та з зони елювію. Ці продукти накопичуються у вигляді делювію, пролювію, алювію, озерних і прибережних відкладів. За хімічним складом вони різноманітні (безкарбонатні, загіпсовані, залізисті, засолені, сіалітні, монтморилонітові, содові, хлористо сульфатні тощо).

Льодовикові відклади (морена) – залягають невеликими островами на підвищених елементах рельєфу Українського Полісся. Великі площі ці відклади займають на півночі європейської частини Росії та в Західному Сибіру. Льодовикові відклади утворені з неоднорідного уламкового матеріалу, переважно суглинкового складу з включенням гравійного піску, гальки, валунів.

Водно-льодовикові (флювіогляціальні) відклади займають велику територію в тайгово-лісовій зоні європейської частини Росії, Білорусі, Польщі, Прибалтиці. В Україні вони займають 10,5% території республіки, їх утворення пов’язане з діяльністю потужних льодовикових потоків. Флювіогляціальні відклади являють собою шаруватий сортований матеріал піщаного, супіщаного, подекуди суглинкового механічного складу світло-жовтого або світло-сірого забарвлення. Основною складовою частиною їх є кварц з домішками зерен польового шпату.

Озерно-льодовикові відклади поширені в північно-західній частині європейської території Росії. Вони сформувались в пониженнях стародавнього рельєфу і мають глинистий механічний склад (шаруваті стрічкові глини прильодовикових озер). Формування озерних відкладів супроводжувалось накопиченням водорозчинних солей, карбонатів і гіпсу. При пересиханні озер утворюються солончаки.

Алювіальні відклади поширені в заплавах річок (заплавний алювій). За віком розрізняють сучасні і стародавні алювіальні відклади. Для них характерна диференційованість за розміром часток і шаруватість. Механічний склад алювіальних відкладів залежить від їх положення відносно русла річки. Так, в прирусловій частині заплави формуються гравійно-галечникові і піщані відклади, в центральній частині – піщані, в притерасній – супіщаноглинисті. На алювіальних відкладах формуються високо родючі заплавні ґрунти. В Україні вони займають близько 9% території.

Глини різного походження на території України теж часто є ґрунтоутворюючими породами. Здебільшого вони поширені на схилах балок, терас, в долинах річок тощо. Найпоширенішими в Україні є:

1. Червоно-бурі глини. 2. Строкаті глини.3. Балтські глини. 4. Тортонські глини. 5. Майкопські глини (морські). 6. Сарматські глини. 7. Карбонові і пермотріасові глини. 8. Каолінові глини..

Крім того, ґрунтоутворюючими породами в Україні є продукти вивітрювання твердих карбонатних порід (Південний Берег Криму), пухкі продукти вивітрювання магматичних порід (Приазовська і Придніпровська височини), продукти вивітрювання пісковиків (Донбас, Крим, Карпати), продукти вивітрювання глинистих сланців (Донбас, Крим, Карпати) та ін.

Роль мікроорганізмів у ґрунтоутворенні. Мікроорганізми, які населяють грунт, дуже різноманітні за складом і за характером біологічної діяльності. Мікроорганізми існують на Землі мільярди років, вони є найстародавнішими ґрунтоутворювачами, бо з’явились на землі задовго до появи вищих рослин і тварин. Крім ґрунтоутворення їх діяльність значною мірою визначає властивості осадових порід, склад атмосфери і природних вод, геохімічну історію багатьох елементів (С, N, S, Р, O, Н та ін.). В біосфері вони здійснюють такі процеси, як фіксація атмосферного азоту, окислення аміаку і сірководню, відновлення сульфатів і нітратів, акумуляція сполук заліза і марганцю, синтез в грунтах біологічно активних речовин – ферментів, вітамінів, амінокислот тощо. Мікроорганізми беруть безпосередню участь в руйнуванні мінералів і гірських порід в процесі біологічного вивітрювання.

Проте основною функцією мікроорганізмів в ґрунтоутворенні
є розкладання органічних решток рослинного і тваринного походження до гумусоутворення і повної мінералізації.

У процесі ґрунтоутворення беруть участь бактерії, водорості, лишайники, амеби, мікронематоди, джгутикові, війчасті, гриби і актиноміцети. Є дані про присутність в грунтах неклітинних форм мікроорганізмів (вірусів, бактеріофагів).

Основна маса мікроорганізмів зосереджена в горизонті поширення кореневих систем на глибині 10-20 см. Їх чисельність в 1 г ґрунту становить десятки і сотні мільйонів штук. Загальна маса мікроорганізмів орного горизонту (25-30 см) становить близько 10 т/га. Високородючі окультурені ґрунти містять найбільше мікроорганізмів.

Важливе значення в ґрунтоутворенні мають бактерії-нітрифікатори, які окислюють аміак до нітратів. Численними дослідами встановлено, що за один рік на 1 гектарі ґрунту нітрифікуючі бактерії здатні утворити до 300 кг солей азотної кислоти. До групи неспорових належать бактерії, які здатні фіксувати азот з повітря. Для здійснення своїх життєвих процесів вони потребують органічної речовини. В грунтах живе два типи азотфіксуючих бактерій, а саме: вільноживучі (Azotobacter і Clostridium) і бульбочкові (Rhizobium), які перебувають у симбіозі з бобовими рослинами. Серед рослин родини бобових виявлено 1300 видів, на коренях яких оселяються бульбочкові бактерії. Проникаючи у корінь, вони спричинюють розростання тканин, в результаті чого утворюються пухлини, які після відмирання кореневої системи збагачують грунт на азот. Першим продуктом азотфіксації є амоній. Азот, накопичений мікроорганізмами, протягом вегетаційного періоду перебуває у формі органічних сполук, переважно у складі білків. Накопичення відбувається поступово, протягом всього вегетаційного періоду, а використовується рослинами після відмирання і повного розкладання мікробних клітин. Отже, азотфіксуючі бактерії – надзвичайно важливий фактор ґрунтоутворення і підвищення родючості ґрунту. Використання біологічного азоту – один з основних шляхів вирішення продовольчої проблеми. Гетеротрофні бактерії засвоюють вуглець з готових органічних сполук. Саме ця група мікроорганізмів здійснює розкладання величезної маси мертвих органічних решток, які надходять у грунт і на його поверхню. Кінцевим етапом його є повна мінералізація – утворення простих мінеральних сполук, які засвоюються новими поколіннями живих організмів. У процесі еволюції виникли групи гетеротрофних бактерій, які спеціалізувалися на розкладанні певних типів органічних сполук. Так, целюлозу розкладають бактерії як в анаеробних, так і в аеробних умовах. Типовими представниками анаеробних бактерій є Bacillus omelianskii і Clostridium thermocellum. При розкладанні жирів утворюються гліцерин і жирні кислоти. В аеробних умовах гліцерин використовується для живлення інших бактерій, а жирні кислоти накопичуються в ґрунті. В анаеробних умовах жирні кислоти відновлюються до вуглеводнів. Дані сполуки є токсичними для вищих рослин.

В ґрунті існують групи бактерій, які спеціалізувалися на розкладанні білків, вуглеводів, лігніну, пектинів та інших органічних речовин. Серед них заслуговує на увагу група бактерій, яка мінералізує азотисті органічні сполуки. Цей процес називають амоніфікацією. Амоніфікуються білки, пептиди, амінокислоти, нуклеїнові кислоти та інші сполуки. Кінцевим продуктом амоніфікації є аміак. Крім аміаку в аеробних умовах утворюються CO₂ і оксид сірки, а в анаеробних – жирні і ароматичні кислоти, спирти та інші відновні сполуки. Наявність цих сполук негативно впливає на родючість ґрунту. Виділений в процесі амоніфікації аміак включається в процес нітрифікації, а частина його асимілюється рослинами і мікроорганізмами. В процесі амоніфікації беруть участь бактерії роду Pseudomonas і роду Bacillus.

Таким чином, основні ланки кругообігу азоту у природі відбуваються в грунтах (рис.11).

 

Рис. 11 Колообіг азоту в природі (за І.П. Бабаєвою та Г.М. Зеновою, 1983).

Актиноміцети – одноклітинні організми, які утворюють міцелій і спори. Типовими представниками ґрунтових актиноміцетів є види роду Streptomyces (стрептоміцети), які пристосовані до розкладання складних, стійких, органічних сполук (клітковини, лігніну). Серед актиноміцетів переважають аероби.

Гриби – нижчі еукаріотні організми ценоцитної будови або одноклітинні, з осмотрофним типом живлення, які становлять особливе царство живої природи. Основна функція в ґрунтоутворенні – розкладання органічних решток. В цьому процесі беруть участь представники всіх класів. Найпоширенішими в грунтах є цвільові гриби, а в лісових грунтах – гриб мукор. Гриби синтезують позаклітинні гідролітичні ферменти, за допомогою яких і здійснюється розкладання рослинних тканин.

Ґрунтові водорості – одно- і багатоклітинні організми, які мають специфічні пігменти типу хлорофілу, за допомогою яких здійснюють асиміляцію вуглекислоти і фотосинтез органічних речовин. Водорості збагачують грунт органічною речовиною і киснем. Живуть вони, в основному, у верхньому освітленому шарі ґрунту. Під час танення снігу, весняних дощів водорості інтенсивно розмножуються і збагачують грунт органічною масою, посилюють руйнування первинних мінералів, підвищують дисперсність твердої фази. На алювіальних грунтах річкових долин і рисових полях тропічного поясу важливу роль відіграють синьо-зелені водорості. Вони постачають азот і кисень в зону кореневих систем культурних рослин і тим самим підвищують родючість ґрунту.

Найпростіші тваринні організми також поширені в грунтах. Вони живляться бактеріями і водоростями, є серед них і сапрофіти. В грунтах живуть представники трьох класів: джгутикові, саркодові та інфузорії. Основна їх роль у ґрунтоутворенні – розкладання органічних речовин.

Лишайники – особлива група живих організмів, тіло яких складається з двох компонентів: гриба і водорості. Вони не належать до ґрунтових мікроорганізмів, але беруть участь у ґрунтоутворенні. Вони виділяють складні органічні кислоти, які прийнято називати лишайниковими, ці кислоти руйнують мінерали і тим самим створюють сприятливі умови для ґрунтоутворення. Відмерлі слоєвища лишайників збагачують субстрат органічними речовинами і є продуктом живлення для багатьох безхребетних і бактерій. Лишайники відіграють важливу роль у рекультивації земель. Вони перші оселяються на оголених субстратах і перетворюють їх на пухку масу, сприятливу для оселення інших організмів.

Участь тварин у ґрунтоутворенні. Ґрунтова фауна надзвичайно численна і різноманітна. У процесах ґрунтоутворення беруть участь представники таких типів тварин: найпростіші, черви, молюски, членистоногі і ссавці. За розмірами ґрунтову фауну поділяють на чотири групи: нано-, мікро-, мезо- і макрофауну. Кожна група тварин пристосована до певних умов життя, до певної взаємодії з навколишнім середовищем. Загальні запаси зоомаси в грунтах щодо фітомаси незначні – в середньому 1-2%. Головною функцією тварин в біосфері і ґрунтоутворенні є споживання, первинне і вторинне руйнування органічних решток, перерозподіл запасу енергії і перетворення її на теплову, механічну і хімічну. Важливе значення в цьому процесі належить травоядним тваринам. Саме вони синтезують тваринну органічну речовину – зоомасу. Травоядні тварини відкривають «харчовий ланцюг» організмів. Серед тварин, що населяють грунт, переважають безхребетні. Їх сумарна біомаса в 1000 разів перевищує загальну біомасу хребетних. В грунтах живуть дощові черви, енхітреїди, кліщі, ногохвостки та ін. Поїдаючи рослинні рештки, вони значно прискорюють біологічний колообіг речовин. Серед безхребетних особливо важливу роль у ґрунтоутворенні відіграють дощові черви. Вони поширені в грунтах різних ґрунтово-кліматичних зон. Їх кількість на 1 га ґрунту може досягати кількох мільйонів особин. Діяльність дощових червів в ґрунтоутворенні різноманітна, вони утворюють у ґрунті густу мережу ходів, що поліпшує його фізичні властивості: пористість, аерацію, вологоємкість. Продукти життєдіяльності дощових червів – капроліти поліпшують структурність ґрунту і підвищують водоміцність структурних агрегатів. Ґрунт, багатий на дощових червів, має низьку кислотність, високий вміст гумусу та інші позитивні властивості. Підраховано, що дощові черви перемішують весь поверхневий горизонт ґрунту за 50 років.

У грунтах живе значна кількість личинок різних комах, терміти, мурашки та ін. Вони також інтенсивно перемішують ґрунтову масу, утворюють в ній велику кількість ходів і цим самим поліпшують водні і повітряні властивості ґрунту.

Серед хребетних тварин активну участь у процесах ґрунтоутворення беруть степові гризуни (полівки, бабаки, кроти, ховрахи та ін.). Вони будують глибокі нори і довгі ходи в ґрунті. Об’єм ґрунту, який вони перемішують, досягає кількох сотень кубічних метрів на 1 га. Інтенсивне перемішування ґрунтової маси землерийними тваринами зумовлює не лише фізичні, а й глибокі хімічні зміни. Ґрунтова маса, винесена з глибини на поверхню, змінює хімічний склад верхніх горизонтів ґрунту.

Прикладом надзвичайно інтенсивної дії на ґрунт є робота дощових черв’яків. На площі 1 га черви щорічно пропускають через свій кишечник у різних ґрунтово-кліматичних зонах від 50 до 600 т дрібнозему. Разом з мінеральною масою поглинається і перероблюється величезна кількість органічних решток. У середньому екскременти черв’яків (копроліти) складають до 25 т/га на рік.

Головною функцією тварин є споживання, первинне і вторинне руйнування органічної речовини. Друга функція ґрунтових тварин виражається у накопиченні в їх тілах елементів живлення і, головне, у синтезі азотовмісних сполук білкового характеру. Після їх розкладу до ґрунту надходять елементи, енергія. Тварини впливають на переміщення маси ґрунту, на формування мікро- і нанорельєфу.

Питання для аудиторного оцінювання:

1. Зробіть порівняльну характеристику основних ґрунтоутворюючих (материнських) порід.

2. Охарактеризуйте фактори та умови ґрунтоутворення.

3. Дайте порівняльну характеристику впливу різних груп рослинних формацій на процес ґрунтоутворення.

4. Обґрунтуйте роль водоростей та лишайників у формуванні „рухлякової” породи.

5. Які головні функції здійснюють мікроорганізми при ґрунтоутворенні та формуванні ґрунтової родючості?

6. Перерахуйте головні групи тварин, які беруть участь у ґрунтоутворенні і охарактеризуйте їх роль в цьому процесі.

7. Оцініть вплив клімату на ґрунтоутворення.

8. Яка роль у ґрунтоутворенні материнських порід і рельєфу?

9. Оцініть вплив віку й господарської діяльності людини на ґрунтоутворення.

10. Охарактеризуйте основні закономірності біогеохімії ґрунтоутворення.

11. Дайте коротку характеристику великому геологічному кругообігу речовин у природі.

12. Порівняйте різні типи кори вивітрювання.

13. Опишіть особливості малого біологічного кругообігу речовин у природі.

14. Опишіть загальну схему ґрунтоутворення на земній кулі. Що таке первинний процес ґрунтоутворення?

15. Які є типи ґрунтоутворення, наведіть приклади.