Рельеф как фактор почвообразования и основа картирования почвенного покрова

Бутвиловский В.В.

Лейбниц-Институт полимерных исследований, Дрезден, ФРГ

Чтобы получить достаточно полное представление о структуре и динамике почвенного покрова, необходимо составить его карту. Именно карта почв является основой для дальнейшего моделирования и оценки свойств почвенного покрова. Картирование почв обычно проводится по типам почв, которые составляют зональные последовательности и азональные группы. Первые обусловлены зональными соотношениями тепла и влаги (ряд: подзолистые — серые лесные – черноземные – каштановые – сероземные и т.д.), вторые — особыми геоморфологическими и геологическими условиями (пойменные, болотные, солончаковые и др.).

В целях познания структуры и других свойств почвенного покрова в нем, как и в любом другом сложном образовании нужно выделить однородные составные части (элементы, индивиды), которые позволяли бы вести анализ и синтез педосферы. Поэтому исключительно важно определить, что такое «почвенный покров» и его элементарная часть – «почва». В.В. Докучаев называл почвой наружные горизонты горных пород, естественно измененные совместным действием воды, воздуха и различного рода организмов (Почвоведение, 1988). П.А. Костычев определяет ее как верхний слой земли до той глубины, до которой доходит главная масса растительных корней (Почвоведение, 1988). Почва – «поверхностный рыхлый слой земной коры, несущий растительность суши и обладающий плодородием» (Геологический словарь, 1978, с. 127).

Из этих определений следует, что почвенный покров или почвы это прежде всего выветрелые горные породы, в которых живут и развиваются живые организмы. Эти горные породы преобразованы живыми организмами и окружающей средой. Почва — не геологическое понятие. Понятие «почва» принадлежит почвоведению, как понятие «грунт» — грунтоведению. То, что почвоведы называют почвой, геолог может и должен называть элювием, делювием, колювием, аллювием и т.д. Почвы — это приповерхностная литосферная среда существования живых организмов, преобразуемая этими организмами. Почвы включают в себя соответствующие свойства горных пород и рельефа. Эти легко опознаваемые и измеряемые свойства должны изучаться в почвоведении в интересах почвоведения.     

Определение элементарной «единицы» педосферы является, на мой вгляд, ключевой проблемой  картирования почв. Эти единицы должны иметь все главные свойства почв, «не делиться» на более малые и с их помощью должно быть возможно представление всего разнообразия почвенного покрова. Примем, что почвенная единица (вариитета или элемент) есть заселенный биотой поверхностный слой однородных горных пород в пределах одного элемента рельефа. Отсюда следует, что элементарная почвообразующая горная порода и элемент рельефа являются исходными характеристиками (параметрами), по которым могут обособлены почвенные единицы.

Еще М. Сибирцев (1914) писал, что «в распределении почв нет ничего случайного. Каждая из них лежит на своем месте, где она и должна лежать, и занимает именно ту площадь, что и должна занимать в силу естественных законов или условий своего происхождения (с. 289) (…) Если почва меняется, то она меняется непременно почему-нибудь; изменилась материнская порода, изменился рельеф, действие атмосферных вод, накопление влаги, растительный покров – соответственно изменилась и почва» (с. 292).  Главными факторами почвоформирования считаются климат, биота, горные породы, рельеф и время (Почвоведение, 1988). Эти факторы объединяются в три группы:

• факторы, которые относительно стабильны и практически не изменяются в течение сотен и тысяч лет. К ним принадлежат рельеф и горные породы, и их можно оценить как фон и направляющие условия почвоформирования. Посредством этих факторов происходят преимущественно направленные эволюционные  изменения физико-химических и биологических свойств почв;
• факторы, которые нестабильны и циклично изменяются в течение года, сотен и тысяч лет. К ним принадлежат климат, экзогенные геологические процессы и биота. Посредством изменения этих факторов происходят преимущественно циклические изменения физико-химических свойств почв и их развитие, ограниченное условиями рельефа и горных пород;
• время (возраст) как фактор, имеющий значение в условиях устойчивого развития почвенного покрова.

Отсюда следует, что рельеф и горные породы исключительно важны как фон развития почв. В отличие от климата, они весьма стабильны и в любой момент определяют многие свойства почв и их развитие. Именно рельеф и горные породы дают исходные легко и точно измеряемые параметры для обособления почвенных единиц и их картирования. Почему же так важен учет рельефа в почвоведении? Рельеф – «главный фактор перераспределения солнечной радиации и осадков...» (Почвоведение, 1988, с. 84). «Малейшие изменения рельефа: ложбины, западины и т.д. — отзываются на составе и состоянии почв» (Арманд, 1975, с. 213; Оллиер, 1987). Изучив опыт земледелия в России, Т.В. Звонкова (1959) приходит к выводам, что очень большое влияние на качество почв и урожайность растений оказывают различия склонов, а именно: экспозиция, высота над уровнем моря, наклон и форма склона, его крутизна и длина. С увеличением крутизны склонов условия для произрастания культурных растений становятся также менее благоприятными, причем разница в наклоне склонов, начиная с 0,5°, оказывает отчетливое влияние на урожайность (Бурухин, 1955). Установлено, что рельеф влияет на мощность корнеобитаемого слоя почв, мощность гумусового профиля и содержание гумуса, на относительное увлажнение и дифференциацию профиля, цвет горизонтов, реакцию почвы, содержание легкорастворимых солей, характер и степень развития кор выветривания, температуру и характер исходного материала (Боул и др., 1977).

Однако высказываются и мнения об отсутствии четких взаимосвязей между почвами и рельефом (Герасимов, 1977). В частности, А. Джерард (1984) указывает, что «в литературе описано немало примеров, когда на склонах с постоянным углом наклона свойства почв значительно варьировали, и, наоборот, на склонах весьма изменчивой формы оставались довольно постоянными» (с. 90). Полагаю, что это просто заблуждение. Начнем с того, что это утверждение противоречит логике и здравому смыслу; кроме того не указано, какие свойства менялись или не менялись, какие были учтены, как они измерялись и в каком масштабе исследовались. А.И. Куликов (1991) сообщает, что статистическое сравнение закартированных почв с параметрами рельефа, микроклимата и горных пород показало, что большинство этих факторов (прежде всего рельеф) имеют крайне незначительное влияние на распределение и типы почв. Однако, как отмечает сам автор, по результатам полевой проверки оказалось, что структура почвенного покрова и типы почв, показанные на картах, использованных для данного статистического сравнения, зачастую не соответствуют действительности. Следовательно и вышеуказанные выводы являются сомнительными.   

Весьма полезные и интересные мысли о связи рельефа и почвенного покрова высказывает А.Ф. Цыганенко (1972). «Рельеф в основном контролирует пространственные закономерности в почвенном покрове, не только облегчает создание почвенных карт, но и в значительной степени делает почвенные карты объективными документами. Из всех факторов закономерностей в почвенном покрове рельеф легче всего воспринимается, измеряется и наиболее объективно оценивается, тогда как другие факторы скрыты от непосредственного наблюдения в любой точке… Рельеф — надежный фундамент для почвенной карты не только потому, что почвовед-картограф лишен возможности видеть почву (разрез почвы) в любой точке и вынужден показывать на карте в основном не то, что он видит, а то, что предполагает, но еще и потому, что классификация и систематика почв еще очень несовершенны, и определения (названия) почв часто бывают очень субъективны» (Цыганенко, 1972, с.13).  Эти предложения совершенно правильны, но их применение в почвоведении сдерживается несовершенством теоретической геоморфологии. В отношении последней следует отметить, что сейчас сделаны новые теоретические разработки, которые позволяют активным образом применять данные о рельефе в изучении и картировании почв (Бутвиловский, 2009).

Изучая почвы, в основном указывают на их содержание (сущность, свойства, процессы). Собственно форму (рельеф) почвы почти не исследуют, и это свойство мало используется при выделении почв, его нет ни в одной их классификации, хотя рельеф – неотъемлемый атрибут каждой почвенной единицы. Естественно, что в рельефе почв необходимо выделить элементы. Элемент рельефа – часть рельефа, которая обладает одинаковой экспозицией и наклоном и представляет собой плоскость (элементарный склон) (Бутвиловский, 1995, 2009). Через рельеф, который преломляет и направляет действие окружающей среды, и осуществляется почвообразование. Определенному элементу (склону) рельефа соответствует определенная динамика и кинематика развития почвы. И на денудационных, и на аккумулятивных участках рельефа почвы сохраняют геометрическое подобие самим себе, отступая в ходе денудации или наращиваясь при аккумуляции согласно законам денудации или аккумуляции (Бутвиловский, 1995, 2009). Это подобие заключается прежде всего в том, что она сохраняет свое относительное отличие от соседних  — если была менее мощной и более каменистой, то и будет такой же по сравнению с ними. Почва всегда развивается параллельно своей внешней поверхности (рельефу). Неровности ее подошвы связаны с трещиноватостью, неоднородностью субстрата, что сказывается на скорости и глубине проникновения жизни и процессов почвообразования в земные недра, но эти неровности не имеют столь большого значения для картирования почв. Картирование почв должно по их приповерхностным признакам, наблюдаемых и могущих быть измеренными повсюду.

На примере двух смежных склонов легко теоретически доказать всегдашнее различие оформляемых ими почв. Разделение земной поверхности на различные склоны является также и разделением ее на участки, получающие на единицу площади разное количество энергии, необходимой как для развития рельефа, так и почв (Бутвиловский, 2009, с. 55-57). Это подтверждают и  эмпирические данные. По данным Т.В. Звонковой (1959), Scheffer & Schachtschnabel (1992) и др. склоны южной и северной экспозиций имеют существенные различия по температуре воздуха и почвы на разной глубине, по влажности почв и количеству испарившейся воды, по освещенности. Г. Вальтер (1982) также указывает, что «при поглощении радиации количество тепла, получаемое почвой…, зависит от экспозиции и крутизны склона. Самые высокие температуры обнаруживаются обычно на юго-западных склонах (…) Самые низкие температуры обычно свойственны северным склонам. Шаде в 1910-1917 гг. измерял температуры почв в Эльбских песчаниковых горах на затененных склонах северо-восточной экспозиции и всего в 50 м от них — на освещенных солнцем склонах южной экспозиции. Средний годовой максимум составлял в первом местообитании 15,9°С, а во втором 52,6°С» (с. 168). На получение и потерю тепловой энергии влияет не только высотное положение, экспозиция и крутизна, но и типы комбинаций склонов (выпуклые или вогнутые неровности). Это влияние наиболее сильно сказывается в ночное время. «Если сравнить вершинные и долинные местоположения, то последние не только более холодны ночью из-за застоя холодного воздуха, но и более жарки в солнечные дни; таким образом, им свойственны большие колебания температур» (Вальтер 1982, с. 169-170). В результате возникают значительные температурные различия между высокими и низкими участками.

Температура имеет для почвообразования исключительно важное значение. Именно она контролирует трансформацию и перераспределение воды в почве, количество растительной массы и скорость разложения органики и других химических процессов. Влияние температуры иллюстрируется правилом Вант-Гоффа – «с повышением температуры на 10°C скорость химических реакций увеличивается вдвое или втрое» (Боул и др., 1977, с. 165). С ростом температуры цвет почв становится все более красным, сильнее выщелачиваются основания, увеличивается содержание глины, при этом содержание азота и органического вещества уменьшается. С увеличением влагопоступления в почве увеличивается содержание азота, возрастает количество ионов водорода и кислотность, содержание глины, уменьшается количество карбонатов. Вода — главный растворитель и переносчик веществ в почве, ее содержание здесь тоже зависит от рельефа. Зональные климатические условия и геолого-геоморфологическая принадлежность почв так или иначе отражаются в геохимии почвенного горизонта А, являющегося, образно говоря, «центром» почвы (Перельман, 1977). Каждый тип почвы является также геохимическим барьером, способствующем накоплению тех или иных макро- или микроэлементов, оказывающих влияние на плодородие почв. Эти геохимические особенности почв обобщены в классификации А.И. Перельмана (1977) и также должны учитываться при их картировании. 

Используя элементы рельефа, как свойства внешней формы почв, можно точно обособить почвенные однородные единицы. Во всяком случае почва в пределах одного элемента рельефа находится в условиях одинакового энергетического воздействия, следовательно имеет достаточно одинаковые условия для своего образования и развития. Одинаковые условия и процессы порождают одинаковые почвы, если следовать логике. Этот вывод необходимо принять как аксиому. Соответственно смежные элементы георельефа (само собой разумеется, что различающиеся между собой) создают различные условия для развития  почв — следовательно имеют различные по своим характеристикам почвы. Выделяя в рельефе земной поверхности различные элементы рельефа, мы тем самым одновременно обособляем различные почвенные однородности. Процедура выделения элементов в данном масштабе топографической карты или на местности может быть очень точной (Бутвиловский, 2009). В этом случае одновременно и достаточно точно обособляются  и почвенные единицы, строже говоря — однородные условия формирования почв, логическое и практическое следствие которых — однородные почвы. Причем поначалу даже необязательно знать, насколько отличаются смежные почвенные единицы друг от друга (это может быть выяснено потом); важно то, что они действительно друг от друга отличаются. И уже в самом начале можно определенно сказать в какую сторону, в каком условии, в каком свойстве, т.к. на  это указывает рельеф.

Отмечу также, что при изучении педосферы основное внимание уделялось и уделяется морфологии внутреннего строения почв и современным процессам почвоформирования, а внешняя форма, структура почвенного покрова, генезис, закономерности размещения и развития почв, история развития педосферы исследуются недостаточно эффективно, и до сих пор нет ясных представлений о педосфере как о системе и о законах ее развития. С этим выводом можно спорить, но этот спор легко разрешить, если взглянуть на карты почв тех или иных территорий, ведь именно карты суммируют результаты исследований почв. Наши карты отражают информацию о типе почв, почвенных разновидностях, их механическом составе, составе материнских пород. Возрастные последовательности и генетические ряды почв, которые могут показать структуру и динамику системы, здесь не показываются, т.е. педосфера как объект-система на картах не выражена. Именно с помощью возрастной последовательности элементов денудационного рельефа и генетических разновидностей аккумулятивного рельефа найдет свое представление и система почвенного покрова.

Литература

Арманд Д.Л. Наука о ландшафте. — М.: Мысль, 1975. 210 с.

Боул С., Хоул Ф., Мак-Крекен Р. Генезис и классификация почв. / Пер. с англ. под ред. И.П. Герасимова.- М.: Прогресс, 1977. 416 с.

Бурухин Н.Н. Рельеф как фактор местного изменения климата и учет его при землеустройстве. Автореф. дисс., М.: Московский институт землеустройства, 1955.28 с.

Бутвиловский В.В. Основы устройства и развития литосферы Земли: Курс лекций по общему землеведению. — Новокузнецк: Изд-во Новокузн. пед. ин-та, 1995. 108 с.

Бутвиловский В.В. Введение в теоретическую геоморфологию — альтернативные представления. – Новокузнецк, Изд-во КузГПА, 2009. 185 с.

Вальтер Г. Общая геоботаника. Пер. с нем.- М.: Мир, 1982. 264 с.

Геологический словарь.- M.: Недра, 1978. 650 S.

Герасимов И. П. Современное состояния и перспективы развития общей теории советской геоморфологии. — Геоморфология, 1977, № 4. С. 3-16.

Джерард А. Дж. Почвы и формы рельефа. Л.: Недра, 1984. 208 с.

Звонкова Т.В. Изучение рельефа в практических целях. М.: Государственное издание географической литературы, 1959. 304 с.

Куликов А.И., Дугаров В.И., Бадмаев Н. Б. Гидротермика склоновых почв Забайкалья. – География и природные ресурсы, 1991, № 4. С. 69 — 76.

Оллиер К. Выветривание. Пер. с англ.- М.: Недра, 1987. 348 с.

Перельман А.И. Биокосные системы Земли.- M.: Наука, 1977. 160 с.

Почвоведение. Часть 1, часть 2 / под редакцией Ковды В.А., Рязанова Б.Г. —  М.: Высшая школа, 1988.

Сибирцев М. Почвоведение. Сп.б., 1914. 512 с. 

Цыганенко А.Ф. География почв. Ленинград: ЛГУ, 1972. 267 с.

Scheffer F., Schachtschnabel P. Lehrbuch der Agrikulturchemie und Bodenkunde. Teil 1. Bodenkunde. Ferdinand Enke Verlag. Stuttgart, 1960. 332 S.