1. Распространение
Чернозёмы расположены южнее зоны серых лесных почв и занимают около 189 млн. га или 8,6 % территории бывшего СССР. Эта площадь составляет 46,8 % площади всех чернозёмных почв мира, включая чернозёмы Молдавии, Украины, Казахстана и России.
За пределами СНГ чернозёмы есть в странах Восточной Европы (Румыния, Венгрия, Болгария), в Австрии, Китае, в континентальных районах Северной и Южной Америки.
В России чернозёмы занимают Центральный чернозёмный район (Курская, Орловская, Воронежская, Липецкая, Тамбовская и Белгородская области), в Поволжье (Оренбургская и др. области), Предкавказье (Краснодарский и Ставропольский края), всю западную часть Западно-сибирской низменности, в Восточной сибири - Минусинская, Ачинская степи, предгорье Саян и Алтая, восточнее алтайских гор чернозёмы представлены отдельными островками по крупным межгорным котловинам и впадинам.
Чернозёмы формируются в лесостепной зоне (центральной и южной части) и в степной зоне.
2. Факторы почвообразования
Большая протяжённость территории, занятой чернозёмами, с севера на юг и с запада на восток, обуславливает неоднородность условий почвообразования.
1. Климат
Климат континентальный. Характеризуется тёплым летом и умеренно холодной зимой. На востоке зоны зимы холодные и суровые.
При движении с запада на восток:
1) Нарастает континентальность климата
2) Уменьшается количество тепла. Сумма температур выше 10 ⁰С колеблется в лесостепной части от 2400-3200 ⁰С на западе, до 1400-1600 ⁰С на востоке. В степной зоне: на западе от 2300-3500 ⁰С до 1500-2300 ⁰С на востоке. Продолжительность периода с температурами выше 10 ⁰С составляет на западе лесостепи 150-180 дней, на востоке - 90-120 дней. В степной зоне соответственно 140-180 дней на западе и 97-140 дней на востоке.
3) Снижается количество осадков. Больше всего выпадает осадков на западе и в Предкавказье (500-600 мм). Снижается в Поволжье до 300-400 мм. В Западной Сибири - до 300-350 мм.
Количество осадков снижается также при движении с севера на юг. В лесостепи коэффициент увлажнения (КУ) приближается к 1 (0,77-1). Тип водного режима - периодически промывной. Южнее, в степи, складывается менее благоприятный баланс влаги. Здесь испаряемость значительно превышает годовое количество осадков. КУ снижается до 0,5-0,66. Тип водного режима - непромывной с ежегодным промачиванием почвенного профиля не глубже 200-250 см. Глубина промачивания уменьшается в южном направлении. Значительная часть осадков выпадает в летний период. В Европейской части это 30-40 %, а в азиатской до 50-60 %. Летние осадки выпадают неравномерно и часто имеют ливневый характер. Вследствие этого часть влаги не успевает впитываться почвой и стекает в виде поверхностного стока. Для степных районов характерны частые засухи. Засушливая погода обычно сочетается с почвенной засухой и нередко сопровождается суховеями и пыльными бурями.
2. Растительность и фауна
В настоящее время большая часть чернозёмов распахана, остальная используется под выгоны и сенокосы. Естественная растительность сохранилась лишь на отдельных участках (на крутых склонах, на каменистых почвах и в заповедниках).
В лесостепной зоне она была представлена луговыми степями. В степной зоне - настоящими степями. Растительность луговых степей это злаково-разнотравные ассоциации. В их составе злаки: высокостебельные ковыль, степчак, костёр, тимофеевка степная, степные овсы и др. В составе разнотравья - клевер, шалфей, лядвенец, жёлтая люцерна, горицвет и колокольчик. Насчитывается до 80 видов на один квадратный метр. Степень проективного покрытия - 90-100 %. Южнее, в степной зоне, луговые степи сменились разнотравно-ковыльными. Основной фон создавали злаки: узколистные ковыли, типчак, тонконог; из разнотравья: клевер, шалфей, колокольчик, молочай. Видовое разнообразие меньше. Травянистый покров более низкий и менее плотный. Степень проективного покрытия уменьшается до 70 %. Типчаково-ковыльные степи располагались ещё южнее, в условиях большего дефицита влаги. Характерные злаки: низкорослый перистый ковыль, житник. Разнотравья мало: люцерна , астрагал, гвоздика. Возрастает роль эфемеров и эфемероидов (тюльпан, крупка и др.). Количество видов составляет 3-5 на один квадратный метр. Степень проективного покрытия снизилась до 60 %.
На почвообразование большое влияние оказывают степные животные. Сурок ежегодно поднимает на поверхность почвы с глубины
3. Почвообразующие породы
Чернозёмы формируются на карбонатных почвообразующих породах.
В европейской части основные породы - лёссы и лессовидные суглинки, элювиально делювиальные отложения, сыртовые глины.
В азиатской части - суглинистые породы древне аллювиального и элювиального происхождения.
4. Рельеф
Рельеф черноземной зоны равнинный или слабоволнистый, местами увалистый. Наиболее спокойный рельеф в южных районах европейской части. Водораздельные пространства здесь плоские с многочисленными замкнутыми понижениями (блюдца и поды). Наименьшей расчленённостью характеризуется территория Среднерусской, Приволжской и др. возвышенностей, где рельеф становится волнистый и увалистый. Густая сеть мелких рек, балок и оврагов сильно дренирует и иссушает местность.
В азиатской части чернозёмы занимают слаборасчленённую равнинную относительно повышенную часть западно-сибирской низменности. Восточнее они приурочены к равнинным и предгорным областям Алтая, Минусинской впадины и Восточных Саян.
3. Генезис чернозёмов
Существующие гипотезы и теории происхождения чернозёмов можно объединить в три группы:
1) Гипотезы о морском происхождении чернозёмов
Первые исследователи чернозёмных почв считали их морским илом, оставшимся после отступления Чёрного и Каспийского морей или продуктом размыва ледниковым водами чёрных морских сланцевых глин Юрского периода. Почва рассматривалась как геологическое тело.
2) Теория болотного происхождения чернозёмов
Некоторые исследователи считали, что территория чернозёмной зоны в прошлом представляла собой сильно заболоченную тундру. Постепенное потепление климата и дренирование территории вызвали высыхание болот и озёр, разложение торфа и болотного ила, что в конечном итоге и привело к возникновению чернозёмов. Указанные и другие гипотезы не получили широкого признания и представляют лишь исторический интерес.
3) Теория растительно-наземного происхождения чернозёмов
Эти идеи развивались в трудах В.В. Докучаева, Костычева, В.Р. Вильямса, позднее И. Тюрина, М.Н. Кононовой
Чернозём - это почва, развивающаяся под лугово-степной или степной травянистой растительностью в условиях периодически промывного или непромывного типа водного режима.
Необходимые условия для образования чернозёмов:
1) Наличие развитой лугово-степной или степной травянистой растительности, ежегодно оставляющей большое количество органических остатков. Ежегодный опад под растительностью луговых степей составляет 10-20 т/га органической массы, из них на долю корней приходится 80 %. Средняя зольность опада - 7-8%. Ежегодное поступление азота составляет от 600 до 1400 кг/га.
2) Своеобразный гидротермический режим, при котором, во-первых, нет сквозного промачивания почвенного профиля, во-вторых, в верхней части профиля наблюдается чередование периодов увлажнения почвы с периодом высыхания. Иссушение почвы наблюдается летом и в первую половину осени. Влага интенсивно расходуется на испарение и транспирацию. Промачивание профиля происходит во вторую половину осени, затем прерывается промерзанием зимой и вновь продолжается весной.
3) Богатство почвообразующих пород карбонатами кальция.
Процессы почвообразования
- Гумусоаккумулятивный (дерновый)
- Процесс накопления и перераспределения карбонатов кальция по профилю (формирование иллювиально-карбонатного горизонта)
- Образование вторичных минералов
- Оподзоливание (возможно на севере лесостепной зоны)
- Лессиваж возможен только в лесостепной зоне (из-за количества поступающих осадков)
- Осолонцевание или солонцовый процесс (см. здесь).
- Засоление (солончаковый процесс)
- 1, 2 и 3 процессы в совокупности называют "чернозёмообразование".
- 6 и 7 процессы протекают только в степной зоне
1) Гумусоаккумулятивный процесс
Гумусоаккумулятивный процесс приводит к образованию мощного гумусоаккумулятивного горизонта, накоплению элементов питания и оструктуриванию профиля.
Особенности гумусоаккумулятивного процесса в чернозёмах:
1) Активная гумификация растительных остатков в толще почвы. Наиболее интенсивно гумификация протекает весной и ранним летом, когда почва обладает благоприятной температурой и достаточным количеством влаги. Летом, в период иссушения и лишь периодического увлажнения, почвенно-микробиологические процессы заметно ослабевают и затухают.
Гумусообразование возобновляется осенью с устойчивым увлажнением почв. Однако этот период ограничивается быстрым снижением температуры. Промерзание почвы зимой действует аналогично высыханию её летом.
2) Качественный состав гумуса. В составе гумуса преобладают сложные гуминовые кислоты, связанные преимущественно с кальцием и прочно закрепляющиеся на месте образования. Это обусловлено: а) богатством опада белковым азотом и кальцием; б) бактериальным составом микрофлоры; в) нейтральной реакцией среды; в) периодическим высушиванием почвы.
Фульвокислот образуется относительно не много. Они имеют более сложное строение, чем фульвокислоты подзолистых почв. Все они нейтрализуются основаниями, которые высвобождаются при разложении растительного опада.
3) Вместе с накоплением гумуса происходит закрепление N, P, S и др. элементов питания растений, высвободившихся при минерализации.
4) Формирование в гумусовом горизонте водопрочной зернистой структуры, характерной для чернозёмов.
Оструктуриванию способствуют:
- высокое содержание гумусовых веществ, особенно гуматов кальция, обладающих клеящей способностью;
- воздействием на почву живых корней травянистой растительности (механическое воздействие и корневые выделения растений, которые тоже обладают клеящей способностью
- интенсивная жизнедеятельность почвенных животных, особенно червей.
2) Процесс формирования иллювиально-карбонатного горизонта
Источники кальция:
- Биогенный кальций, освобождающийся при минерализации богатым этим элементом, остатков травянистой растительности;
- Кальций, освобождающийся при внутрипочвенном выветривании минералов
Источники углекислоты:
Углекислота образуется в почве
- при минерализации растительных остатков и гумусовых веществ;
- при дыхании корней.
Образующийся карбонат кальция практически не растворим в воде.
Растворим бикарбонат кальция, который образуется в результате протекания следующей реакции:
CaCO₃ + H₂O + CO₂ + Ca(HCO₃)₂
Во влажные периоды бикарбонат кальция мигрирует с током воды вниз по профилю. В периоды иссушения влага и вместе с ней бикарбонат кальция из нижележащих горизонтов перемещается в верхнюю часть почвенного профиля. Испарение воды приводит к выпадению CaCO₃ из почвенного раствора.
3) Образование вторичных минералов
Процесс образования вторичных минералов осуществляется путём синтеза из продуктов разложения опада, а также в результате оглинивания.
Оглинивание - образование глинистых минералов в той или иной части почвенного профиля в результате выветривания первичных минералов (главным образом полевых шпатов и слюд). Гумусовые вещества не участвуют в разложении почвенных минералов.
Оптимальные условия для чернозёмообразования складываются в южной части лесостепной зоны в полосе типичных чернозёмов, где формируется наибольшее количество растительной массы и складывается оптимальный гидротермический режим.
Севернее более влажный климат способствует большему выносу оснований из опада, образованию более ненасыщенных гумусовых кислот. Под их воздействием происходит некоторое разрушение минеральной части почвы. Появляются слабые признаки оподзоливания почв. К югу, при нарастании дефицита влаги, наблюдается уменьшение растительного опада, ухудшение его состава. Это приводит к формированию менее богатым гумусом и элементами питания подтипов чернозёма.
4. Строение почвенного профиля
Почвенный профиль имеет следующее строение:
(А₀)+А+В₁+В₂(Вк)+С
А₀ - "степной войлок" состоит из переплетённых между собой стеблей и корней степной растительности.
А - гумусово-аккумулятивный горизонт однородной чёрной или тёмно-серой окраски с хорошо выраженной зернистой или комковато-зернистой структурой. На корнях образует "бусы". Переход в следующий горизонт постепенный. В оподзоленных чернозёмах наблюдается белесоватая кремнезёмистая присыпка.
В₁ - нижняя часть гумусового горизонта. Имеет тёмную окраску, однако светлее предыдущего. Как правило имеет буроватый оттенок, зернисто-комковатую или комковатую структуру. переход в следующий горизонт постепенный.
В₂ - переходный горизонт - бурый, в нижней части буровато-палевой окраски с тёмными гумусовыми затёками. Структура комковатая, в нижней части комковато- или ореховато-призматическая. Характерно наличие новообразований карбоната кальция в виде псевдомицелия, белоглазки, журавчиков и т.д. Часто встречаются кротовины. В некоторых подтипах выделяется горизонт Вк - карбонатно-иллювиальный горизонт.
С - материнская порода, содержит CaCO₃ в разных формах, в южных чернозёмах может присутствовать гипс в виде кристаллов и прожилок.
Морфологическое описание почвенного профиля чернозёма
5. Классификация чернозёмов
Чернозёмы делятся на подтипы на основании генетических особенностей и свойств. Выделяют 5 подтипов чернозёмов:
1) Оподзоленный, 2) Выщелоченный, 3) Типичный, 4) Обыкновенный, 5) Южный.
Подтипы подразделяются на роды:
- Обычные. Имеют признаки и свойства, характерные для основных признаков подтипа.
- Слабодифференцированные. Развиты на песчаных и супесчаных породах. Типичные признаки чернозёмов (окраска и структура выражены слабо).
- Глубоковскипающие. Вскипают более глубоко, чем род обычного чернозёма в связи с более выраженным промывным режимом за счёт облегчения гранулометрического состава и условий рельефа.
- Бескарбонатные. Развиты на бедных силикатом кальция породах. Не вскипают.
- Карбонатные. Вскипают по всему профилю.
- Солонцеватые. В пределах гумусового профиля имеют солонцеватый уплотнённый горизонт.
Роды подразделяются на виды:
Деление чернозёма на виды осуществляется по следующим признакам:
1. По мощности гумусового горизонта (А + В₁)
- сверхмощные - более 120 см
- мощные - 120-80 см
- среднемощные - 80-40 см
- маломощные - 40-25 см
- очень маломощные - менее 25 см.
2. По содержанию гумуса:
- тучные - более 9 %
- среднегумусные - 9-6 %
- малогумусные - 6-4 %
- слабогумусированные - менее 4 %.
6. Свойства чернозёмов
1. По гранулометрическому составу почвы суглинистые и глинистые, реже супесчаные. Заметных изменений гранулометрического состава по профилю не наблюдается, лишь в оподзоленных и выщелоченных чернозёмах проявляется небольшое увеличение илистой фракции в средней части профиля.
2. В минералогическом составе чернозёмов преобладают первичные минералы. Из вторичных минералов в почвах в большом количестве встречаются минералы монтмориллонитовой и гидрослюдистой групп, преобладает монтмориллонит.
3. Валовой химический состав однороден по профилю, однако в оподзоленных и иногда в выщелоченных чернозёмах наблюдается небольшое обеднение полуторными оксидами и обогащение кремнекислотой верхней части профиля.
4. Содержание гумуса в горизонте А высокое (6-12 %) и очень постепенно уменьшается с глубиной. Тим гумусового профиля - аккумулятивный неполноразвитый. Тип гумуса - гуматный, реже - фульватно-гуматный. Сгк/Сфк>1,5-2.
5. Реакция среды в верхней части профиля варьирует от слабокислой в оподзоленных и иногда в выщелоченных чернозёмах через близкую к нетральной, нейтральную до слабощелочной в южнных. В нижней части профиля реакция становится слабощелочной.
6. Ёмкость катионного обмена (ЕКО) в горизонта А высокое - 30-70 ммоль/100 г. Наибольшая ЕКО в типичных чернозёмах. С глубиной она постепенно уменьшается, коррелируя с содержанием гумуса. В составе поглощённых катионов доминирует Ca²⁺ (до 80-90 % от ЕКО). В меньших количествах содержится Mg²⁺ (см. схему).
7. В зависимости от подтипа на той или иной глубине профиля проявляется иллювиально-карбонатный горизонт с максимальным содержанием карбонатов. Глубина вскипания также зависит от подтипа (см. схему) и повышается при продвижении с севера на юг.
8. Валовые запасы N, P, K высокие. Валовое содержание N в горизонте А коррелирует с содержанием гумуса и колеблется в пределах 0,2-0,5 %, P₂O₅ - 0,15-0,35 %, K₂O - 2-4 %. Основная часть азота входит в состав гумуса и труднодоступна для растений. Этот азот является резервом для образования нитратных и аммиачных его форм. Большая часть фосфора (60-80 %) находится в форме органических соединений и малодоступных для растений фосфатов кальция. Таким образом в Апах содержание подвижных форм азота и фосфора варьирует от низкой до высокой степени обеспеченности. Количество подвижного калия находится в пределах высокой степени обеспеченности. Содержание микроэлементов в подвижной форме также не всегда достаточно.
9. Высокое содержание гумуса и хорошая оструктуренность горизонтов определяет их рыхлое строение, высокую влагоёмкость и хорошую водопроницаемость. Плотность гумусового горизонта невысокая (1,0-1,2 г/см³), очень постепенно увеличивается с глубиной.
Отличие целинных чернозёмов от старопахотных
1. Заметное уменьшение содержания гумуса в верхней части профиля до 3-4% в результате преобладания минерализации гумуса над гумификацией.
Это связано:
- с обработкой почвы
- с меньшим поступлением в пахотные почвы растительных остатков
- частичное разрушение структуры приводит к уменьшению содержания водопрочных агрегатов и увеличению бесструктурной массы. Старопахотные чернозёмы после дождя образуют корку и заплывают, что приводит к неполному впитыванию талых и дождевых вод и более сильному развитию эрозионных процессов.
- Снижение величины рН до кислой реакции среды
- Создание микрозон с анаэробными условиями по колеям движения тяжёлых тракторов.
Чернозёмы являются почвами высокого плодородия, однако и они не лишены недостатков: легко подвергаются водной эрозии, неустойчиво снабжают культурные растения водой летом.
Деградация чернозёмов. Гидроморфизм, выщелачивание карбонатов
Основные мероприятия по повышению плодородия чернозёмных почв
- Борьба с водной эрозией
- Накопление и сохранение влаги с помощью лесонасаждений, снегозадержания и правильной обработки почвы.
- Сохранение и восстановление структуры при правильной обработке почвы и внесении удобрений.
- Внесение органических и минеральных удобрений (прежде всего N и P)