Роль климата в процессе почвообразования

Министерство образования и  науки Российской Федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ  БЮДЖЕТНОЕ 

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ

«ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРССТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ОГУ)

Химико-биологический  факультет

Кафедра общей биологии

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Почвоведение и растениеводство»

Роль климата в процессе почвообразования

ГОУ ОГУ 020201.65.5011.11 ОО

                                                                           Руководитель работы

                                                             канд. биол. наук, доцент

________________ Л.В. Анилова

                                                            «___» ________ 20__г.

                                           Исполнитель

                                                    студент гр. 10 БИО

_______________ А.С. Сиротина

                                                                            «___» _________________  20__г.

Оренбург 2012

Содержание

Введение

Почвоведение — наука  о свойствах, динамике, происхождении  почв, как естественноисторических  образований, как объекта труда  и средства сельскохозяйственного  производства. Генетическое почвоведение рассматривает почву как естественноисторическое тело, обладающее свойствами живой и неживой природы. Почва- это открытая динамическая система. Как писала М.А. Глазовская (1981): «Почвообразовательный процесс в его общем виде  - совокупность явлений, совершающихся под влиянием солнечной энергии в поверхностном слое земной коры при взаимодействии живых организмов  и продуктов их распада с минеральными соединениями горных пород, воды и воздуха».  Из атмосферы в почву проникают газы , поступают атмосферные осадки с растворенными в них химическими веществами и взвесями. Почва является подсистемой в более сложной системе – биогеоценозе.

Большое влияние на развитие почвообразовательных процессов оказывает климат, его влияние очень многообразно. Почвенный климат известным образом сказывается на свойствах почвы (содержание перегноя, температура, влажность, условия аэрации и др.) и, в свою очередь, зависит от почв, произрастающей на ней растительности и элементов рельефа. Наиболее важными элементами климата в почвообразовании являются осадки и приток лучистой энергии солнца (тепло и свет). Неравномерное периодическое выпадение осадков местами создает и неблагоприятный водный режим почвы, характеризующийся сменой периодов иссушения периодами избыточного увлажнения.

Температура влияет на скорость химических и биологических процессов, протекающих в почве. Температурные условия местности и продолжительность вегетационного периода определяют длительность интенсивного сезонного почвообразования. На почвообразование может влиять ветер, вызывая дефляцию. Ветер способствует обмену воздуха атмосферы и почвы, усиливая испарение воды с поверхности земли и из почвы. Климат оказывает влияние на почву не только непосредственно, но и косвенно, поскольку существование той или иной растительности, обитание тех или иных животных, а также интенсивность микробиологической деятельности обусловлена именно климатическими условиями.

1 Климат как фактор почвообразования

1.1. Климат

Климат — статистический многолетний режим погоды, одна из основных географических характеристик той или иной местности — главный количественный показатель состояния атмосферы и воздействующих на почву атмосферных процессов, прежде всего поступления в почву тепла и воды. Поэтому, когда говорят о климате как факторе почвообразования, имеют в виду определенную часть атмосферы данной местности, характеризующуюся тем или иным климатическим режимом. Физическим телом природы при этом выступает атмосфера со всем комплексом протекающих в ней процессов и явлений, а климат служит статистическим отражением этих процессов.

В аспекте геологического времени климат — явление переменное. С изменением климата тесно связана история развития органического мира, а следовательно, и история развития почвенного покрова Земли. Климат играет важнейшую роль в закономерном размещении типов почв по лику земного шара, ему принадлежит огромная роль в установлении определенных циклов динамики почвообразовательных процессов, их специфике и направленности. С климатическими условиями связана энергетика почвообразования.

По определению С. В. Калесника, климат Земли есть результат взаимодействия многих природных факторов, главные из которых: а) приход и расход лучистой энергии Солнца; б) атмосферная циркуляция, перераспределяющая тепло и влагу; в) влагооборот, неотделимый от атмосферной циркуляции. Каждый из перечисленных факторов зависит от географического положения местности (широты, высоты над уровнем моря и т. д.).[4,с.273]

Климат - важный фактор развития биологических  и биохимических процессов. Определенное сочетание температурных условий и увлажнения обусловливает тип растительности, темпы создания и разрушения органического вещества, состав и интенсивность деятельности почвенной микрофлоры и фауны. 

1.2. Радиационный баланс

Ведущим фактором «общеземного» климата является солнечная радиация, количество которой сильно различается в зависимости от местоположения данной территории. Общий приток тепла к земной поверхности измеряется радиационным балансом R, кДж/(см²-год):

R=(Q+q)(1-A)-E, где (Q — прямая радиация; q — рассеянная радиация; А -— альбедо (в долях единицы); Е — эффективное излучение поверхности.

Радиационным балансом, или остаточной радиацией подстилающей поверхности, принято называть разность между радиацией поглощенной земной поверхностью и эффективным излучением.

Космический приток солнечной  энергии (солнечная постоянная) на верхней границе атмосферы составляет около 8,4 кДж/(см²- мин). Однако поверхности Земли достигает не более 50% солнечной энергии, так как примерно 30% ее отражается от атмосферы в Космос, 20% поглощается парами воды и пылью в атмосфере и остаток достигает поверхности Земли в виде рассеянной радиации. Наблюдается закономерное нарастание поступления солнечной энергии от полюсов к экватору. Радиационный баланс зависит от многих факторов — от широты местности, характера подстилающей поверхности, степени увлажненности территории. В пределах тропических, умеренных и частично полярных широт радиационный баланс имеет положительное значение, но в Центральной Арктике годовой радиационный баланс отрицательный и равен —11 кДж/ (см²-год), а во внутренних районах Антарктиды он достигает —42 кДж/(см² -год). Максимальный радиационный баланс на материках не превышает 336—339 кДж/(см²- год).

Поверхности Земли достигает - около половины солнечной энергии, причем одна часть ее отражается от атмосферы, другая часть поглощается парами воды, пыли, а остаток достигает Земли в виде рассеянной радиации. В соответствии с поступлением тепла на поверхности Земли формируются термические пояса планеты .Основой для выделения главных термических групп климатов является сумма среднесуточных температур выше 10 градусов С за вегетационный период.

Климаты названных термических  групп располагаются в виде широтных поясов, окружающих земной шар. Пояса  характеризуются не только суммой среднесуточных температур, но и определенными типами растительности и почв, варьирующими в широких пределах в зависимости от увлажнения. Они получили название почвенно-биотермических поясов. [4,с.274]

Таблица 1. Почвенно-термические пояса

1.3. Понятие о коэффициенте увлажнения и индексе сухости

Важнейшим компонентом  земной атмосферы является вода. Вода является непременным условием формирования всех природных экосистем, условием возникновения большинства процессов, протекающих на поверхности Земли и в ее недрах. «Картина видимой природы определяется водой», — так писал В. И. Вернадский (1933).

В мировой круговорот ежегодно вовлекается около 577 тыс. км³ воды (505 тыс. км³ испарение с поверхности океана и 72 тыс. км³ с поверхности суши), из которых около 119 тыс. км³ ежегодно выпадает на сушу в виде осадков.

Количество выпадающей из атмосферы воды в различных  природных зонах сильно варьирует. В целом поступление атмосферных осадков резко нарастает от полюса к экватору. Однако внутри континентов наблюдаются значительные отклонения от этой общей закономерности в связи с особенностями атмосферной циркуляции, размером и строением материков, наличием горных цепей и низменностей, близостью расположения местности от побережья морей и океанов, наличием холодных или теплых морских течений. В силу тех или иных географических причин на конкретной территории складывается определенный тип теплового и водного режимов, значительно нарушающих правильность широтных поясов.

Климат как фактор водного режима почв впервые обосновал  Г. Н. Высоцкий. Им было введено понятие «коэффициент увлажнения территории»(К) как величина, показывающая отношение суммы осадков (Q, мм) к испаряемости (V, мм) за тот же период (К = Q/V). По его подсчетам, К для лесной зоны равен 1,38; лесостепной — 1,0; степной — 0,67; сухо-степной — 0,33. 
 
По условиям увлажнения осадками при почвенных исследованиях различают 6 главных групп климатов. Критерием для такого разделения служит отношение количества осадков к испаряемости, получившее название коэффициент увлажнения (КУ). Он впервые был установлен Г. Н. Высоцким и позднее применен в классификации климатов земного шара Н. Н. Ивановым. [4,с.275]

Коэффициент увлажнения Высоцкого-Иванова.

K=R/E_p

где R – сумма осадков за месяц;

E_p – месячная испаряемость.

Коэффициент увлажнения около 1 – увлажнение нормальное, менее 1 – недостаточное, более 1 – избыточное.

Таблица 2. Классификация климатов

В соответствии с поступлением влаги и ее дальнейшим перераспределением каждый природный регион характеризуется показателем радиационного индекса сухости К = R/ar, где Я— радиационный баланс, кДж/(см²*год); r — количество осадков в год, мм; a — скрытая теплота фазовых преобразований воды, Дж/г.

Радиационный индекс сухости показывает, какая доля радиационного баланса тратится на испарение осадков. Изолинии индекса сухости в северном полушарии в общем совпадают с распространением природных зон. Ниже приведены значения радиационного индекса сухости для различных природных зон Северного полушария (по А. А. Григорьеву и М. И. Будыко, 1965).

Значения радиационного  индекса сухости для различных  природных зон Северного полушария

Таблица 3. Значения радиационного индекса сухости для различных природных зон Северного полушария

Исключительно большая  роль климата в процессах почвообразования заставила на основе учета термических параметров произвести выделение в каждом почвенном типе фациальных подтипов, для которых вводятся номенклатурные обозначения, связанные с их термическим режимом: жаркие, теплые, умеренно теплые, холодные, умеренно холодные, промерзающие, непромерзающие почвы и т. д. Например, дается такое определение: чернозем обыкновенный очень теплый, периодически промерзающий {встречается в Молдавии, на юге Украины, в Предкавказье), или — дерново-подзолистые умеренно холодные длительно промерзающие почвы (южно-таежные леса).

1.4. Микроклимат

Помимо «общеземного»  климата, определяющего главные  особенности закономерного размещения почв на земной поверхности, в процессах почвообразования большую роль играет местный климат, получивший название «микроклимата». Возникновение того или иного типа «микроклимата» определяется в основном формами рельефа, экспозицией склонов и характером растительного покрова.

В. Р. Волобуев (1983) к области  микроклимата относит приземный слой воздуха на высоте до 2 м от поверхности Земли и его сопряжение с поверхностными слоями почвы с соответствующими климатическими параметрами.

Для оценки  взаимодействия  между приземным  слоем  атмосферы  и почвой берется сопряженность  среднегодовой температуры воздуха на уровне 2 м от поверхности Земли и среднегодовой температуры почвы на глубине 20 см от поверхности Земли. Между этими величинами существует строгая связь, позволяющая установить наиболее общие количественные соотношения, носящие в общем прямолинейный характер как по среднегодовым, так и по сезонным показателям. [4,с.276]

2 Климат почв и его составляющие 

Климат почв может быть рассмотрен как совокупность постоянно совершающихся в ней физических процессов, формирующихся под воздействием природных и антропогенных факторов. Первыми составляющими климата почвы являются тепловой, водный и воздушный режимы, подчиняющиеся макроклиматической ритмичности и особенностям мезо- и микроклимата.

Тепловой режим  почвы

Для почв каждого типа характерна определенная динамика температур в течение вегетационного периода  и на различной глубине. Наибольшие колебания температуры наблюдаются на поверхности почвы. С глубиной ее колебания уменьшаются. Суточные изменения температуры полностью затухают на глубине 40...50 см. Годовая динамика температуры зависит от природной зоны. Так, в черноземах в зимние месяцы на глубине 30...40 см температура опускается ниже 0 °С; в июне—августе она достигает максимального значения, а затем к зиме снова снижается.

На большой глубине  годовое колебание температуры  очень незначительно. Глубина промерзания почвы в зимнее время зависит от мощности снежного покрова. Под снегом почва промерзает на незначительную глубину, а в бесснежные зимы или при сдувании снега ветром почва может промерзать на глубину 0,7...0,9 м и более. Вот почему снегозадержание проводят не только для накопления влаги в почве, но и для сохранения тепла.

В северных и северо-восточных  районах страны, в зоне «вечной» мерзлоты оттаивает лишь верхний  слой почвы. В связи с производственным освоением северных территорий все  больше внимания уделяют сельскохозяйственному использованию этих земель. Здесь целесообразно проводить тепловые мелиорации и агротехнические приемы по улучшению теплового режима почв. При подборе участков земель под сельскохозяйственные угодья необходимо учитывать свойства почв, их гранулометрический состав, рельеф и гидротермические условия местности.

Тепловой баланс почвы  складывается из радиационного баланса (Т_б), состоящего из поступающей солнечной радиации, а также отраженной и излученной радиации; турбулентного потока тепла, связанного с теплообменом между поверхностью почвы и воздухом (Т_к); тепла, затрачиваемого на физическое испарение и транспирацию воды (Т_т); теплообмена между слоями почвы (Т_п). Уравнение теплового баланса почвы предусматривает алгебраическое равенство величин различных потоков:

Т_б + Т_к + Т_т + Т_п=0

Типы теплового (температурного) режима почв. Различают мерзлотный, длительно  сезоннопромерзающий, сезоннопромерзающий, непромерзающий типы теплового режима почв.

Мерзлотный тип распространен  в Евро-Азиатской полярной и Восточно-Сибирской мерзлотно-таежной областях. В зоне вечной мерзлоты среднегодовая температура профиля почвы отрицательная. Замерзание доходит до многолетнемерзлой породы.

Длительно сезоннопромерзающий тип  характерен для областей с преобладанием  положительной среднегодовой температуры почвенного профиля. Промерзание почвы происходит на глубину не менее 1 м, но до многолетнемерзлых пород почва не промерзает.

Сезоннопромерзающий тип отличается положительной годовой температурой; вечная мерзлота отсутствует, промерзание почвы продолжается не более 5 мес.

Непромерзающий тип выражен  в южных районах, где не наблюдается промерзание почв.[3, с.178]

Водный режим почвы - совокупность процессов поступления, передвижения и расхода влаги  в почве.

Основной источник почвенной влаги — атмосферные осадки, количество и распределение которых во времени зависят от климата данной местности и метеорологических условий отдельных лет. В почву поступает меньше влаги, чем выпадает её в виде осадков, так как значительная часть задерживается растительностью, в особенности кронами деревьев. Вторым источником поступления влаги в почву является конденсация атмосферной влаги на поверхности почвы и в её верхних горизонтах (10—15 мм). Туман может оказывать значительно больший вклад в сумму осадков (до 2 мм/сутки), хотя и является более редким явлением. Практическое же значение тумана проявляется преимущественно в прибрежных районах, где в ночное время над поверхностью почвы собираются значительные массы влажного воздуха.

Часть поступившей на поверхность почвы влаги образует поверхностный сток, который наблюдается весной во время снеготаяния, а также после обильных дождей. Величина поверхностного стока зависит от количества выпавших осадков, угла наклона местности и водопроницаемости почвы. Выделяют также боковой (внутрипочвенный) сток, возникающий из-за различной плотности почвенных горизонтов. При этом вода, поступившая в почву, фильтруется через верхние горизонты, а дойдя до горизонта с более тяжёлым гранулометрическим составом, формирует водоносный горизонт, называемый почвенной верховодкой. Часть влаги из верховодки всё же просачивается в более глубокие слои, достигая грунтовых вод, которые в своей совокупности образуют грунтовый сток. При наличии же уклона местности часть влаги, сосредоточенной в водоносном горизонте, может стекать в пониженные участки рельефа.

Помимо стока, часть  почвенной влаги расходуется  на испарение. Из-за своеобразия и непостоянства свойств почвы как испаряющей поверхности, при одинаковых метеорологических условиях скорость испарения меняется сообразно изменению влажности почвы. Величина испарения может достигать 10—15 мм/сутки. Почвы с близким залеганием грунтовых вод испаряют гораздо больше воды, чем с глубоким.[3, с.158]

Воздушный режим почвы - совокупность всех явлений, определяющих поступление воздуха в почву, передвижение в ней и расход, обмен газами между почвой, воздухом, твердой и жидкой фазами почвы, потребление и выделение отдельных газов живым населением почвы.

Разнообразные формы  почвенного воздуха создают воздушный  режим почвы в соответствии с  рядом свойств почвы. Воздухоемкость почвы — объем почвенных пор, содержащих воздух, при влажности  почвы, соответствующей ее наименьшей влагоемкости; выражается в процентах объема почвы. Воздухопроницаемость почвы — свойство почвы пропускать через себя воздух. Воздухосодержание почвы — объем почвенных пор, содержащих воздух при данной влажности почвы; выражается в процентах общего объема почвы. Воздухообмен, или аэрация, — процесс обмена воздухом между почвой и атмосферой, обусловленный изменениями температуры, влажности почвы, атмосферного давления, перемещениями воды, а также воздействиями ветра и диффузией. Воздушный режим почвы складывается из изменений характера воздухообмена по годам, сезонам, суткам и т. д. Почвенный воздух отличается от атмосферного большей плотностью, низкой теплопроводностью, повышенным содержанием углекислого газа, в связи с чем основную роль в газообмене почвы играет диффузия газов. Углекислота образуется в результате жизнедеятельности микроорганизмов и поступает из атмосферы. Она служит углеродным питанием для растений. Кислород в почвенном воздухе необходим для питания растений и жизнедеятельности микроорганизмов. Энергия, образующаяся в процессе их дыхания, расходуется для биологически синтезов, а углекислый газ, выделяясь из почвы, используется (до 70% от всего потребления) растениями в процессе фотосинтеза. Выделение С02 почвой является характеристикой интенсивности биологически процессов — наиболее существенным показателем плодородия почвы в целом. Суточная потребность корней в кислороде составляет 1,5 кг на 1 кг сухого вещества. .[3, с.174]

Физические процессы фазовых переходов почвенной  влаги (испарение, конденсация, льдообразование) определяются температурой влажностью и давлением, а также их внутрипочвенными градиентами и градиентами в системе приземный слой воздуха-растение-почва, В соразмерности почвенного тепла и влаги находят количественное выражение тепло— и влагообеспеченность почвы - основные    параметры оценки ее климата в его практическом приложении.

Рис.1. Континентальность  климата по Н.Н. Иванову (Шашко, 1967).

Важным показателем  климата почв является степень суровости  зимних почвенных условий, определяющих возможность перезимовки сельскохозяйственных культур и интенсивность процессов педо— криогенеза. Существенной характеристикой климата почв является его континентальность,  определяемая не только годовой амплитудой температур на глубине 0,2 м, но и величиной внутри-почвенных градиентов (рис.1).

Оценка перечисленных  параметров климата почв необходима для уточнения диагностики и  классификации почв, природно-агрономического районирования, районирования сортов сельскохозяйственных культур, разработок планов землепользования в хозяйствах, приемов агротехники и мелиорации.

В качестве основных критериев  оценки приняты: для теплообеспеченности  почв - сумма активных (выше 10°С)  температур почвы на глубине 0,2 м (рис.2.); для влагообеспеченности - запасы продуктивной влаги в метровом слое почвы в начале и конце вегетационного периода  (выше  5°С среднесуточных температур), а также гидротермический коэффициент почвы и вероятность почвенной засухи. 

Рис.2. Сумма активных температур почвы на глубине 0,2 м. [1,c.9-14]

Рассмотрение почвенно-климатических  условий на территории СССР в зонально-провинциальном и природно—сельскохозяйственном аспектах позволило отметить следующие закономерности в пространственном их изменении.

По всем зонам Нечерноземной  полосы России наблюдается снижение сумм активных температур почв, а следовательно, их теплообеспеченности в направлении с запада на восток и нарастание сумм отрицательных температур, морозоопасности и континентальности почвенного климата в том же направлении.

Теплообеспеченность почв Нечерноземья изменяется от весьма слабой  (400-800°С)   суммы активных температур выше  10°С на глубине 0,2 м в Северо-Восточной провинции лесотундровой северо-таежной    зоны глееподзолистых и мерзлотно-таежных почв до выше средней (2100-2700°С)     в Белорусской и Дальневосточно-Амуро-Уссурийской провинциях южно-таежной зоны дерново-подзолистых  почв.

Соответственно, условия  суровости зимних почвенных условий  меняются от очень холодных крайне морозоопасных  (-2000°С ниже)  сумм отрицательных температур на глубине 0,2  м в Северо-Восточной провинции лесотундровой северо-таежной зоны до умеренно-теплых умеренно морозоопасных - 100-50°С сумм отрицательных температур в Прибалтийской и Белорусской провинциях южно-таежной зоны.

Снижение сумм активных температур почв происходит параллельно уменьшению количества осадков за вегетационный период, что   в совокупности   приводит к снижению расхода почвенной влаги за счет суммарного испарения.  Пространственное изменение запасов продуктивной влаги отражает сопряженность между суммами активных температур почвы, количеством осадков и суммарным испарением, но зависит в равных условиях растительного покрова от физических свойств почв и подстилающих пород, определяющих специфику почвенного климата. Особое значение здесь приобретает наличие вечной мерзлоты.

Влагообеспеченность почв изменяется на территории Нечерноземья от избыточной - при запасах продуктивной влаги в метровом слое почвы более 200 мм, ГТК_П - 1,5 и отсутствии вероятности почвенных засух во всех провинциях лесотундровой северо-таежной и средне-таежной  (подзолистых и мерзлотно-таежных почв)  зон, за исключением почв Центральной Якутской провинции, где влагообеспеченность достаточна  (200-150 мм; ГТК_П -  1,5-1; вероятность почвенных засух менее 25%)   в начале вегетационного периода и недостаточна в конце  (150-100 мм;  ГТК_П - 1_ 0,5; вероятность почвенных засух - 25-50%).

Следует отметить, что  в Белорусской и Центрально-Якутской провинциях расход влаги на испарение  превышает количество осадков, выпадающих в вегетационный период, и к концу его создается дефицит продуктивной влаги в метровом слое почвы по сравнению с его запасом перед началом вегетационного периода.   В почвах Средней Сибири начальный запас равен конечному. Количество осадков соответствует суммарному испарению.

Лимитирующим успешное возделывание сельскохозяйственных культур  фактором территории Нечерноземья,  характеризующейся гумидными условиями почвообразования,  является, за исключением Европейской территории южно-таежной зоны (подзоны)  дерново-подзолистых почв, недостаток тепла не только приземного слоя воздуха,     но   главным образом   тепла почвы,  ее теплообеспеченности и условий перезимовок. Особенно остро этот фактор проявляется на севере и северо-востоке страны,  в области распространения мерзлотных  (криогенных)   почв на многолетнемерзлых породах.

Иные соотношения параметров почвенного климата сформировались в условиях полуаридной, аридной и влажно—субтропической областей СССР. Основным фактором, лимитирующим успешное возделывание сельскохозяйственных культур на территории, расположенной южнее Нечерноземной полосы  (за исключением влажных субтропиков), является влага,  поэтому оценка влагообеспеченности почв здесь является первоочередной.

Вместе с тем было бы неправильным оценивать этот фактор в отрыве от второго, не менее значимого фактора - тепла и теплообеспеченности почв. Теплообеспеченность почв лесостепной, степной   сухостепной, полупустынной и пустынной зон снижается в направлении с запада на восток,  что выражается уменьшением сумм относительных  и активных температур почвы.  В том же направлении наблюдается нарастание сумм отрицательных температур, морозоопасности и континентальности почвенного климата.

Теплообеспеченность почв лесостепной,  степной, сухостепной, полупустынной и пустынной зон  снижается в направлении с  запада на восток,  что выражается уменьшением сумм положительных    и активных температур почвы,  В том же направлении наблюдается нарастание сумм отрицательных температур, морозоопасности и континентальности почвенного климата.  Снижение сумм активных температур почв,  так же   как и в Нечерноземной полосе, происходит параллельно уменьшению количества осадков за вегетационный период,  что в совокупности приводит к снижению расхода почвенной влаги за счет суммарного испарения.  Пространственное изменение запасов продуктивной влаги в метровом слое почвы отражает сопряженность между суммами активных температур почвы, количеством осадков и суммарным испарением в вегетационный период.