Генезис, классификация, состав и свойства черноземов

В. В. Докучаев назвал черноземы «царем почв» в связи с их высоким плодородием. О происхождении черноземов существуют различные гипотезы и теории. Одни исследователи склонялись к морскому происхождению черноземов, то есть рассматривали их как морской ил, оставшийся после отступления Каспийского и Черного морей. Другие ученые считали чернозем продуктом переотложения ледниковым морем и айсбергами черной юрской сланцевой глины. Затем была выдвинута теория болотного происхождения чернозема, согласно которой черноземная зона в прошлом представляла собой сильно заболоченную тундру. При дренировании территории с наступлением теплого климата происходило разложение болотной и тундровой растительности, болотного ила и поселение наземной растительности, в результате чего и сформировались черноземы.

Более точные представления о происхождении чернозема принадлежат М. В. Ломоносову, который в работе «О слоях земных» (1763) писал, что чернозем — не первообразная и не первозданная материя, но произошел от согнития животных и растительных тел со временем.

Теорию же растительно-наземного происхождения черноземов высказал Ф. Рупрехт в труде «Геоботаническое исследование о черноземе» (1866). Он рассматривал возникновение черноземов как результат поселения травянистых растений и накопления перегноя при их разложении, не придавая значения другим почвообразовательным факторам.

П. А. Костычев в работе «Почвы черноземной области России» (1886) отводил особую роль корневым системам травянистых растений в накоплении гумуса.

В. Р. Вильяме считал, что генезис черноземов — результат развития дернового процесса под луговыми степями.

Происхождение черноземов на научной основе было доказано В.В.Докучаевым в труде «Русский чернозем» (1883). Он считал образование черноземов результатом накопления в горной породе перегноя «от согнивания травянистой степной, а не лесной растительности, при влиянии климата, возраста страны, растительности, рельефа местности и материнских пород». Тип растительности, темпы ее развития, характер и скорость процессов разложения растительных остатков он связывал с климатом.

В последующем Черноземы изучали многие исследователи (Н. М. Сибирцев, И. В. Тюрин, П. Г. Адерихин, Е. А. Афанасьева, Е. А. Самойлова, М. М. Конокова и др.), трудами которых установлено, что черноземы — почвы, сформировавшиеся под многолетней травянистой растительностью лесостепи и степи в условиях непромывного или периодически промывного водного режима. Ведущим процессом почвообразования является интенсивный дерновый процесс, в результате которого развивается мощный гумусово-аккумулятивный горизонт А, накапливаются питательные элементы и оструктуривается почва.

Травянистое сообщество состоит преимущественно из злаков и разнотравья с мощной сетчато-мочковатой корневой системой.

Ежегодный опад составляет 20...30 т/га, большая же его часть (65...75 %) приходится на корневую массу, которая богата белковым азотом, основаниями (кальцием, магнием). Опад разлагается в основном спорообразующими бактериями и актиномицетами при достаточном доступе кислорода, оптимальном увлажнении, без интенсивного выщелачивания в нейтральной среде. Ежегодно с опадом поступает 600... 1400 кг/га азота и зольных элементов. Зольность опада 7... 8 %.

Весной при достаточном количестве влаги органическое вещество быстро разлагается, высвобождаются элементы питания растений. Летом запас влаги снижается до влажности завядания. В таких условиях приостанавливается минерализация органических остатков, вследствие чего образуется и накапливается гумус. В связи с неглубокой фильтрацией вод атмосферных осадков питательные элементы аккумулируются в верхних горизонтах. Закреплению гумуса способствует кальций. Зимнее охлаждение и замораживание почв также способствуют накоплению гумуса, так как при низких температурах происходит денатурация гумуса. Летом в период иссушения и зимой во время промерзания гумусовые вещества закрепляются, усложняются. В их составе преобладают гуминовые кислоты и гуматы кальция, приводящие к образованию водопрочной зернистой структуры. Этому способствуют и карбонатные почвообразующие породы, высокая зольность растительных остатков, насыщенность золы основаниями. Наиболее благоприятные условия черноземообразования характерны для южной части лесостепи. В степях отмечается дефицит влаги, уменьшается количество поступающего опада, следовательно, интенсивность гумусообразования снижается.

Классификация черноземов впервые была дана В. В. Докучаевым, который выделил их в самостоятельный тип и подразделил на водораздельные, склоновые и террасные. Большое внимание классификации черноземов уделяли Н. М. Сибирцев, С. И. Коржинский, Л. И. Прасолов, П. Г. Адерихин и др. Наиболее подробно эта проблема освещена в многотомном издании «Черноземы СССР». В настоящее время черноземы объединены в фации: теплые южноевропейские, умеренные восточноевропейские, холодные западно- и восточносибирские, глубокопромерзающие восточносибирские. Фации зоны подразделяются на подзоны-подтипы: в лесостепи — оподзоленные, выщелоченные, типичные, а в степи — обыкновенные и южные черноземы. Оптимальные условия для образования черноземов складываются в южной части лесостепи (типичные черноземы), где сосредоточено наибольшее количество растительной массы и установился благоприятный гидротермический режим.

На виды черноземы подразделяют по мощности гумусового горизонта, по содержанию гумуса и по степени выраженности сопутствующего процесса. По мощности гумусового горизонта (А + АВ) черноземы делят на сверхмощные (более 120 см), мощные (80... 120 см), среднемощные (40...80 см), маломощные (25...40 см), очень маломощные (менее 25 см). По содержанию гумуса выделяют тучные (более 9 %), среднегумусные (6 %...9 %), малогумусные (4 %...6 %), слабогумусированные (менее 4 %) черноземы. По степени выраженности сопутствующего процесса черноземные почвы могут быть слабо-, средне- сильносолонцеватые; слабо-, средне-, сильновыщелоченные и т. п.

Профиль черноземов в обобщенном виде имеет следующее морфологическое строение: А_д — степной войлок мощностью до 5 см, состоит из корней и переплетенных стеблей трав на целине, в пахотных почвах отсутствует; А — гумусово-аккумулятивный горизонт мощностью 40...130 см и более, темно-серого или черного цвета, зернистый или зернисто-комковатый, с бусами на корнях растений; АВ — переходный темно-серый гумусовый горизонт, зернисто-комковатый по структуре, с заметным побурением книзу горизонта или с темно-бурыми пятнами; В — горизонт гумусовых затеков мощностью 40...80 см, буровато-серый, комковатый, часто подразделяется по структуре и степени гумусированности на подгоризонты В₁, В₂, В₃; в этих горизонтах присутствуют карбонаты кальция в виде псевдомицелия, журавчиков, белоглазки (за исключением сильновыщелоченных и оподзоленных черноземов); ВС_К — иллювиально-карбонатный переходный к почвообразующей породе горизонт, буровато-палевый, комковато-призматический; С — палевая почвообразующая порода с карбонатными выделениями, а в южных черноземах и с гипсом. По всему профилю встречаются кротовины, переходы между горизонтами постепенные.

Черноземы оподзоленные (рис., а) развиты под широколиственными травянистыми лесами на лёссовидных и покровных суглинках, лёссах. Мощность гумусового горизонта (А + АВ) варьирует от 30...50 см (холодная западная и среднесибирская фации) до 70...100 см (теплая южноевропейская фация). Горизонт А преимущественно темно-серый, зернистой структуры, а при распашке — комковатой. В горизонте АВ наблюдается седоватый оттенок (белесоватый налет кремнеземистой присыпки SiО₂ на структурных отдельностях). Горизонт В имеет ореховатую или ореховато-призматическую структуру, на гранях структурных отдельностей отмечаются коричневые пленки, гумусовые примазки, кремнеземистая присыпка; более плотный, с постепенным переходом в почвообразующую породу С. Почвы вскипают с глубины 130... 150 см. В горизонте ВС_К содержатся карбонаты в виде известковых трубочек, журавчиков, дутиков.

Черноземы слабооподзоленные имеют кремнеземистую присыпку в нижней части горизонта АВ и в горизонте В, а средне-оподзоленные — по всему гумусовому слою и в горизонтах В₁, В₂.

Черноземы оподзоленные подразделяют на основные роды: обычные, слитые, слабодифференцированные, бескарбонатные.

Реакция верхних горизонтов слабокислая или близкая к нейтральной (рН 5,5...6,5). Емкость поглощения составляет 30...50 мг • экв/100 г почвы; почвенный поглощающий комплекс насыщен основаниями, а в горизонте АВ содержится обменный водород (до 3 %). В горизонте А присутствует 5... 12% гуматного гумуса. В горизонте В наблюдается увеличение содержания ила.

Черноземы выщелоченные (рис., б) формируются под разнотравно-злаковой растительностью. В их профиле хорошо выражен темно-серый гумусовый горизонт А. Он рыхлый или слабо уплотненный, имеет комковато-зернистую структуру. В этом горизонте отсутствует белесая кремнеземистая присыпка. Горизонт АВ мощностью от 30...50 см в восточносибирской фации до 80... 150 см в теплой фации, темно-серый с буроватым оттенком. Под ним залегает уплотненный буроватый бескарбонатный горизонт В мощностью 20...50 см, с гумусовыми затеками, примазками и пленками по граням комковато-ореховатой или комковато-призматической структуры; переход постепенный. Горизонт ВС_К — иллювиально-карбонатный, палевый, уплотненный, ореховато-призматический, с выцветами, прожилками, мицелиями, мучнистыми скоплениями, журавчиками карбонатов. С_к — палевая карбонатная почвообразующая порода. Гипс и легкорастворимые соли отсутствуют.

Выделяют следующие виды выщелоченных черноземов: слабо-выщелоченные (линия вскипания проходит не более чем в 20 см от нижней границы АВ), средневыщелоченные (на глубине 20...50 см от границы гумусового слоя), сильновыщелоченные (ниже 50 см от границы АВ). Особенностью этих почв является отсутствие свободных карбонатов в горизонтах А и АВ.

Черноземы типичные (рис., в) образуются под разнотравно-злаковой растительностью на лёссах, лёссовидных и покровных суглинках. Они характеризуются большой мощностью гумусового слоя — от 50...70 см (холодная фация) до 100... 190 см (теплая фация), присутствием карбонатов в форме мицелия, известковых трубочек в горизонте АВ. Чаще карбонаты наблюдаются с глубины 60...70 см. Горизонт А мощностью до 130 см, черный или серовато-черный, зернистый, а АВ — темно-серый с едва заметным буроватым оттенком, часто с более темными затеками. Ниже АВ залегает серовато-бурый уплотненный иллювиально-карбонатный горизонт В_к с языками и затеками гумуса, комковато-призматической структуры, с карбонатами преимущественно в виде мицелия, выцветов, журавчиков. Этот горизонт постепенно переходит в горизонт ВС_К — палево-бурый, переходный к породе, со значительным количеством карбонатных прожилок и журавчиков. С_к — карбонатная, почвообразующая порода палевого цвета. Гипс и легкорастворимые соли отсутствуют во всем профиле почв. В почвах много кротовин.

Черноземы обыкновенные (рис., г) распространены под степной разнотравно-типчаково-ковыльной растительностью. Эти почвы по сравнению с типичными черноземами менее мощные. Их гумусовый горизонт колеблется от 35...45 см (холодная восточносибирская фация) до 80... 140 см (теплая фация). Почвы имеют буроватый оттенок на общем темно-сером фоне и комковатую структуру горизонта АВ. Горизонт В (гумусовых затеков) часто совпадает с карбонатным горизонтом или В_к, или ВС_К. Структура этого горизонта призматическая, цвет буровато-палевый. Карбонаты представлены пятнами белоглазки и псевдомицелия, мучнистой пропитки. Иногда на глубине 200...300 см выделяются легкорастворимые соли и гипс. С_к — палевая карбонатная почвообразующая порода. В профиле почв много кротовин.

Рис.  Строение профиля чернозёмов: а — оподзоленного; б— выщелоченного; в — типичного; г — обыкновенного; д - южного

Черноземы южные (рис., д) сформировались под типчаково-ковыльной степной растительностью. Они имеют небольшой гумусовый слой (от 25...30 до 70...80 см). Горизонт А мощностью 20...30 см, темно-серый с коричневым оттенком, комковатой и зернисто-комковатой структурой. Горизонт АВ (30...40 см) буровато-темно-серый, ореховато-комковатый, уплотненный. Ниже залегает карбонатный горизонт В_к, бурый с потеками гумуса, уплотненный, ореховато-призматический, содержащий мицелии, выцветы, мучнистые выделения карбонатов. ВС_К — буровато-палевый иллювиально-карбонатный горизонт, уплотненный, призматический, с большим количеством белоглазки. С — палевая карбонатная порода, с глубины 150...200 см встречаются выделения гипса, а с глубины 200...300 см — легкорастворимые соли. В профиле почв наблюдаются кротовины.

Предкавказские черноземы образуют своеобразную группу. Они имеют с поверхности темно-серую с коричневатым оттенком окраску, мощный гумусовый горизонт (120... 150 см и более). Эти почвы вскипают уже в горизонте А.

Лугово-черноземные почвы развиваются в условиях повышенного увлажнения на слабодренированных равнинах, в пониженных элементах рельефа (депрессиях, лощинах, лиманах) под злаково-разнотравной растительностью. Грунтовые воды залегают на глубине З...6м. Лугово-черноземные почвы относятся к полугидроморфным аналогам черноземов. Они отличаются более темной окраской гумусового горизонта, повышенной гумусностью, растянутостью гумусового горизонта, наличием глубинной глееватости.

По типу водного режима, степени выраженности гидроморфизма почвы подразделяют на подтипы: луговато-черноземные и лугово-черноземные.

Луговато-черноземные почвы формируются в результате повышенного временного поверхностного увлажнения при глубоком залегании грунтовых вод (4...7 м). Профиль имеет следующее строение: А — гумусово-аккумулятивный горизонт, черный или темно-серый, зернистый, рыхлый, с повышенной мощностью по сравнению с черноземами, содержит массу корней, кротовины; переход постепенный; АВ — нижний гумусовый горизонт, темно-серый с буроватым оттенком, зернистый или комковато-зернистый, рыхлый, содержит много корней растений, кротовины, иногда в нижней части наблюдаются псевдомицелии карбонатов. Общая мощность горизонтов А + АВ колеблется от 50...80 до 100...120 см; В — неоднородноокрашенный (бурый с большим количеством темно-серых, буро-серых гумусовых затеков в виде языков до глубины 100... 150 см) переходный горизонт, ореховатый и призматически-ореховатый, может содержать карбонаты в виде псевдомицелия, кротовины, корни растений; С_к — почвообразующая порода желто-бурого и палевого цвета, встречаются псевдомицелии, примазки карбонатов, с глубины 2...3 м наблюдаются ржаво-охристые пятна.

На виды почвы подразделяют по мощности, содержанию гумуса и сопутствующим процессам как черноземы.

Для южноевропейских черноземов (Молдавии, юга Украины, Предкавказья) в связи с теплым и мягким климатом характерны интенсивный биологический круговорот, большая перерытость профиля в результате деятельности дождевых червей, периодическое промывание профиля. Эти почвы отличаются большой мощностью гумусового горизонта при невысоком содержании гумуса (менее 8 %), отсутствием легкорастворимых солей и гипса, обильной карбонатностью в виде налетов, паутинок, жилок и пр. в верхних горизонтах и мицеллярных форм в нижних. Мицеллярные формы карбонатов свидетельствуют о миграции, сезонной пульсации их в почвах. Эти почвы называют «мицеллярно-карбонатными».

В черноземах восточноевропейской группы в связи с более сухим и холодным климатом мощность гумусового горизонта меньше, а гумуса содержится больше (7...12%); профиль промыт от легкорастворимых солей лишь в лесостепи, тогда как в степях на глубине ниже 2 м наблюдаются новообразования гипса.

Для черноземов Западной Сибири характерны глубокие потеки гумуса по трещинам, образующимся при замерзании почв, высокое содержание гумуса (до 10...14 %) с быстрым уменьшением его количества с глубиной, а также присутствие гипса в степной части.

В Восточной Сибири биологический круговорот элементов значительно подавлен низкими температурами, поэтому содержание гумуса в них невелико (4...9 %), мощность гумусового горизонта незначительная. Эти почвы часто называют малокарбонатными или бескарбонатными, так как в них содержится мало карбонатов (мучнистые) или они совсем отсутствуют.

Гранулометрический состав почв зависит от почвообразующих пород и изменяется от супесчаного до глинистого, однако доминируют суглинистые разновидности.

Для черноземов характерно отсутствие заметных изменений гранулометрического состава при почвообразовании. Только в оподзоленных и в выщелоченных черноземах наблюдается увеличение количества фракции тонкой пыли вниз по профилю. Во всех почвах по сравнению с почвообразующей породой профиль обогащается илом. В составе ила южноевропейских черноземов доминирует монтмориллонитовая группа, гидрослюд содержится менее 25 %, каолинит не отмечается. В восточноевропейских черноземах преобладают гидрослюдистые минералы и гидрослюдисто-монтмориллонитовые смешаннослойные образования. В очень небольшом количестве присутствуют минералы каолинитового и хлоритового типа. Микроморфология глинистого вещества находится в тесной связи с глубиной залегания карбонатов в профиле. В почвах, в которых карбонатный горизонт следует за гумусовым, глинистое вещество скоагулировано вместе с гумусом и закреплено. Опускание карбонатного горизонта влечет за собой пептизацию глины и некоторое передвижение ее по профилю.

Черноземы характеризуются рыхлостью, высокой влагоемкостью, хорошей водопроницаемостью. В структурном составе целинных черноземов доминируют водопрочные зернистые агрегаты, что особенно ярко проявляется у типичных, выщелоченных и обыкновенных черноземов. Оподзоленные и южные черноземы содержат меньше водопрочных агрегатов. При использовании черноземов в сельском хозяйстве происходит уменьшение содержания комковато-зернистой, зернистой, пылеватой фракций, снижение водоустойчивости и уменьшение размеров структурных отдельностей.

Черноземы характеризуются высоким содержанием гумуса в гумусово-аккумулятивном горизонте А, которое постепенно уменьшается с глубиной, за исключением почв Восточной Сибири (табл.). Количество гумуса в черноземах колеблется от 3...5 % (запасы составляют 270...300 т/га) в южных до 5...8 % (450...600 т/га) в типичных южноевропейской группы, от 4...7 % (300...450 т/га) в южных до 8...12 % (600...750 т/га) в типичных восточноевропейских, от 4...6 % (200...300 т/га) в южных до 10...12 % (450...500 т/га) в типичных Западной Сибири, от 3,5...5,0 % в южных до 5...7 % (200...300 т/га) в выщелоченных Восточной Сибири. В составе гумуса горизонтов А и АВ преобладают черные гуминовые кислоты, связанные с кальцием. Количество гуминовых кислот, связанных с R2O3 и глинистой фракцией, незначительно. Отношение Стк ^: Сфк ⁼ 1,5...2,6. В черноземах по сравнению с другими почвами фульвокислоты самые светлые, с наименьшей оптической плотностью и незначительным содержанием агрессивной фракции.

Реакция почв — слабокислая или близкая к нейтральной в гумусовых горизонтах выщелоченных и оподзоленных черноземов или нейтральная и слабощелочная в черноземах других подтипов. В нижних горизонтах реакция почв преимущественно слабощелочная, реже щелочная.

Содержание и запасы гумуса в черноземах

Зона	Чернозем	Содержание гумуса, %	Запас гумуса, т/га
Южная часть Европы	Южный	3...5	270..	.300
	Типичный	3...8	450..	.600
Восточная часть Европы	Южный	4...7	300..	.450
	Типичный	8...12	600..	.750
Западная Сибирь	Южный	4...6	200..	.300
	Типичный	10...12	450..	.500
Восточная Сибирь	Южный	3,5...5	200..	.250
	Выщелоченный	5...7	200..	.300

Черноземы обладают высокой емкостью поглощения (50...70 мг • экв/100 г почвы для суглинистых разновидностей), значительной насыщенностью поглощающего комплекса основаниями, высокой буферностью. В составе обменных катионов доминирует кальций, затем магний (15—20% от суммы). В оподзоленных и выщелоченных черноземах в поглощающем комплексе присутствует водород. В обыкновенных и южных черноземах в составе поглощенных катионов кроме кальция присутствует натрий, увеличивается содержание магния.

Почвы характеризуются значительным валовым содержанием питательных веществ. Например, в типичных тяжелосуглинистых черноземах количество азота достигает 0,4...0,5 % (10...15 т/га), фосфора — 0,15...0,35 %. Содержание подвижных форм питательных элементов зависит от климата, приемов агротехники и возделываемых культур. Наибольшее количество их содержится в пахотном слое окультуренных черноземов.