Лекція №2. Закономірності розміщення грунтів у просторі (Частина 1)

1. 1. Основні закономірності географічного поширення ґрунтів

Причинами природнього формування просторових змін ґрунтів є поєднання факторів ґрунтоутворення (клімату, ґрунтоутворюючих порід, рельєфу, рослинності і тваринного світу, діяльності людини, тривалості ґрунтоутворення тощо). Отже, закономірності географічного поширення ґрунтів є результатом складної взаємодії всіх факторів ґрунтоутворення.

Основними законами є:

 1) закон горизонтальної зональності;

2) закон вертикальної зональності;

 3) закон фаціальності ґрунтів;

 4) закон аналогічних топографічних рядів (зональних типів ґрунтових комбінацій).

Закон горизонтальної зональності був сформульований В.В. Докучаєв у праці «К ученню о зонах природи» (1899). Згідно з ним основні типи ґрунтів поширені на поверхні континентів земної кулі широкими смугами (зонами), які послідовно змінюють одна одну відповідно до зміни клімату, рослинності та інших факторів ґрунтоутворення. Цей закон проявляється в наявності на земній поверхні ґрунтово–біокліматичних поясів, які перетинають континенти.

М. Сибірцев зазначав, що зональність треба розглядати як “грубу схему”, оскільки земну поверхню “обтягують” не ґрунтові, а теплові пояси, а ґрунтові смуги наявні лише у тих випадках, коли кліматичні зони розділені на паралельні одна до одної вторинні зони. На засадах розуміння складності загальних законів географії ґрунтів, підпорядкованості ґрунтів усім чинникам ґрунтоутворення можна стверджувати, що типи ґрунтів у поширенні не обов’язково точно відповідають межам живих угруповань чи фізичних явищ, наприклад зонам клімату. Дослідження І. Герасимова засвідчили, що суцільних кліматичних зон на Землі нема, вони поширені тільки окремими плямами, тобто утворюють макроклімати, на підставі яких виділяють ґрунтово-кліматичні фації. Зональна ж закономірність поширення ґрунтів є характерною для внутрішньоматерикових рівнин, зокрема, для Східноєвропейської рівнини. Важливу роль у географічному поширенні ґрунтів відіграють провінціальні (фаціальні) зміни клімату, спричинені головно місцевими термодинамічними атмосферними явищами, які ускладнюють широтну зональність і сприяють появі специфічних місцевих явищ аж до формування особливих типів ґрунтів та індивідуальних закономірностей їхнього географічного розміщення. Усі ґрунти мають здатність сприймати вплив чинників ґрунтоутворення і відображати цей вплив у своїх властивостях, тобто мають властивість рефлекторності. Наслідком рефлекторності ґрунтів є їхня здатність змінювати властивості в часі й просторі, виявляючи сенсорність. Спрямований характер цих змін за послідовної зміни чинників ґрунтоутворення зумовлює секвентність. У природі всі ґрунти рефлекторні та сенсорні до всіх комплексів чинників ґрунтоутворення. Найбільш поширеним явищем регіональності ґрунтового покриву є стріальність (смугастість), тобто наявність на певній території декількох смуг з однорідним ґрунтовим покривом. Залежно від того, який чинник спричиняє стріальність, розрізняють кліматостріальність, фітостріальність, топостріальність тощо.

 В залежності від особливостей клімату розрізняють: арктичний, субарктичний помірний, антарктичний, субантарктичний помірний, тропічний, субтропічний помірний, екваторіальний, субекваторіальний помірний пояси.

В Північній півкулі виділяють п'ять широтних ґрунтово-біокліматичних поясів: полярний, бореальний, суббореальняй, субтропічний і тропічний. Для кожного поясу характерні свої ряди типів ґрунтів, які не зустрічаються в інших поясах. Прояв закону горизонтальної зональності ускладнюється через місцеві особливості рельєфу, відмінності в темпах біологічного кругообігу елементів. Основа зональності – нерівномірне надходження сонячної енергії на різних широтах Землі через її кулястість і кругове обертання. З широтним розподілом тепла пов’язане також розподіл вологи, випадання опадів, а в зв’язку з цим розвиток зональних рослинних і ґрунтових спектрів.

Закон вертикальної зональності також відкрив В. В. Докучаєв, вивчаючи ґрунтовий покрив Кавказу.  Пізніше була встановлена деяка невідповідність між схемою вертикальної зональності грунтів і розміщенням окремих типів грунтів у різних гірських регіонах. С.С.Неуструєв зазначав, що невідповідність грунтових типів вертикальним зонам пов'язано з:

а) експозицією схилу;

б) інтерференцією (вклинюванням, випаданням) зон;

в) інверсією зон;

г) міграцією зон.

В гірських системах простежується послідовна зміна типів ґрунтів у міру наростання абсолютної висоти від підніжжя гір до їх вершин у зв'язку зі зміною клімату, рослинності та інших факторів ґрунтоутворення. Склад ґрунтових зон в гірських країнах в основному аналогічний складу зон на рівнині.  

Закон вертикальної грунтової зональності, або поясності, свідчить, що в гірських системах основні типи грунтів поширені у вигляді поясів, які послідовно змінюють один одного з наростанням абсолютної висоти від підніжжя гір до вершин у зв’язку зі зміною природних умов. Однак можливі і відхилення у зв’язку з положенням схилів щодо руху повітряних мас, експозицією схилів, температурними інверсіями.

Закон фаціальності ґрунтів обґрунтували Л.І. Просолов ї І.П. Герасимов. Суть його полягає в тому, що місцеві провінціальні (фаціальні) особливості клімату зумовлюють появу специфічних місцевих ознак ґрунтів і навіть формування інших типів. Така різноманітність зумовлена неоднаковою континентальністю клімату, неоднаковим сезонним розподілом опадів тощо. Закон аналогічних топографічних рядів (вчення про зональні ґрунтові комбінації) остаточно сформулювали при проведенні великомасштабних ґрунтово–картографічних досліджень для потреб землевпорядкування. Основи його було закладено в працях В.В. Докучаєва, М.М. Сибірцева, Г.М. Висоцького, С.О. Захарова, С. С. Неуструєва та інших вчених.

2. Неоднорідність ґрунтового покриву

Неоднорідність ґрунтового покриву – це явище закономірне і повсюдне, проявляється як у просторі, так і часі. Розподілення ґрунтів на території представляє собою складну мозаїчну картину. Клімат, рослинність, ґрунтоутворюючі породи і рельєф, а також зміна цих факторів у часі призводить до створення на певній ділянці багато варіантів поєднання грунтів із різними показниками родючості.

Однак природна неоднорідність ґрунтового покриву за показниками родючості ґрунтів часто перекривається неоднорідністю родючості ґрунтів, яка пов’язана з діяльністю людини. Багато таких агротехнологій, як внесення органічних і мінеральних добрив, оранка чи мілкий обробіток, терасування, особливості чергування сільськогосподарських культур (сівозміна) і навіть проведення меліорацій можуть впливати на неоднорідність хімічних і фізичних властивостей ґрунтів навіть у рамках однієї ділянки. Високий ступінь неоднорідності таких властивостей ґрунтів може існувати навіть у межах маленьких присадибних ділянок.

Різні культури по різному реагують на реакцію ґрунтового розчину, забезпечення поживними речовинами, неоднорідність вмісту вологи в ґрунті та інші показники. Наприклад, підвищена кислотність ґрунтів негативно впливає на врожайність культур і знижує ефективність використання багатьох мінеральних і органічних добрив.

Дослідник О.М. Лебединцев (1960) вказував, що неоднорідність родючості ґрунтів при посіві однієї культури не може слугувати гарантією неоднорідності для інших культур. Пов’язано це з реакцією рослин на різні фактори, які визначають їх ріст і розвиток. У підтвердження вчений наводить такий приклад: якщо частина земельної ділянки раніше була піддана оранці, а інша частина – мілкому обробітку, то на такій земельній ділянці овес буде давати стабільний і гарний урожай, оскільки він слабо реагує на глибину обробітку. Проте за вирощування буряків врожайність на таких ділянках буде істотно відрізнятися.

Просторова зміна агрохімічних показників ґрунтів обумовлена неоднорідністю морфогенетичних, тобто природних, властивостей ґрунтів і нерівномірністю внесення добрив або інших поліпшуючих матеріалів.

Вплив просторової зміни агрохімічних властивостей на врожайність буде, в значній мірі, визначатися рівнем окультурення ґрунтів. Чим нижчий рівень родючості ґрунтів, тим вища ефективність внесення добрив і ліпше буде проявлятися вплив неоднорідності агрохімічних показників на врожайність сільськогосподарських культур. За високого і дуже високого вмісту поживних речовин у ґрунті вплив строкатості ділянки за вмістом певного поживного елементу на зміну врожайності буде знижуватися.

          Отже, неоднорідність рослинного покриву тісно пов’язана з неоднорідністю складу і властивостей ґрунтів. Це стосується як природних ґрунтів, так і ґрунтів, які піддані господарській діяльності. Такі ґрунти можна назвати «агроземи». На природних ґрунтах це проявляється, насамперед, у видозміні видового складу рослин, а на агроземах – у зміні врожайності вирощуваних культур. Звичайно, щоб оцінити неоднорідність ґрунтового покриву, зокрема агрохімічних показників, і зміну врожайності сільськогосподарських культур у межах певної території потрібно проводити детальне агрохімічне обстеження.

Традиційні технології окультурювання ґрунтів передбачають створення в орному горизонті гомогенного (однорідного) шару, який складається з ґрунту, добрив, меліорантів тощо. Разом з цим практика землеробства свідчить, що досягти відповідної гомогенності без додаткових енергетичних витрат надзвичайно важко. Зауважимо про те, що ґрунти є складними екологічними об’єктами, яким притаманна природна просторова неоднорідність за трофним, кислотно-основним, газорегуляторним та іншими режимами. У кореневмісному шарі ґрунту така просторова неоднорідність проявляється майже в усіх різновидах антропогенно непорушених ґрунтів. Наприклад, у цілинних ґрунтах, за рахунок відмін у ґрунтовому покриві, різноманітності материнських порід та рельєфу чітко спостерігається просторова неоднорідність другого рівня або макронеоднорідність. Разом з цим, у цілинних ґрунтах спостерігається і мікронеоднорідність, особливо у верхній частині ґрунту, яка зумовлена диференціацією органічної речовини, бо саме тут знаходиться основна маса функціонуючих коренів. В антропогенно непорушених ґрунтах завдяки процесам гуміфікації і мінералізації кореневих решток утворюється просторова мозаїка з локальних зон та осередків, у яких спостерігається підвищена концентрація поживних макро- і мікроелементів порівняно з іншою частиною ґрунту.         

 У зв’язку з цим є необхідність вивчення ґрунтових процесів та окремих представників їх мікробної складової, що дозволяє прояснити функціональні зв’язки між окремими компонентами екосистем з метою досягнення рівноваги всередині екосистеми. Тобто цілинним ґрунтам притаманна природна неоднорідність за вмістом поживних речовин. Останнє є свідченням того, що певних

3. 3. Методи оцінювання неоднорідностей

Кількісне оцінювання просторової варіабельності ґрунтів та їх окремих властивостей пов’язано з багатьма теоретичними та прикладними питаннями ґрунтознавства, агрохімії та охорони ґрунтів: вивчення генезису ґрунтів та ґрунтоутворювальних процесів; картографування ґрунтів та визначення особливостей структури ґрунтового покриву; планування та оптимізація польових ґрунтових обстежень; встановлення часової динаміки змін ґрунтів у ході природної еволюції та під впливом діяльності людини; моніторинг стану ґрунтового покриву та земельних ресурсів країни; об’єктивне оцінювання та бонітування ґрунтів тощо. Детальний аналіз підходів та методів щодо вивчення закономірностей просторового варіювання властивостей ґрунтів показав, що за більш ніжсорокарічну історію розгляду проблеми багатьма дослідниками сформульовано основні теоретичні положення та розроблено загальновідомі методи визначення просторової неоднорідності ґрунтів, до яких відносять натурні, натурно-картометричні, картометричні, профільні та трансектні.

 Більшість з цих методів (наприклад натурні, профільні та трансектні) включає польове детальне обстеження ґрунтів у межах комплексних ґрунтово-геоморфологічних профілів або ділянок, що дозволяє визначити зміни властивостей ґрунтів у одному з напрямів (найчастіше вздовж схилів – за катенами), встановлення зв’язку ґрунтового покриву з рельєфом, рослинністю та гідрологічними умовами. При цьому необхідна ступінь детальності визначення просторової варіабельності ґрунтів досягається череззменшення (або звуження) кроку опробування та/або виконується шляхом закладки траншей. Зрозуміло, що основними недоліками цих методів є трудомісткість, виключно лінійний маршрут польового обстеження ґрунтів (що не дозволяє отримувати об’єктивну та дійсно просторову інформацію для визначення закономірностей варіювання), а також достатньо високий ступінь руйнівної дії на ґрунти. Картометричний та натурно-картометричний методи, які безумовно й досі переважають у практиці ґрунтознавства, засновано на кількісному обліку контурів ґрунтів іматематико-статистичнійобробці їх показників. Основним недоліком їх подальшого застосування для визначення просторової неоднорідностіґрунтів є використання в якості первинних даних картографічної інформації, яка здебільшого є застарілою та створюється іззастосуванням інтуїтивних методів, що базуються на досвіді укладача карти ґрунтів. Практичне використання таких методів не можна вважати припустимим при врахуванні новітніх змін у методології та технології картографування ґрунтів, методах проведення ґрунтових досліджень та за умов підвищення сучасних вимог до об’єктивності використаної під час досліджень інформації. З метою забезпечення сучасних вимог до точності (географічної та геометричної) і об’єктивності досліджень просторової варіабельності ґрунтів та їх окремих властивостей видається перспективним використання даних багатоспектрального космічного сканування, а саме знімків високої роздільної здатності, як первинної кількісної інформації про сучасний стан ґрунтів. На відміну від традиційних карт ґрунтів вони мають значну оглядовість, об’єктивно відображають характер земної поверхні та виконують її “природну генералізацію”. Водночас, космічні знімки є тим сучасним цифровим матеріалом, який завдяки своїй “різномасштабності” дозволяє проводити вивчення просторового розподілу ґрунтів на різних територіальних рівнях. Таким чином, актуальною є розробка та всебічне опрацювання алгоритму кількісного визначення просторової варіабельності ґрунтів та їх окремих властивостей під час дешифрування даних багатоспектрального космічного сканування з використанням геоінформаційних технологій.