Текст книги "Шагреневая кожа Земли: Биосфера-почва-человек"

Автор книги: Евгений Никитин

Соавторы: Эдуард Гирусов
сообщить о нарушении

Текущая страница: 7 (всего у книги 12 страниц)

Глава V. Извечные почвообразователи

Как известно, В.В. Докучаев выделял пять факторов почвообразования: почвообразующие породы, живые и отмершие организмы, климат, возраст страны и рельеф. В современном почвоведении добавляются еще антропогенный и другие факторы.

Рассмотрим вклад основных факторов в формирование почвенного профиля. Проблема эта для почвоведения давняя и в то же время вечно молодая, ибо до сих пор не утихает спор, какой фактор для почвы главнее и как вообще она меняется в зависимости от изменения окружающей среды. Еще несколько десятилетий назад ведущим назывался климат. Считалось, что он чуть ли не единственный определяет границы природных и почвенных зон. При этом полагалось, что каждой зоне соответствует свой единый зональный тип почвы, для которого предполагалась однотипность хозяйственного использования на всей территории его распространения.

Концепция зонального типа почв сыграла определенную положительную роль, но позднее претерпела существенную трансформацию. Первыми возмутителями спокойствия оказались почвоведы, изучавшие почвенный покров бескрайних просторов Сибири: Н.А. Ногина, К.А. Уфимцева, О.В. Макеев, Е.М. Наумов, Н.А. Караваева, И.М. Гаджиев, В.М. Корсунов и др. Они вскрыли принципиально большее разнообразие почвенного покрова лесной зоны и выделили в ней новые генетические типы почв. Почвоведам стало легче дышать, а работа пошла с большим интересом, энтузиазмом и с большей отдачей. Исчезла необходимость считать все почвы лесной зоны подзолистыми, в том числе те, в которых не было осветленного горизонта. Ведь раньше даже если специалист, выкопавший разрез на водоразделе в сибирском хвойном лесу, не обнаруживал под лесной подстилкой горизонта А ₂, он все равно был вынужден с неизбежной методичностью и обреченностью нарекать почву подзолистой. Того требовала классификация. Правда, если в профиле отсутствовал обособленный осветленный горизонт А ₂, а имелись лишь отдельные белесоватые пятна, то почву разрешалось относить к особой группе – слабоподзолистых. Ну а если даже и пятнышек осветления не обнаруживалось, то почва получала загадочное название «скрытоподзолистая».

Наряду с концепцией строгой зональности были и крайние суждения, в которых вообще отрицалась объективность существования природных и почвенных зон.

С течением времени острота дискуссии спала – зоны сохранились и на картах, и в научных трудах, но сильно обогатились новыми типами почв. Увеличилось и число учитываемых факторов почвообразования.

В результате родилась новая научная концепция – множественности зональных типов почв и факторов почвообразования. Некоторые положения данной концепции рассматриваются ниже.

Климат и почвы

Жаркий летний день накалил землю, обжег раскидистые кроны деревьев, упрятал в тень все живое. Природа, утомленная борьбой со зноем, ждала спасительного дождя, пребывая почти без движения. Но упали первые капли, прошел живительный ливень, и все вокруг ожило, наполнилось щебетанием птиц, хлопотливой работой муравьев и насекомых. Каждый из нас не раз был свидетелем подобного метаморфоза природы. А короткие сумрачные дни поздней осени и зима с ее вьюгами, трескучими морозами? Как они не похожи на весеннее или летнее погожее время. Сколько динамики, непрерывных перемен вносит в жизнь природы и почв климат Земли! Поэтому уже на заре возникновения почвенной науки уделялось большое внимание влиянию климата на почвы.

Еще в классических работах В.В. Докучаева климат рассматривался как один из важнейших факторов пространственной и временной динамики почв, которая объяснялась сильной изменчивостью климата и постоянным взаимодействием почв с его основными компонентами – теплом и влагой.

Изменчивость климата вызвана несколькими причинами. Главная из них – шарообразность поверхности нашей планеты, в связи с чем солнечные лучи падают на нее в различных широтах под разным углом, принося с собой неодинаковое количество тепла. В результате с севера на юг отчетливо выделяется несколько различных климатических поясов. Соответственно климатическим поясам (в первую очередь в пределах равнинных территорий) обособляются природные зоны, характеризующиеся особой растительностью, животным миром, почвами, грунтовыми водами.

Характер изменения почв по зонам удобнее всего проследить на примере Русской равнины, которая раскинулась от берегов Северного Ледовитого океана до теплого Черного моря.

В наиболее северных районах Русской равнины господствуют в основном тундровые ландшафты. Солнечные лучи здесь как бы скользят вдоль земной поверхности, слабо согревая охлажденную землю. Растительность и постоянно обитающие в тундре животные малочисленны и бедны по видовому составу. Почвы не обеспечены элементами питания, так как почвообразовательный процесс малоактивен и незначительно преобразует исходный материнский субстрат.

При недостатке солнечной энергии выветривание горных пород идет слабо, в связи с чем в почвах, как правило, мало содержится тонкодисперсного материала, обеспечивающего поглощение и сохранение в доступной для растений форме элементов питания. Поэтому многие растения испытывают голодание, что, в свою очередь, приводит к нарушению нормального обмена веществ у травоядных животных, питающихся неполноценной пищей.

Бедность тундровых почв вызвана не только малой активностью почвообразовательного процесса. Другая причина заключается в частой переувлажненности почвенно-грунтовой толщи из-за незначительного испарения выпадающих осадков, что опять-таки связано с недостатком тепла. В результате многие почвы тундры перенасыщены водой, холодные. В таких почвах очень медленно идут процессы передвижения растворов и извлечения из минералов различных химических элементов, за исключением железа, марганца и некоторых других.

Своеобразие почв тундры, конечно, не объясняется только названными причинами. Не менее важное значение имеет и история развития тундры. Тундра – одна из наиболее молодых природных зон на Земле. Долгое время поверхность здесь была покрыта мощным ледяным чехлом, который растаял лишь около 10 тыс. лет назад, т. е. совсем недавно по геологической шкале времени. Поэтому рельеф тундры очень молодой, реки мало углубили свое русло и плохо дренируют окружающую местность, что способствует ее заболачиванию и переувлажнению. К аналогичным последствиям приводит и наличие в большей части тундры горизонта вечной мерзлоты, которая, по мнению некоторых исследователей, сохранилась еще со времени последнего оледенения.

Совершая путешествие к югу от суровых, но неповторимых по своеобразию и красоте тундровых ландшафтов, мы постепенно вступаем в царство тайги, которая некогда была дремучей и непроходимой.

Количество осадков в тайге по сравнению с тундрой значительно увеличивается, достигая на юго-западе 600–700 мм в год, но одновременно снижается заболоченность территории, так как благодаря большому количеству тепла испарение выпавших осадков заметно возрастает. И кроме того, большая по сравнению с тундрой зрелость и пересеченность рельефа благоприятствуют стоку избыточных вод в ручьи, озера и реки. Улучшение природных условий, и в первую очередь климатической обстановки, приводит к ярко выраженному преобразованию ландшафта, резкому возрастанию биомассы растительных сообществ, значительному увеличению видов растений и животных, отчетливому усилению почвообразовательного процесса.

Почвы тайги имеют хорошо развитый профиль. В наиболее типичных из них выделяются: хорошо выраженный горизонт лесной подстилки мощностью около 5 см, белесый подзолистый горизонт мощностью 10–20 см, переходный горизонт, серия бурых горизонтов с хорошо выраженной структурой, постепенно переходящих на глубине около 2–3 м в материнскую породу.

Плодородие подзолистых почв, так же как и тундровых, невелико, но причины здесь существенно иные. Значительная напряженность почвообразовательного процесса в тайге в силу более благоприятных биоклиматических условий способствовала сильному преобразованию материнского субстрата, разрушению и изменению минералов, вовлечению огромного количества растворенных химических соединений в биологический круговорот, выносу органического вещества, химических элементов и тонкодисперсного глинистого вещества за пределы почвенного профиля. Поэтому для увеличения плодородия распаханных подзолистых почв тайги требуются внесение органических удобрений, травосеяние и строгое соблюдение правил передовой агротехники. Предстоит еще большая работа по окультуриванию таежных почв, сельскохозяйственное использование которых во многих районах недостаточно эффективно.

Еще сравнительно недавно тайга считалась однообразным зеленым морем, раскинувшимся на огромном пространстве. Современное природоведение уже не может согласиться с подобным суждением. Тайга, подразделяемая на северную, среднюю и южную, сейчас рисуется нам как сильно изменчивый во времени и в пространстве природный феномен.

Разница между почвами различных частей тайги значительна, и агрономическая ценность ее пахотных земель далеко не одинакова. Об этом, в частности, свидетельствует сельскохозяйственное использование перегнойно-торфяных почв, развитых на низинных торфах в средней тайге Русской равнины. Низинные торфа богаты запасами питательных элементов. Однако при освоении их в районе средней тайги под Сыктывкаром оказалось, что они быстро утрачивают эффективное плодородие и начинают нуждаться в удобрениях. Одна из основных причин этого заключается в недостаточной обеспеченности средней тайги теплом, в связи с чем разложение торфа и поступление из него в растения элементов питания происходят медленными темпами.

При дальнейшем движении на юг подзолистые почвы таежных и хвойно-широколиственных лесов постепенно сменяются почвами лесостепи – серыми лесными и оподзоленными, выщелоченными, а также типичными черноземами.

Лесостепь и ее почвы во многих отношениях уникальны. Почвы лесостепи относятся к наиболее плодородным. На них получают при соблюдении требований рациональной агротехники высокие урожаи зерновых, сахарной свеклы, кукурузы, подсолнечника. Высокое плодородие почв в первую очередь объясняется благоприятными климатическими условиями данной зоны, ее обеспеченностью как теплом, так и влагой. Значительное количество солнечной энергии способствует энергичной минерализации растительного опада и быстрому высвобождению из отмерших корней, листьев и других органических остатков зольных элементов, которые быстро вовлекаются в биологический круговорот. Большую роль играет также сбалансированность водного режима этих почв благодаря отсутствию резкого преобладания осадков над испарением и незначительному оттоку растворов за пределы почвенного профиля. В силу этого в почвах лесостепи в отличие от подзолистых таежных почв потеря элементов питания с нисходящим током влаги незначительна.

Как и в случае тундровых и таежных почв, своеобразие почв лесостепной зоны определяется не только спецификой климатических условий. Многие особенности почв лесостепи связаны со своеобразием структуры былых естественных растительных сообществ, которые здесь отличались многочисленностью видов и сложностью состава. Благодаря имевшему место повсеместному распространению трав, для которых характерно, как правило, преобладание подземной биомассы над наземной и быстрое отмирание вегетативных органов, в почвы лесостепи постоянно поступало огромное количество органических остатков, что, несомненно, явилось одной из причин накопления в них большого количества гумуса и элементов минерального питания.

Высокое плодородие почв лесостепной зоны Русской равнины определяется также богатым составом материнских пород, представленных здесь, как правило, лёссовидными отложениями.

В степной зоне, непосредственно прилегающей с юга к лесостепи, лето еще теплее, зима короче, а снег на полях лежит недолго, прикрывая землю маломощным непостоянным слоем. Степные ландшафты получают во время вегетационного периода больше тепла. Но одновременно в них значительно снижается число дождливых дней и снегопадов, в результате чего оптимальное соотношение тепла и влаги, имевшее место в лесостепи, нарушается. Почвы и растительность начинают испытывать недостаток в воде. И хотя черноземы обыкновенные, а также темно-каштановые и каштановые почвы обладают значительным плодородием, приемы сохранения влаги являются необходимым условием получения на них высоких устойчивых урожаев. Очень важно также в степи сохранение от развевания ветром снежного покрова на полях и соблюдение правил почвозащитной системы земледелия, предохраняющей почву от эрозии, потери влаги и элементов питания.

Полупустыни и пустыни, сменяющие степи, являют собой пример скудных пространств, обожженных палящим солнцем. Здесь не только бедная растительность, но и малопродуктивные почвы, на которых в естественных условиях земледелие почти невозможно. Но как преображается пустыня, если умело наполнить ее влагой! Какое разнообразие фруктов, овощей, зерновых и технических культур выращивают на правильно орошаемых землях засушливых районов! Поэтому пустынная зона рассматривается как важный резерв для производства сельскохозяйственной продукции.

При дальнейшем движении к югу мы постепенно переходим от умеренного пояса к субтропическому, а затем к тропическому. Ландшафты и почвы данных поясов в гораздо большей степени обеспечены теплом, что в случае достаточного количества осадков делает эти пространства благодатным краем. Не случайно истоки земной цивилизации были приурочены прежде всего к субтропикам, откуда она постепенно распространялась на север.

Даже краткое знакомство с тем, как влияют климатические условия на своеобразие почвенного покрова различных природных зон, свидетельствует о тесной зависимости свойств почв от особенностей климата. Поэтому большое значение приобретает всестороннее изучение динамики климата и его влияния на различные стороны почвообразовательного процесса.

Разнообразие климата на Земле не ограничивается только его изменением с севера на юг. Не менее значительно меняется климат с запада на восток, что приводит к отчетливой смене в этом направлении почв, растительности и других компонентов ландшафта.

Пространственная изменчивость почвенного покрова обусловлена не только крупными изменениями климата. Большое значение имеет также неоднородность климатических условий на более ограниченных территориях: в долинах рек, на водораздельных пространствах, в различных частях одного и того же ландшафта.

Климат Земли характеризуется сильной изменчивостью и во времени. Лишь в районах Северного и Южного полюсов, где круглый год свирепствуют морозы, да в экваториальных широтах, где не прекращается лето на протяжении большей части года, более или менее одинаковая погода. На всей же остальной территории планеты происходят непрерывные сезонные изменения климата, постоянно преобразующие лик Земли. Почвы чутко реагируют на эти изменения и в течение года испытывают непрерывные метаморфозы.

В холодный период в большей части почв умеренного пояса почвообразовательный процесс затухает. Но если раньше считалось, что почва в морозные месяцы находится в состоянии полного покоя, то сейчас мнение изменилось. Получены данные, говорящие о том, что и при отрицательных температурах в почвах происходят изменения: подтягиваются из нижних незамерзших горизонтов растворы к верхней обледенелой части, передвигается почвенная влага в парообразном состоянии. В районах лютого холода – в тундре, сибирской тайге – часто наблюдаются пучения и деформации почв из-за сдавливания их ледяным чехлом замерзших горизонтов. Особенно заметна активность почв в зимний период там, где зима мягкая. В этих условиях почвообразовательный процесс может быть достаточно напряженным в течение круглого года. Яркий пример тому районы влажных широколиственных лесов умеренного пояса и субтропиков.

Много неожиданного в жизнь почв вносит изменчивость климата по годам. Даже простое наблюдение за состоянием погоды в какой-нибудь одной местности, но в разные годы говорит о том, что двух одинаковых лет практически не бывает. Более детальные исследования свидетельствуют о постоянной ритмической изменчивости климата и об отчетливом проявлении 2–3, 5–6, 11, 22, 30–35, 89-90-летних и других климатических циклов. С каждым климатическим циклом происходят значительные сдвиги в почвообразовательном процессе, заметно меняются многие свойства почв.

Нет почвы без живого

Взаимодействие почв и живых организмов – основной стержень почвообразовательного процесса, один из главных факторов развития биосферы и эволюции жизни на Земле. Посмотрим, как же влияют на почву обитающие в ней микроскопические и видимые глазом существа.

Микробное население почв давно признано мощной фабрикой по переработке поступающих в почву органических остатков и значительному изменению ее минеральной части.

Всем хорошо знакома великолепная картина осеннего листопада, покрывающего землю разноцветным ковром отжившей свой недолгий век листвы. Но что стало бы с лесами, полями и лугами, если бы весь образующийся из года в год растительный опад только накапливался, не претерпевая изменений? В этом случае поверхность Земли за короткое время оказалась бы забитой отходами жизнедеятельности организмов, и жизнь на планете в конце концов оказалась бы невозможной. Подвергая разрушению и минерализации поступающие в почву и на ее поверхность органические остатки, микроорганизмы тем самым предохраняют ландшафты от самозагрязнения и гибели.

Но этим не ограничивается работа маленьких санитаров. В ходе разрушительной деятельности микроорганизмы выступают и как строители, как поставщики ценнейшего материала, пригодного для питания многих видов живых существ. Этот материал образуется за счет разложения растительного опада под действием выделяемых микроорганизмами продуктов жизнедеятельности. В процессе этого разложения из органических остатков высвобождается или синтезируется заново ряд соединений, пригодных для построения тканей молодых, развивающихся организмов. Это аминокислоты, углеводы, различные соли и другие соединения.

Благодаря разносторонней и напряженной деятельности микроорганизмов оказывается возможным многократное участие в биологическом круговороте одних и тех же химических элементов. Многие биологи и почвоведы считают, что многократное повторное участие химических элементов в биологическом круговороте является одним из условий сохранения жизни на Земле, так как запасы доступных минеральных элементов, необходимых для осуществления функций жизни на нашей планете, небесконечны. И если бы химические элементы только потреблялись и не возвращались вновь в биологический круговорот, жизнь в конце концов могла бы прекратиться.

Существенное значение для почвообразовательного процесса имеет деятельность микроорганизмов, ее исключительный динамизм во времени и в пространстве. Особенно велики сезонные колебания активности микроорганизмов. Например, в средней полосе микроорганизмы претерпевают метаморфозы от почти полного бездействия в течение холодного времени года до чрезвычайно бурной жизни в погожие весенние дни, когда почва хорошо прогрета солнечными лучами, но еще не утратила влаги, накопившейся в ней за осень и зиму. В летнее время микроорганизмы живут непостоянно и пребывают в состоянии почти полного покоя в засушливые дни или же развивают бурную деятельность в дождливый период. Осенью во многих почвах умеренного пояса микроорганизмы бывают особенно активны. На первый взгляд это может показаться несколько странным. Но многое становится понятным, если принять во внимание, что в осеннее время почвы обогащаются свежим растительным опадом, влагой обильных дождей и еще сохраняют тепло, накопленное за лето.

Многообразны и пространственные изменения в почвенном микромире. Уже в пределах профиля одной какой-нибудь почвы мы сталкиваемся с непостоянством в расселении микроорганизмов по генетическим горизонтам. Максимум бактерий, грибов, актиномицетов приурочен к верхнему гумусовому слою и подстилке. С глубиной происходит резкое уменьшение численности микробов. Однако в некоторых микрозонах почвы, приуроченных главным образом к ходам корней, содержание микроорганизмов может быть высоким и в нижних горизонтах. Так, в выщелоченном черноземе на глубине 2,5 м было обнаружено в среднем 34 тыс. микроорганизмов, а по ходу корней деревьев на той же глубине насчитывалось более 2 млн микроорганизмов на 1 г почвы, т. е. в 60 раз больше.

Неравномерность расселения микрофлоры в пределах почвенного профиля обусловливает большую пестроту многих биохимических свойств почв и процессов, происходящих в них.

Перейдем к вопросу о связях почв с высшей растительностью, которые отличаются сложностью, разнообразием, наличием многих загадок и тайн; познание их интересно любому естествоиспытателю. Подавляющая часть растений произрастает там, где есть почвы. В своей эволюции и в расселении по Земле мир растений оказался неразрывно связанным с миром почв. Эта связь всегда была двусторонней, ибо почва и растительность непрерывно воздействуют друг на друга. Влияние растительности на почвы многопланово и зависит от ряда особенностей зеленого царства.

Одной из основных особенностей биомассы растений является ее постоянное обновление, в результате чего в почву и на ее поверхность ежегодно поступает большое количество разнообразного растительного опада. В ходе его преобразования в почве образуются биохимически активные соединения, некоторые минералы и, конечно, гумусовые кислоты – один из главных агентов почвообразовательного процесса.

Высшие растения оказывают также большое влияние на почву через свою корневую систему. Хорошо известна роль корней в формировании структуры почвы. Во многом благодаря разрыхляющей и структурообразующей деятельности корневых систем почва приобретает способность впитывать и запасать атмосферные осадки, а также экономно расходовать их на испарение. Большой положительный эффект от механического разрыхления почвы корнями связан с сильной разветвленностью корневых систем многих растений, с наличием у них многочисленных тонких корневых волосков. Например, у травянистых растений общая длина корней может достигать поразительных размеров: при сплошном покрове она составляет около 1 км, а при одиночном стоянии – до 70–80 км на растение. Высшая растительность задерживает на своей поверхности атмосферные осадки. Значительная часть этих осадков испаряется, не достигая почвы: другая часть поступает в почву, претерпев определенные изменения состава.

Растительный покров поглощает также большое количество солнечного излучения, поступающего на поверхность Земли. Особенно много поглощают тепла и влаги лесные массивы. Это обстоятельство служило основанием для критических высказываний по поводу благотворного влияния лесов на ландшафт. Однако в настоящее время преобладают сведения, говорящие о том, что лес в большинстве случаев положительно влияет на различные компоненты ландшафта. Лесные массивы уменьшают переохлаждение и перегрев воздушной оболочки, увеличивают внутренний влагооборот ландшафтов, регулируют сток талых вод, препятствуют развитию ветровой и водной эрозии. Установлено также положительное влияние многих видов древесных пород на свойства почв.

Большое значение имеют процессы взаимодействия почв и обитающих в них животных. Особенно велика почвообразующая роль беспозвоночных животных. Среди различных форм воздействия беспозвоночных на почву следует прежде всего назвать их разрыхляющую и структурообразующую деятельность. В процессе передвижения беспозвоночные, особенно дождевые черви, перемешивают огромное количество мелкозема. Так, дождевые черви могут переработать до 50-380 т/га почвы ежегодно. Муравьи способны на протяжении 8-10 лет перемешать весь почвенный слой, в котором они живут. Разрыхляющая деятельность беспозвоночных приводит к тому, что почва приобретает высокую порозность, благоприятствующую впитыванию атмосферных осадков и поступлению достаточного количества кислорода. Велика роль беспозвоночных в создании водопрочных агрономически ценных агрегатов. Питаясь растительным опадом, они обязательно заглатывают какое-то количество почвенных частиц, которые можно обнаружить в кишечнике ногохвосток, кивсяков, дождевых червей и других представителей почвенной фауны. При выбрасывании наружу почвенный мелкозем, перемешанный с переработанными растительными остатками и выделениями кишечника, приобретает агрегированность и повышенную устойчивость к разрушению. Количество экскрементов, содержащих почвенные частицы, может быть значительным. Например, у кивсяков в условиях лесных полос степной зоны оно достигает примерно 700 кг/га за один вегетационный период.

Заметное влияние оказывают беспозвоночные животные на физикохимические и химические свойства почв. Выделяемые ими экскременты не только оструктуривают почвенные частицы, но и заметно обогащают почву рыхлосвязанными гуматами, подвижными формами азота, фосфора, калия. Беспозвоночные животные могут также изменять реакцию почвы. Такая способность отмечена у муравьев, которые нейтрализуют кислую реакцию почв.

В отличие от беспозвоночных роль позвоночных животных в почвообразовании менее значительна. Но и она ощутима. Так, землерои в некоторых случаях могут выталкивать в верхние почвенные горизонты с глубины 10-200 см мелкозем, в котором железа, алюминия, кальция и других элементов содержится больше, чем их поступает с опадом растений. Кроты в лесу с дерново-подзолистыми почвами на некоторых участках ежегодно выносят с глубины 10–40 см на поверхность до 19 т/га мелкозема, малые суслики в глинистой пустыне с глубины 40-200 см выносят до 1,5 т/га мелкозема.

Итак, влияние живых организмов на жизнь почв многообразное, глубокое и постоянно действующее.