Биокосные системы Земли

Почва как биокосная система

Биологические явления в почвах всегда привлекали внимание исследователей: развивалась почвенная микробиология, изучались почвенная флора и фауна (например, черви, грызуны). Однако первые десятилетия развития докучаевского почвоведения были отмечены, как мы убедились, преимущественно вниманием к проблемам географии и химии почв. Несколько особняком в эти годы стоял Б. Р. Вильямс (1863—1939), который главное внимание уделял именно биологическим аспектам почвообразования; применял он и системный подход. Для творчества Вильямса были характерны крупные обобщения; ученый полагал, что сущность почвообразования заключается в создании и разрушении органического вещества.

В построениях Вильямса имелись и ошибочные положения. Сейчас эти вопросы уже решены временем, в связи с чем возникла возможность в исторической перспективе объективно оценить вклад В. Р. Вильямса в науку и практику. Отвергая слабые стороны в творчестве ученого, его неправильные рекомендации, следует отдать должное его научным достижениям. Вдумчивый исследователь в трудах Вильямса еще долго будет находить пищу для размышлений и движения вперед.

В дальнейшем с внедрением в почвоведение геохимических идей Вернадского изучение почв как биокосных систем приобрело значительное распространение. Важную роль здесь играли труды Б. Б. Полынова и его школы, И. В. Тюрина, Н. П. Ремезова. М. М. Кононовой и многих других почвоведов. Попробуем рассмотреть эту проблему с современных геохимических позиций.

Несомненно, важнейшая особенность почв связана с работой живого вещества, преимущественно микроорганизмов, разлагающих органические остатки. Миллионы и миллиарды микроорганизмов обнаружены в каждом грамме почвы; они пронизывают все вещество почвы, находятся в почвенных растворах самых тонких капилляров.

В ходе разложения органических веществ освобождается энергия, аккумулированная при фотосинтезе, причем не только в тепловой, но и в химической работоспособной форме. Именно в этих процессах автор усматривает сущность почвообразования, полагая, что вторая составляющая, намеченная Вильямсом, — образование органического вещества — имеет хотя и важное, но все же подчиненное значение.

Разлагая остатки растений и животных, микроорганизмы изменяют состав почвенного раствора и воздуха, обогащая последний CO₂, СН₄, NH₃ и другими газами. Почвенные растворы, насыщаясь CO₂, органическими кислотами и другими соединениями, становятся химически высокоактивными, они разлагают минералы, выполняют большую работу по их выветриванию.

Поэтому, чем быстрее в почве разлагается органическое вещество, тем богаче она химически работоспособной энергией тем дальше она от равновесия. Почвы — неравновесные, чрезвычайно динамичные биокосные системы, богатые свободной энергией. С этим связаны дифференциация вещества в почвенном профиле, его неоднородность, и в частности расчленение по вертикали на горизонты и подгоризонты — А₀, A₁, А₂, В₁, В₂, В₃ и т. д. (рис. 3). В некоторых почвах на расстоянии 0,5 м по вертикали резко меняются физико-химические условия и, например, кислая среда в поверхностном горизонте может смениться щелочной на глубине 20 см.

Таким образом, однородная, однообразная материнская горная порода в результате почвообразования превращается в чрезвычайно неоднородное тело. Но разнообразие — это информационная характеристика, так как с самых общих позиций понятие «информация» близко к понятию разнообразия. Поэтому почвообразование характеризуется не только накоплением энергии, но и накоплением информации, это процесс эндоэнергетический и антиэнтропийный (негэнтропийный). Почва — система, богатая информацией!

Рис. 3. Профиль солонца (по М. А. Глазовской, 1972). Для этих почв особенно характерны резкая дифференциация вещества, образование профиля, включающего в себя много генетических горизонтов.

Генетические горизонты: 1 — надсолонцовый гумусово-элювиальный; 2 — иллювиальный солонцовый; 3 — иллювиальный карбонатный; 4 — иллювиальный гипсовый, 5 — иллювиальный солевой; 6 — почвообразующая порода (карбонатная, гипсоносная, засоленная). На небольшом расстоянии по вертикали (не более 0,5 м) меняются щелочно-кислотные условия

Но каков «механизм» этого разнообразия, почему образуются горизонты, перераспределяются химические элементы по профилю? Здесь большое значение приобретает второй процесс, отмеченный Вильямсом, — образование органического вещества. Хорошо известно, что растения избирательно поглощают многие элементы, концентрируют их не в тех соотношениях, в которых они находятся в горных породах и почвах. Если в последних преобладают кремний, алюминий и железо (в среднем в земной коре их около 40%), то в растениях значительно больше калия, кальция, фосфора и серы. Поэтому корни растений, как своеобразный насос, перекачивают наиболее необходимые им химические элементы из нижних горизонтов почвы в верхние, куда они поступают после смерти организмов и разложения их остатков. Особенно это относится к таким важным для жизни элементам, как фосфор, сера, кальций, калий, а также ко многим микроэлементам. В результате создается возможность обогащения ими верхних горизонтов почв (биогенная аккумуляция), улучшения среды существования растений.

Наряду с такой биогенной миграцией химических элементов снизу вверх в почвах наблюдается и физико-химическая миграция элементов в водных растворах. Атмосферные осадки, просачиваясь в почвы водоразделов, выщелачивают из них подвижные элементы, и поэтому реальное распределение химических элементов по почвенному профилю определяется взаимно противоположными процессами — биогенной аккумуляцией, направленной снизу вверх, и выщелачиванием, направленным сверху вниз. Еще сложнее распределение элементов в почвах склонов, низин, где наблюдаются боковой сток вод, капиллярное поднятие растворов из грунтовых вод (рис. 4).

Окислительно-восстановительные процессы и ряды почв. В химическом отношении разложение органических веществ — это процесс окислительно-восстановительный, так как углерод, водород и другие элементы, входящие в состав органических соединений, при этом окисляются до простых минеральных соединений — CO₂, H₂O, солей фосфорной, серной и других кислот. Главный окислитель — свободный кислород — при этом восстанавливается[6]. Окислителями и восстановителями могут быть и другие элементы, например железо, но основной вывод от этого не изменится: сущность почвообразования с химических позиций заключается в окислительно-восстановительных реакциях. Отсюда нетрудно предположить, что и главные различия между почвами связаны именно с их окислительно-восстановительными условиями.

Рис. 4. Схема взаимно противоположных процессов — биогенной аккумуляции (1) и выщелачивания (2) в почвах разных ландшафтов.

Соотношение биогенной аккумуляции и выщелачивания определяет строение профиля важнейших типов почв. Ширина стрелок характеризует относительную интенсивность процессов, длина — сравнительную глубину проникновения процесса

Для большинства почв характерно присутствие в почвенном воздухе и почвенном растворе свободного кислорода — очень энергичного окислителя, который поступает в почву из атмосферы. Поэтому в таких почвах многие химические элементы находятся в окисленном состоянии, т. е. характеризуются более высокой валентностью. Например, железо в почве может быть трехвалентным (окисленным) и двухвалентным (восстановленным). Минералы трехвалентного железа — гематит, гетит и другие — имеют желтую, красную, коричневую, бурую окраску и легко узнаются при наблюдении почв в природе. Правда, окраска нередко маскируется черным цветом почвенного гумуса, но ниже гумусового горизонта она обычно выражена отчетливо. Если в почвенном воздухе и почвенном растворе много свободного кислорода, то железо преимущественно находится в трехвалентной форме, почвы окрашены в теплые тона.

Такую обстановку, когда в системе есть свободный кислород и яркие минералы трехвалентного железа, в геохимии принято называть окислительной. Конечно, это несколько условный термин, так как одновременно с окислением в почвах происходит, как мы убедились, и восстановление кислорода, однако при наименовании обстановки учитывались именно процессы окисления многих элементов свободным кислородом.

Где же образуются почвы с преобладанием окислительной среды? Очевидно, там, где атмосферный воздух легко проникает в почву, где глубоко залегают грунтовые воды. Это, например, почвы на склонах гор, многие почвы плоских водоразделов и склонов на равнинах. К ним относятся такие распространенные а хорошо изученные почвы, как черноземы, красноземы, каштановые почвы, буроземы, большинство почв пустынь и т. д.

Для обозначения подобных почв были предложены термины: «сухопутно-растительные», «автоморфные», «элювиальные» почвы и т. д. Все это крупные единицы почвенных классификаций. Конечно, у равных авторов имелись и расхождения в классификации почв, но все же большинство почвоведов рассматривает почвы водоразделов и склонов с глубоким залеганием грунтовых вод как некую общность.

В чем же состоит эта общность? Что объединяет, например, столь различные почвы, как красноземы влажных субтропиков и бурые почвы пустынь? Эту общность автор видит в преобладании в таких почвах окислительных условий и предлагает выделять их в первый ряд почв с преобладанием окислительной среды.

Однако местами окислительная среда в почвах отсутствует. Это происходит, например, в понижениях рельефа, где близко к поверхности подходят грунтовые или накапливаются поверхностные воды. Почва здесь состоит из двух фаз — твердой и жидкой, все поры в ней заполнены водой, воздух отсутствует, и, следовательно, свободный кислород может быть только в почвенном растворе. Этого количества обычно не хватает для окисления растительных остатков, и скоро свободный кислород исчезает из почвы. Микробиологическое разложение органических веществ при этом не прекращается, оно только замедляется. Длительная эволюция выработала такие формы микроорганизмов, которые способны окислять органические вещества при отсутствии свободного кислорода. Это анаэробные бактерии, которые отнимают кислород у минеральных соединений и с его помощью окисляют органические вещества. Так, если в почвах имеются соединения трехвалентного железа, то оно служит окислителем и восстанавливается до двухвалентного состояния, а углерод органических веществ при этом окисляется.

Соединения двухвалентного железа имеют зеленую, сизую, синеватую, серую окраску, и поэтому почвы (горизонты), где протекают подобные процессы, приобретают зеленоватый или сизый цвет. Украинские крестьяне давно уже заметили, что почвы болот, глина со дна озер имеют такую окраску. Подобный грунт на Украине именуют глеем. Известный почвовед и лесовод, ученик Докучаева, впоследствии академик украинской Академии наук, Г. Н. Высоцкий использовал в 1905 г. термин «глей» для обозначения восстановительной обстановки в почвах, характеризующейся отсутствием свободного кислорода и миграцией двухвалентного железа. После работ Высоцкого почвоведы стали говорить о глеевой обстановке, глеевых горизонтах, глеевых почвах.

Автору много раз приходилось иметь дело с глеем и глеевой обстановкой. Как это часто бывает, особенно запоминаются первые наблюдения. И хотя прошло уже 40 лет, отлично запомнился тот ясный, жаркий летний день. В широкой болотистой долине реки Ромен Черниговской области я вырыл глубокий шурф в средней, «наиболее типичной» (как нас учили) части мохового болота. Под слоем рыхлого торфа залегала синеватая глина, настоящий глей — и по учебнику Глинки, и по мнению местного колхозника. Скоро отвалы сизого глея уже возвышались по краям шурфа, и я приступил к описанию разреза, брал образцы и пробы вод. Когда я обратил внимание на отвалы, то обнаружил, что они стали пестрыми, так как покрылись ржавыми пятнами. Это, несомненно, были свежеосажденные (еще час тому назад они отсутствовали!) гидроокислы трех валентного железа. Очевидно, в сизой глине под торфяным горизонтом развивалась восстановительная среда и железо находилось в растворимой двухвалентной форме (Fe²⁺). Когда глей извлекли на поверхность, он подвергся воздействию кислорода воздуха. В результате начались быстрые окислительные реакции, двухвалентное железо окислилось, и сизая глина стала пестрой. Так, буквально на глазах, совершилась природная химическая реакция, следы которой потом приходилось наблюдать и в пустынях Средней Азии, и в далекой Монголии, и в Подмосковье и на Кавказе. Итак, если в горных породах или почвах встречается пестрая окраска (охристые пятна чередуются с сизыми, зелеными, синеватыми), значит, здесь раньше господствовала глеевая обстановка: не было свободного кислорода, железо находилось в подвижной двухвалентной форме.

Но где же распространены почвы с глеевой средой, насколько типично это явление? Оказывается, в некоторых областях земного шара глеевые процессы наблюдаются на протяжении сотен и даже тысяч километров. Это, прежде всего, заболоченные низменности в районах влажного климата, как, например, великая Западно-Сибирская низменность с ее тундрами, заболоченной тайгой, березовой лесостепью. Это также и заболоченные низменности Амазонии в Южной Америке, и болота подмосковной Мещеры, белорусского Полесья и многие другие районы. Только в горах, степях и пустынях, где болот мало, оглеение встречается реже. Однако в мерзлотной горной тайге Восточной Сибири оглеение не так уж редко. Все это позволяет по особенностям окислительно-восстановительных условий выделить второй ряд почв — с восстановительной глеевой обстановкой.

В глеевых почвах часто содержится растворенное органическое вещество, в том числе различные органические кислоты, которые образуются при неполном окислении растительных остатков. Эти кислоты дают легкорастворимые соединения со многими металлами — железом, марганцем, медью, никелем, кобальтом, цинком, свинцом и т. д. Поэтому глеевая обстановка — это обстановка энергичной миграции многих металлов.

Однако не всегда при заболачивании и отсутствии кислорода в почве образуется глей. Впервые с этим автору пришлось столкнуться в Средней Азии, при изучении болотистого участка на берегу соленого озера в пустыне. Мокрая почва в зарослях тростника имела темный цвет, однако привычного глея не было — при копании шурфа обнаружился черный горизонт, по внешнему виду напоминающий сапожный крем. Сильный запах тухлых яиц говорил о том, что в почве есть сероводород (H₂S). Образование сероводорода в таких почвах было обнаружено давно; микробиологи объяснили его происхождение.

Сильно минерализованные воды соленых болот и солончаков, как правило, богаты сульфатами, т. е. содержат много иона SO₄^2-. В этих условиях в почвах развиваются особые бактерии, способные отнимать кислород у сульфатов и окислять с его помощью органические вещества. Такие бактерии получили наименование сульфатвосстанавливающих (десульфуризирующих), а сам процесс -десульфуризации. Примерная схема процесса следующая:

C₆H₁₂O₆ + 3Na₂SO₄ → 3CO₂ + 3Na₂CO₃ + 3H₂S + 3H₂O + Q кал.

Как видим, органический углерод окислился до CO₂, а сера восстановилась и вместо сульфат-иона, где сера шестивалентна, образовался сероводород, в котором сера двухвалентна. В такой обстановке трехвалентное железо тоже легко восстанавливается до двухвалентного, однако сизого глея не возникает, так как, соединяясь с сероводородом, железо дает нерастворимый, черный, мажущийся колоидный минерал гидротроилит — FeS·nH₂O. Этот минерал и придает горизонту черную окраску.

Теперь нам понятно, почему в солончаковом болоте нет глея — этому помешал сероводород, осадивший железо. Но почему же тогда гидротроилитовый горизонт не образуется в болотах севера и других районах влажного климата, почему там развивается глей? И на этот вопрос ответить совсем нетрудно. В районах влажного климата воды пресные, маломинерализованные, в них мало сульфатов, т. е. нет источников кислорода для сульфат-редуцирующих бактерий. Если даже они восстановят то небольшое количество сульфатов, которое имеется в болотной воде, то сероводорода образуется очень мало и он свяжет мало атомов двухвалентного железа. Большая часть железа будет в подвижной двухвалентной форме, и возникнет глей.

Сероводород осаждает не только железо, но и другие металлы, давая нерастворимые минералы — сульфиды. Так, с цинком он образует нерастворимый сфалерит (ZnS), со свинцом — галенит (PbS), с никелем — миллерит (NiS), с кобальтом — джайпурит (CoS) и т. д.

В почвах в основном присутствует гидротроилит (FeS·nH₂O), но в прочих биокосных системах накапливаются и другие сульфиды.

Соленые болота и солончаки с гидротроилитом не представляют интереса для сельского хозяйства (если, конечно, их не рассоляют и не осушают). Однако это не значит, что они совершенно не имеют практического значения. Напротив, они очень ценны, так как черные соленые гидротроилитовые грязи обладают замечательными целебными свойствами и помогают вылечивать тяжелые поражения суставов и другие заболевания. Под названием «лечебные грязи» они давно уже используются в медицине, в местах их распространения созданы грязевые курорты. Например, в Туркмении славится своими грязями солончак Моллакора в пустыне Каракумы, в Таджикистане — Оксукон в Ферганской долине. В лечебных целях местное население использовало грязи очень давно. Летом 1950 г. автору довелось побывать на Оксуконе. Процедура лечения в то время состояла в следующем: больного прямо на солончаке закапывали в горячую грязь. Через некоторое время он вылезал, смывал грязь рассолом, накопившимся тут же в ямке, надевал овчинный тулуп и шел в расположенную на берегу чайхану. Там после зеленого чая он начинал потеть, и вся соль вместе с потом смывалась с тела. На этом сеанс грязелечения заканчивался, после нескольких процедур многие больные чувствовали себя много лучше, некоторые расставались с костылями. Слава об Оксуконе гремела по Средней Азии.

Борис Лаврентьевич ИСАЧЕНКО (1871—1948)

В 1971 г. автору снова пришлось побывать на Оксуконе, где в это время уже существовал современный курорт. Больные жили в разноцветных красивых и удобных домиках на берегу солончака, их лечение проводилось под строгим врачебным контролем.

Ведущая роль микробиологических процессов в образовании черных соленых грязей была доказана трудами многих ученых, среди которых особенно выделяются работы крупного советского ботаника и микробиолога акад. Б. Л. Исаченко. Эта теория нашла блестящее подтверждение в серии лабораторных экспериментов. Например, микробиологи брали обыкновенную красную глину (образовавшуюся в окислительных условиях) и замешивали ее с сульфатной водой и органическим веществом. Так создавалась обстановка, необходимая для деятельности сульфатредуцирующих бактерий — они получали пищу (органические соединения) и сульфаты для дыхания (источник кислорода). Когда в эту мокрую глинистую массу вносили чистую культуру бактерий, они быстро размножались. В результате через некоторое время красная глина становилась черной, появлялся запах сероводорода. Так получалась искусственная лечебная грязь, которую можно было готовить далеко от мест естественного обитания сульфатредуцирующих бактерий, практически в любой лечебнице.

Итак, мы познакомились с третьей главнейшей окислительно-восстановительной обстановкой в почвах — восстановительной сероводородной, или сульфидной. Это позволяет выделить самостоятельный третий ряд почв — с восстановительной сероводородной обстановкой. Они встречаются не столь часто, как почвы двух предыдущих рядов, но по своеобразию (а это и важно для классификации) вполне заслуживают выделения в самостоятельный ряд.

К почвам третьего ряда относятся солончаки и соленые болота степей и пустынь. Но почвы этого ряда имеются и в районах влажного климата — там, где есть сильноминерализованные сульфатные воды и, следовательно, возможна деятельность десульфуризирующих бактерий. Таковы, например, почвы морских побережий, подтопляемые морскими водами, которые всегда содержат сульфаты. Подобные почвы встречаются и во влажных тропиках, например в мангровых зарослях, в тайге и даже в тундре по побережью Северного Ледовитого океана. Но, конечно, больше всего их в степях и пустынях — ведь там сульфатный состав вод определяется климатом и поэтому подчиняется закону зональности.

Может показаться, что различия почв второго (глеевого) и третьего (сульфидного, сероводородного) рядов не столь уж велики — ведь в обоих случаях в почвах преобладает восстановительная среда. Однако это не так. По ряду главнейших показателей глеевая и сероводородная обстановки резко отличаются друг от друга. И прежде всего это касается подвижности металлов. В то время как в глеевой обстановке многие металлы подвижны, образуя легкорастворимые соединения (особенно с органическими кислотами), в сероводородной обстановке большинство металлов малоподвижно и образует нерастворимые сульфиды.

Итак, геохимический анализ сущности почвообразования показал, что по окислительно-восстановительным Условиям почвы разделяются на три основных ряда:

1) почвы с преобладанием окислительной обстановки;

2) почвы с восстановительной глеевой обстановкой;

3) почвы с восстановительной сероводородной обстановкой.

В названии первого ряда подчеркивается преобладание окислительной среды, а не ее абсолютное господство. Бывают периоды, когда в этих почвах развивается восстановительная обстановка (например, весной, когда идут дожди). В почвах нередко встречаются следы оглеения в виде ржавых пятен и полос. Почвоведы называют подобные почвы глееватыми, однако более существенно то, что для этих почв характерен длительный период в течение года, когда в них присутствует свободный кислород и развиваются окислительные процессы.

Типы почв. В пределах рядов наибольшие различия почв часто связаны с гидротермическими условиями — режимом тепла и влаги, т. е. с климатом. В. В. Докучаев, открывший закон почвенной зональности, выделил в 1886 г. несколько единиц почв, размещение которых подчиняется этому закону. Это были светло-серые (северные), серые переходные (лесные), черноземные, каштановые, бурые солонцовые и другие почвы. Дальнейшие исследования позволили выделить много почвенных единиц, связанных с определенными гидротермическими условиями и в своем размещении подчиняющихся зональности (бурые лесные, коричневые, сероземные, красноземные и пр.). Подобные единицы часто именуются типами почв. Обоснованию этого понятия много внимания уделял известный советский ученый, выдающийся географ и картограф почв Л. И. Прасолов (1875—1957). Полный перечень всех типов почв, выделенных советской и зарубежными школами почвоведов, содержится в книге проф. Б. Г. Розанова.

Еще в большей степени, чем на почвы, климат влияет на растительный покров, который также подчиняется закону зональности. Поэтому при выделении типов почв наряду с климатическими показателями часто используются и геоботанические. Еще в 1909 г. основатель почвенной школы Московского университета проф. А. И. Сабанин (1847—1920) предлагал классифицировать почвы по характеру растительного покрова, выделяя почвы вечнозеленолиственного, хвойно-лиственного, широколиственного, лугово-степного типов и т. д.

При этом следует иметь в виду, что и климат, и зависящая от него растительность являются лишь факторами почвообразования, они определяют те биогеохимические процессы (в первую очередь окислительно-восстановительные), которые составляют сущность почвы. Типы почв — это прежде всего типы разложения органических веществ, типы биогенной аккумуляции химических элементов. Необходимо также отметить, что, хотя размещение большинства типов почв подчиняется закону зональности, имеют значение и другие факторы, особенно состав горных пород. Поэтому конкретные границы типов почв на картах часто обусловлены не климатом, а геологическим строением, рельефом и т. д.

Геохимические классы почв. Геохимические критерии позволяют выделить таксономические единицы, более мелкие, чем ряды и типы; автор предложил именовать их классами. Условно принимается, что типы делятся на классы, хотя не исключено и существование промежуточных таксонов (тип—семейство—класс и т. д.).

В основу выделения классов положены два понятия — о типоморфных химических элементах и классах водной миграции. Типоморфными называются такие химические элементы, которые определяют характерные и существенные особенности данной почвы. Это, как правило, элементы, распространенные в земной коре, так как редкие элементы в силу своей ничтожной концентрации не могут играть важной роли при классификации почв. С этой точки зрения кальций может быть типоморфным, а радий нет (сверхредок), натрий типоморфен (его много в горных породах), а цезий нет (очень редок, обычно n · 10^-4%). Но одной распространенности еще недостаточно для типоморфности: необходимо, чтобы элемент принимал важное участие в почвенных процессах, т. е. чтобы он поглощался растительностью, давал растворимые соединения и т. д.

Геохимическое своеобразие почв определяется несколькими типоморфными элементами или ионами. Один и тот же элемент типоморфен в одной почве и не типоморфен в другой. Например, железо типоморфно в почвах тундр и таежных болот и не типоморфно в почвах степей.

Из всех подвижных элементов типоморфными являются элементы, обладающие наибольшей миграционной способностью и накапливающиеся в данной почве. Остальные подвижные элементы приобретают как бы подчиненное значение. Так, в солончаках помимо солей натрия содержатся и соли кальция (кальцит и гипс), однако они не играют такой существенной роли, как более растворимые соли натрия. Поэтому в солончаках типоморфны натрий, сера, хлор, но не кальции. В черноземах, где солей натрия обычно мало, соли кальция начинают оказывать существенное влияние на почву, т. е. кальций становится типоморфным элементом. Менее подвижные кремний и алюминий имеют в данной почве второстепенное значение. Во влажных тропиках, где кальций почти нацело удален из почвы, типоморфны водородный ион и алюминий.

Это позволило сформулировать принцип подвижных компонентов, который применительно к почвам состоит в следующем: роль элемента в почве определяется его содержанием в ней и интенсивностью миграции.

При выделении классов почв большое значение приобретают кислотность и щелочность среды, так как условия миграции большинства химических элементов зависят от актуальной реакции природных вод, которая измеряется pH. Многие химические элементы, образующие катионы (катионогенные), легко мигрируют в кислых водах и хуже — в щелочных. К этой группе относятся преимущественно металлы — железо, медь, никель, кобальт и т. д. Химические элементы, образующие анионы (анионогенные), напротив, лучше мигрируют в щелочных водах, чем в кислых. Это неметаллы и часть металлов. Некоторые элементы в зависимости от степени окисления и pH могут быть и в катионной, и в анионной форме (например, цинк, алюминий, уран, молибден). Миграция части элементов практически не зависит от pH, так как они образуют очень легкорастворимые соединения, подвижные в водах любого состава (Na, Cl и др.). По кислотно-щелочным условиям почвенные воды разделяются на четыре основные группы.

К сильнокислым относятся воды с pH < 3. Такая кислотность обычно обязана окислению пирита и других сульфидов, приводящему к образованию свободной серной кислоты. В сернокислых водах легко мигрирует большинство металлов, в том числе железо, алюминий, медь, цинк и т. д. Типоморфным в таких водах является водородный ион (Н⁺), иногда железо, медь, цинк и другие металлы. Сильнокислые почвы известны на участках окисляющихся сульфидных руд, в дельтах некоторых рек.

Кислыми и слабокислыми являются воды, pH которых колеблется от 3 до 6,5. Их кислотность обусловлена процессами разложения органических веществ и поступлением в воды угольной кислоты, фульвокислот и других органических кислот. Если в почвах мало катионов, то кислотность не может быть полностью нейтрализована и в почве господствует кислая среда. В таких почвах легко мигрируют металлы в форме бикарбонатов и комплексных соединений с органическими кислотами. Кислые и слабокислые почвы исключительно широко распространены в лесных ландшафтах влажного климата и в тундре. Типоморфным здесь является водородный ион, местами также Fe²⁺.

Нейтральные и слабощелочные воды имеют pH 6,5—8,5, их реакция определяется отношением бикарбоната кальция к его карбонату или же бикарбоната к CO₂. Эта обстановка менее благоприятна для миграции большинства металлов, которые здесь осаждаются в форме нерастворимых гидроокислов, карбонатов и других солей. Анионогенные элементы, напротив, мигрируют сравнительно легко (молибден, селен, уран и т. д.). Такие почвы характерны для аридных ландшафтов и районов распространения известняков во влажном климате.

При разложении органических веществ здесь тоже образуются угольная и органическая кислоты, но они полностью нейтрализуются CaCO₃ и другими минералами кальция, а также магния, натрия, калия, которыми богаты почвы и породы. Типоморфными являются (в разных почвах) кальций, натрий, хлор, сера.

Сильнощелочные воды с pH > 8,5 обычно обязаны своей реакцией присутствию соды (NaHCO₃, реже Na₂CO₃). Они характерны для многих почв лесостепи и саванн (в СССР, например, для Барабинской низменности Западной Сибири, где были детально изучены Н. И. Базилевич). Многие металлы в этих почвах почти не мигрируют, как, например, кальций, магний, стронций, барий, железо. Напротив, кремний, молибден, селен и другие анионогенные элементы мигрируют интенсивно. Замечательная особенность содовых вод состоит в том, что некоторые металлы в них ведут себя как анионогенные элементы, входя в состав различных подвижных анионов. Медь, например, входит в состав аниона [Cu(CO₃)₂]^2-, алюминий — AlO₂. Скандий, иттрий, цирконий и другие элементы, малоподвижные в слабокислых и слабощелочных водах, образуют здесь растворимые карбонатные комплексы. Типоморфными в этом классе являются натрий, гидроксил (ОН^-), местами — кремний.

Кроме щелочно-кислотных условий в некоторых почвах важное значение приобретает степень минерализации вод. Так, нейтральные и слабощелочные воды можно разделить на маломинерализованные (пресные кальциевые) и сильноминерализованные — хлоридно-сульфатные натриевые.

Каждая среда водной миграции в почве характеризуется определенным сочетанием окислительно-восстановительных и щелочно-кислотных условий, а также степенью минерализации вод, как это показано в табл. 1.

Таблица 1. Основные геохимические классы почв, илов, коры выветривания, водоносных горизонтов, ландшафтов

Всего по этим параметрам выделяется 15 основных геохимических обстановок миграции. Для каждого класса характерна, с одной стороны, определенная ассоциация элементов, а с другой — «запрещенная ассоциация элементов», малоподвижная в данных условиях. Так, например, в содовых кислородных водах легко мигрируют натрий, литий, фтор, молибден, уран, ванадий, натрий, бор и многие другие элементы, но эти воды «запрещены» для железа, кальция, магния, бария, стронция.

Сочетание окислительно-восстановительных и щелочнокислотных условий, а также степень минерализации вод определяют основные классы водной миграции. Каждый класс характеризуется вполне определенными химическими особенностями, типоморфными элементами.

В почве может быть один или несколько классов миграции: в горизонте А — один, в В₁ — другой, в В₂ — третий и т. д. Пятнадцатью классами не исчерпывается все разнообразие водной миграции, однако они, несомненно, наиболее распространены. По профилю почв наблюдается закономерная смена классов водной миграции. Так образуется геохимическая зональность почв. Например, в подзолах тайги, в солонцах сухих степей на расстоянии 20—50 см сменяется несколько геохимических обстановок.

В дальнейшем мы будем говорить о почвах кислого класса, кальциевого, кислого глеевого, обозначая их символами типоморфных элементов: Н-класс, Са-класс, Н—Fe-класс и т. д. Имеются и промежуточные классы: Н—Са, Са—Na и т. д. Нетрудно убедиться, что эти построения представляют собой дальнейшее развитие идей Гедройца о типах почвообразования, выделенных по обменным катионам. Но имеются и различия: классы, выделяемые автором, в отличие от построений Гедройца не являются самыми крупными таксонами, т. е. по типоморфным элементам выделяются не самые крупные единицы классификации. Типоморфный элемент не всегда обменный катион. Если для черноземов и подзолистых почв это имеет место, то для солончаков типоморфными элементами являются не обменные катионы, а элементы растворимых солей.

Рассмотрим на нескольких примерах применение геохимических принципов классификации. В первом ряду почв с преобладанием окислительной среды особенно много типов. Как уже отмечалось, компасом здесь служит докучаевская зональность.

Самостоятельным типом являются тундровые почвы, которые в качестве единицы разного таксономического ранга выделяются во многих современных почвенных классификациях. В этом типе существуют почвы кислого класса (тундровые подбуры — по В. О. Таргульяну), кальциевого класса (в горах на карбонатных породах), кислого глеевого класса (на равнинах) и карбонатного глеевого (на равнинах, сложенных карбонатными породами).

Рис. 5. Дерново-подзолистые почвы кислого класса (А), широко распространенные в таежной зоне, и дерново-карбонатные почвы кальциевого класса (Б)

1 — кислое выщелачивание Fe, Al, Са, Mg, Mn, Na, Cu, Zn, Cl, S и т. д.; 2 — нейтральное и слабокислое выщелачивание Са, Mg, Na, Mo, Mn, Cl, S; 3 — биогенная аккумуляция; 4 — горизонты энергичного выщелачивания; 5 — иллювиальные горизонты (вмывания); 6 — карбонатная кора выветривания известняков; 7 — коренные породы

К особому типу относятся и таежные немерзлотные почвы, среди которых преобладают кислые почвы (классические подзолистые и дерново-подзолистые), но есть и кальциевые (перегнойно-карбонатные на известняках), кислые глеевые (подзолистые глеевые), карбонатные глеевые (рис. 5). В типе буроземных почв также выделяются все указанные классы.

Для сравнения приведем классы, характерные для типа пустынных бореальных почв (пустынь «казахстанского типа»). Здесь имеются почвы кальциевого класса (в горах и мелкосопочнике на скальных породах), кальциево-натриевого (наиболее распространенные почвы полынных пустынь), соленосного (на засоленных породах при глубоких грунтовых водах), содового (солонцы сухих степей). Встречаются в пустынях и почвы сернокислого класса, например на участках окисления сульфидных руд или пиритоносных глин.

Аналогично можно расчленить на классы сероземы, коричневые, красноземы и другие типы почв.

Ко второму ряду почв с восстановительной глеевой обстановкой относятся в основном различные болотные почвы, характеризующиеся близким залеганием грунтовых вод. Нет сомнения, что тундровые болота отличаются от таежных, лесостепных, степных и тропических по температурному режиму. Эти различия автор расценивает на уровне типа и предлагает выделять тундровые, таежные, лесостепные, влажные тропические и прочие болотные почвы. В каждом типе имеются по крайней мере два класса — кислый глеевый (на мягких водах) и карбонатный глеевый (на жестких водах). В лесостепи и степи известны болотные почвы содового глеевого класса, например в Барабинской низменности, где они ассоциируются с солонцами. Значительно менее распространены почвы сернокислого глеевого и соленосного глеевого классов.

Почвы третьего ряда с восстановительной сероводородной (сульфидной) обстановкой также включают преимущественно болотные и частично засоленные почвы. Среди типов отметим тундровый (тундровые солончаки с H₂S по побережью Ледовитого океана), маршевые приморские почвы лесной зоны, почвы тропических мангровых зарослей, шоровые солончаки пустынь и сухих степей, почвы осолоненных болот пустынь и др. Число классов в этом ряду особенно ограниченно — преобладает сульфидно-соленосный класс.

Приведенный краткий и далеко не полный обзор все же позволяет установить, что число основных классов невелико и не превышает первого десятка. Как видно, в разных типах устанавливаются одни и те же классы, что, с позиций автора, представляет не только практические удобства при пользовании классификацией, но имеет и глубокий генетический смысл.

Необходимо дать разъяснение еще по одному вопросу. Как известно, почва состоит из различных горизонтов, причем нередко в одной и той же почве верхний горизонт — окислительный, нижний — глеевый и т. д. Как же в таком случае определить ряд и класс почв?

Это затруднение преодолимо с помощью введенного автором понятия о центре почвы. Известно, что в общей теории систем различают «централизованные системы», для которых характерен «структурный центр», играющий ведущую роль в данной системе (например, Солнце в солнечной системе). Структурный центр определяет связь и единство всей системы. К централизованным системам относятся высшие животные (центр — мозг), атом (ядро), клетка (ядро), предприятие (дирекция), армия (командующий) и т. д. Почвы в большинстве случаев принадлежат к централизованным системам, причем центром почвы, как правило, служит ее верхний горизонт А, где наиболее энергично идет разложение органических веществ, а следовательно, и выделение энергии, происходят наибольшие преобразования минеральной части и т. д. Поэтому при классификации почв — отнесении их к определенному ряду и классу — за основу следует брать геохимические особенности ее центра, т. е. горизонта А. Этот критерий позволяет в большинстве случаев при наличии в почве геохимической зональности, в том числе и окислительно-восстановительной, правильно оценить роль каждого горизонта и классифицировать почву. Однако выделение центра не должно быть формальным. Например, в солонцах в качестве центра фигурирует уже не горизонт А, а солонцовый горизонт В с обменным натрием.

Классификация, как известно, является одной из самых сложных проблем многих естественных наук. Это та проблема, по которой наиболее часто мнения ученых расходятся. Не избежало этой участи и почвоведение (советская, американская, французская и прочие классификации).

Приведенные выше рассуждения на эту тему не претендуют на разработку новой классификации почв, так как они не охватывают всего материала, не дают системы таксономических единиц. Скорее, это — некоторые принципы, которые, по мнению автора, следует использовать при построении геохимической классификации почв. Эти принципы позволяют с единых позиций рассматривать почвы и другие биокосные системы, о чем будет подробно рассказано в последующих разделах книги.