Шагреневая кожа Земли: Биосфера-почва-человек

Мысль, высказанная мудрецами еще в древности — «удивительное рядом с нами», — в полной мере относится к предмету нашего исследования — почве с ее исключительным обилием тесно взаимодействующих экологических функций. В последнее время все большему числу ученых становится ясным, что полученные знания о своеобразии почвы как особой природной системы необходимо сделать всеобщим достоянием. Естественно, для этого архиважным оказывается общедоступное изложение на научной основе современных представлений о различных сторонах жизни почвы в целом.

О своеобразии почвообразования

Как же появляется почва? Благодаря чему из безжизненных каменных глыб образуется плодородный слой, на котором произрастают сотни тысяч видов растений и в котором обитают многочисленные живые существа?

Впервые научный ответ на этот вопрос дал основоположник почвоведения выдающийся естествоиспытатель В.В. Докучаев, который рассматривал почву как результат взаимодействия исходных горных пород, климата, растительности и других почвообразователей.

Говоря о своеобразии почвообразования, важно подчеркнуть, что оно представляет собой сложное переплетение весьма различных по своей природе процессов. Здесь и тончайшие биохимические реакции, и физическое разрушение материнских пород под действием колебаний температуры, и стадийные трансформации минералов, и образование почвенных агрегатов и их разрушение, и многое, многое другое.

В.И. Вернадский отнес почву к специфическим биокосным телам природы, наиболее существенная особенность образования которых — равноправное взаимодействие живой и косной материи.

Интересны в данном отношении работы В.Р. Волобуева, объясняющего разнообразие почвообразования на земном шаре определенным сочетанием органо-минеральных реакций, характерных для собственно почвообразовательного процесса.

Исключительная сложность почвообразования выражается во многом. Прежде всего — в наличии большого числа противоположно направленных процессов, одновременно участвующих в формировании тех или иных свойств почвы. Так, М.А. Глазовская (1972) выделяет такие пары диаметрально противоположных процессов: поглощение живыми организмами элементов из почвы и выделение ими в почвенный раствор различных соединений, разложение органических остатков и образование гумуса, разрушение первичных минералов и создание вторичных и др.

«Противоречивость» почвообразования выражается также в разной длительности процессов, ответственных за формирование отдельных свойств почвы. Такие процессы имеют, по выражению В.О. Тургульяна и И.А. Соколова, разные характерные времена — сроки, необходимые для возникновения зрелого признака или свойства почвы. Причем различия времен весьма значительны. Так, почвенные растворы претерпевают существенные изменения очень быстро — в течение месяцев, а иногда и дней; горизонт растительного опада и подстилки образуется или видоизменяется также довольно скоро — за несколько лет или десятилетий. Зрелый минералогический профиль почв формируется обычно десятки и сотни тысяч лет, а выветривание наиболее устойчивых минералов, таких, как кварц, циркон, рутил, может длиться миллион лет.

Принципиальная особенность почвообразования заключается и в том, что разнообразные элементарные процессы, формирующие почву, характеризуются исключительной концентрацией в пространстве и поэтому почвы отличаются повышенной информативностью. Действительно, если взять небольшой комочек почвы и проанализировать, можно обнаружить много интересного из жизни почвы. Особенно информативны микроморфологические исследования почвенных горизонтов. В крохотном поле микроскопа видны и результаты выветривания обломков горной породы, и преобразование растительного опада, и перемещение тонких частичек по порам и трещинам, и следы деятельности почвообитающих животных, и масса других интереснейших событий. Все это помогает разобраться в современной и прошлой жизни почвы и определить условия ее формирования.

Способность почвы «запоминать» события, происходящие как в живой, так и в неживой природе, накопление и сохранение этой информации — важная черта почвообразовательного процесса.

Из истории почв

История почвы, как и других компонентов природы, тесно связана с общей эволюцией планеты. Когда появились первые почвы и как видоизменялся почвенный покров земного шара, можно понять лишь на основе знания истории развития Земли. А она непростая и разгадана далеко не полностью.

Нередко летопись нашей планеты уподобляют 10 томам по 500 страниц в каждом. Одна страница соответствует 1 млн лет. Человек по-настоящему научился читать пока лишь события десятого тома, начиная с палеозойской эры, наступившей 570 млн лет назад. Что же было до этого на протяжении более 4 млрд лет, остается в основном в области догадок.

Принято считать, что Земля как планета сформировалась около 4,6 млрд лет назад. В то далекое время ее поверхность представляла собой темно-серую безжизненную равнину. Но в недрах уже шли грандиозные геологические процессы, так как только за счет распада имевшихся радиоактивных элементов планета получила в 5–6 раз больше тепла, чем теперь. Внутренний разогрев Земли вызвал расплавление, перемешивание и расслоение ее вещества. Наиболее легкие газообразные компоненты, высвобождаясь из недр, скапливались в околоземном пространстве, образуя первичную атмосферу, в которой преобладали метан, аммиак и в меньшей степени водород, а также пары воды, двуокись и окись углерода при практически полном отсутствии свободного кислорода. Конденсация паров воды постепенно привела к образованию первичных водных бассейнов. В результате процессов выплавления начал формироваться базальтовый слой земной коры, в котором прежде всего накапливались элементы с небольшим атомным весом. В современной коре больше всего содержится кислорода — 49,13 %, затем кремния — 26,0 % и алюминия — 7,45 %. На долю железа приходится 4,20 %, кальция — 3,25 %, натрия — 2,40 %, калия — 2,35 %, магния — 2,35 %, водорода — 1,0 % (Гаврилов, 1986).

Первая стадия геологического развития Земли, продолжавшаяся 500–700 млн лет, получила название лунной, поскольку в то время земной шар был во многом подобен Луне. О почве еще не могло быть и речи, так как первые живые организмы, без которых невозможно почвообразование, появились примерно 1 млрд лет спустя после зарождения планеты. Но на поверхности Земли уже, по-видимому, был материал экзогенного происхождения, во многом похожий на современный лунный грунт. Принципиальная возможность образования первых примитивных почв (предпочв, полупочв) появилась с момента возникновения клеточных организмов (около 3,5–3,8 млрд лет назад). Однако еще длительное время суша продолжала оставаться слабо насыщенной жизнью. Лишь в конце силура, около 400 млн лет назад, в прибрежных болотистых равнинах возникли предпосылки для появления псилофитовидных растений.

В девонский период происходит дальнейшее развитие процесса почвообразования. На суше появляются плауновидные, папоротниковидные и первые семенные растения.

Особенно благоприятные условия для формирования развитого растительного и почвенного покрова складываются в каменноугольный период, начавшийся 345 млн лет назад и длившийся 65 млн лет. Теплый и влажный климат господствует в это время на значительных пространствах планеты, которая покрывается дремучими лесами из гигантских древовидных плаунов, хвощей и папоротников, чьи стволы достигали 30–40 м в высоту и 2 м в поперечнике. О характере преобладающих почв того времени мы можем лишь делать предположения. По-видимому, многие из них были в чем-то сходны с почвами современных мангровых зарослей болотистых побережий тропических морей.

Последующие периоды развития сопровождались усложнением природной обстановки. Появлялись новые растения, животные, почвы и ландшафты. Континенты постепенно приобретают очертания, близкие к современным.

Особый интерес представляет последняя, кайнозойская эра геологического развития Земли, начавшаяся около 66 млн лет назад и характеризующаяся существенным изменением климатической обстановки на Земле. За последние 60 млн лет имело место неуклонное падение среднегодовой температуры. Еще несколько миллионов лет назад в большинстве районов земного шара был теплый климат. Например, на территории современной Украины и Средней Азии господствовали саванны с характерными для них почвами. Однако в четвертичный период, продолжающийся последние 2 млн лет, отмечается неоднократное лихорадочное снижение и повышение температуры с общей тенденцией к снижению.

Грандиозные оледенения охватывают Северное полушарие. Ледяной чехол мощностью до 3,5 км покрывает современную территорию Англии, Польши, Германии, Украины, Валдая. Край ледника спускался до Волгограда, а по Днепру проникал южнее Днепропетровска. Эпохи покровного оледенения сменялись эпохами потепления и таяния льдов. Сейчас мы живем в межледниковье, продолжающееся около 10 тыс. лет. За это время оформились современные природные зоны и наблюдаемый ныне почвенный покров Земли.

Особенностью многих наблюдаемых ныне почв является их молодость на фоне слабоустойчивых реликтовых признаков. В высоких широтах, где имело место покровное оледенение, существенно изменившее поверхность Земли, преобладают почвы, возраст которых не более 10 тыс. лет или даже 5–7 тыс. лет. Они образовались после таяния льдов и деградации подземной мерзлоты. В средних широтах значительно более зрелые почвы, так как здесь обновление почвенного покрова в результате оледенения и тектонического поднятия происходило ограниченно — преимущественно в горных и предгорных областях. В низких тропических и экваториальных широтах, не подвергшихся оледенению, распространены наиболее древние почвы, многим из которых сотни тысяч и миллионы лет.

Говоря об основных этапах развития географической среды и почвенного покрова Земли, необходимо отметить ускорение естественной эволюции и сокращение времени, необходимого для перехода от одной стадии к другой. Чтобы нагляднее себе это представить, используем тот же прием 10 томов летописи Земли, о которых говорилось выше, но с помощью волшебного кино. Фильм идет 1,5 ч, на каждый том приходится 8 мин смотрового времени. Самый первый, весьма ответственный этап зарождения Земли из сгустков космической пыли и газов длится сравнительно недолго — всего несколько минут. Львиная же доля времени — 70 мин — приходится на формирование основных компонентов планеты: литосферы, атмосферы, океанов, первых живых организмов. Однако на наиболее насыщенный событиями 10-й том (последние 500 млн лет), как и на первый, приходится немного времени — около 20 мин. Поэтому мы едва ли смогли бы заметить рост горных стран и их исчезновение, изменение площади суши и моря, эволюцию животных и растений. Человек бы находился на экране всего 2 с. Для зрителей кино он так и остался бы существом с длинными волосами и дубинкой, так как современных людей и окружающую их среду — леса, пашни, города — нельзя было бы просто заметить, поскольку вся основная история цивилизации, насчитывающая 5–6 тыс. лет, уложилась бы в 1/200 долю секунды. Однако именно с этим весьма кратковременным периодом развития планеты связаны наиболее глубокие изменения в почвенном покрове Земли и в природе в целом.

Необыкновенные свойства почв

Какими же наиболее важными свойствами обладают реальные, наблюдаемые нами почвы? Что общего между ними?

Начнем прежде всего с внешнего облика, или морфологии, почв. Если мы рассмотрим главные почвы нашей страны — тундровые, подзолистые, черноземные, каштановые, сероземы, красноземы и др., то при всем разнообразии их строения обнаружим ряд общих черт, которые и будут характеризовать наиболее существенные архитектурные особенности почвенного тела.

Первая важная особенность — это обособление сверху вниз в любой почве нескольких генетических горизонтов, различающихся по цвету, сложению, структуре и другим признакам. Основных горизонтов обычно три. Как они возникают? В разное время по-разному отвечали на этот вопрос. Так, в отношении подзолистых почв под хвойными лесами в XIX в. высказывалось мнение, что их бурые нижние слои намного древнее верхнего белесого подзолистого горизонта, который образовался после последнего оледенения в результате выпадения обогащенного кремнеземом вещества из вод растаявших льдов.

В настоящее время доминирует другая точка зрения. Принято считать, что в большинстве почв, развитых на геологически однородных отложениях, подзолистый (элювиальный) горизонт А₂ может формироваться практически одновременно с нижележащим (иллювиальным) горизонтом В в результате синхронно идущих процессов выноса подвижных соединений из горизонта А₂ и частичного закрепления их в горизонте В, под которым располагается материнская порода (горизонт С). В большинстве других почв также выделяется три основных генетических горизонта, подразделяемых на подгоризонты.

Такое строение почвы — один из показателей ее системной троичной организации, которая в природе — широко распространенное явление. Так, у высших растений можно также выделить три главные составные части — корень, стебель, листья; у высших животных — туловище, голову, конечности. В принципе трехслойная структура и у многих тел неживой природы. Например, среди основных геосфер нашей планеты выделяются земная кора, мантия, ядро.

Почвенные горизонты не являются просто соседями. Они постоянно взаимодействуют, определяя тем самым многие взаимные изменения и свойства. Поэтому, если преобразуется один горизонт, постепенно трансформируются другие и вся почва в целом. Причем нередко наблюдается несоответствие морфологических и химических изменений горизонтов. Так, если распахать целинную сильноподзолистую почву и начать ее окультуривание (внесение извести, навоза, посев трав и др.), то вскоре химические свойства данной почвы существенно изменятся в благоприятную сторону, в то время как внешне, за исключением пахотного горизонта, она останется почти той же. Поэтому нельзя оценивать ее агрономическое состояние только по данным полевых наблюдений. Необходимы систематические полные агрохимические, биологические и другие виды обследований всей почвы, иначе можно впасть в ошибку.

Почвенные горизонты внутри себя неоднородны, они состоят из отдельных комочков — структурных агрегатов, конкреций и других компонентов, что свидетельствует о наличии нескольких уровней организации почвенного материала. Б.Г. Розанов выделяет шесть таких уровней: атомарный, кристалломолекулярный, агрегатный, горизонтный, профильный и уровень почвенного покрова территории. Полноценное изучение почвы предполагает ее исследование на всех уровнях.

Из других важнейших особенностей отметим существенно иное состояние вещества в почве по сравнению с исходными массивно-кристаллическими породами. Породы, вышедшие на поверхность Земли при образовании гор, представляют собой монолитные глыбы, взаимодействующие с внешней средой лишь внешними гранями. Вся остальная их часть надежно законсервирована в толще породы и может пребывать практически без изменения миллионы и даже миллиарды лет.

Иное дело почвы. В ходе почвообразования и выветривания происходит раздробление и измельчение первоначальных глыб и образуется новый тонкодисперсный материал. В результате вещество полноразвитых почв представляет собой отдельные комочки и микроскопические сгустки, общая суммарная поверхность которых может достигать колоссальных величин. Так, если измерить поверхность всех граней частичек, находящихся в 1 г тяжелосуглинистой почвы, которыми она может взаимодействовать с попавшей в нее водой, то получится площадь около 100 м². Это более чем в 100 тыс. раз больше поверхности кубика гранита или другой монолитной горной породы весом в 1 г.

Колоссальное увеличение активной поверхности в почвенном мелкоземе по сравнению с исходным веществом открывает качественно новые возможности для течения физико-химических и химических процессов, которые в почве различаются принципиально большими скоростями, разнообразием и концентрацией в единице объема. Поэтому не случайно Б.Б. Полынов считал, что в результате почвообразования и выветривания материя переходит в иное, более активное состояние, характерная особенность которого — резкое увеличение количества коллоидов. Коллоиды обладают рядом удивительных свойств: громадной активной поверхностью, способностью к обменному поглощению газов, молекул, ионов, к обратимому и необратимому застудневанию, набуханию и сжатию в зависимости от влажности и других причин.

Роль коллоидов в жизни природы и почв исключительно велика. В органическом мире они являются материальной основой всех жизненных процессов, поскольку входят в состав протоплазмы — полужидкой слизистой коллоидной массы. Фактически живые организмы почти целиком построены из коллоидов с различным содержанием воды. В неживой природе область проявления коллоидного состояния вещества весьма обширна — от космических пространств до глубоких частей каменной оболочки Земли, что убедительно показано в фундаментальной монографии Ф.В. Чухрова «Коллоиды в земной коре» (1955). Почва по содержанию коллоидов занимает промежуточное положение между телами косной и живой природы. Обычно в почвенном мелкоземе 15–25 %, а в некоторых случаях 40–60 % коллоидов по весу.

Возрастание содержания коллоидов в ряду исходные горные породы — почвы — живые организмы есть закономерное следствие эволюции природных процессов по пути их интенсификации, которая оказывается невозможной без раздробления первичного материала и резкого увеличения общей площади активного взаимодействия. Можно привести немало примеров тесной зависимости скорости и результативности того или иного процесса от степени «помола» исходных продуктов. Так, по данным Л.О. Карпачевского (1981), скорость разложения микроорганизмами растительного опада в лесу снижается в несколько раз, если он предварительно не обработан и не измельчен почвообитающими беспозвоночными животными, которые играют роль превосходной мельницы. Например, общая поверхность хвоинки, попавшей в подстилку, после измельчения ее почвенными орибатидами увеличивается в 10 тыс. раз. Человек также испытывает на себе действие отмеченной общей закономерности. Так, из грибов, высушенных целиком, белки усваиваются организмом на 65 %, а в случае мелкоизмельченных грибов усвоение достигает 90 %.

Кроме специфической размерности слагающих почвенную массу частиц, для почвы характерно и особое соотношение фазовых состояний вещества. Если в массивно-кристаллических породах вещество представлено почти нацело твердой фазой, то в почвах одновременно, часто на равноправных началах, присутствуют твердая, жидкая и газообразная фазы. Это оказывается возможным прежде всего благодаря оструктуренности и трещиноватости почвы, делающим ее пористым телом. Поры и трещины в почвах занимают обычно 40–60 % общего объема и заполнены воздухом и водой.

Для почвы характерно также наличие разнообразных органических и минеральных соединений, возникающих главным образом в результате почвообразовательного процесса. Ими являются прежде всего основные составляющие почвенного гумуса — гуминовые кислоты и фульвокислоты — высокомолекулярные соединения, которые, по мнению Д.С. Орлова (1974), следует рассматривать как особый класс химических веществ. В почве также содержатся различные органические продукты выделения и разложения растений и животных: белки, углеводы, жиры, лигнин, воск, смолы, органические кислоты (щавелевая, янтарная, муравьиная, уксусная, лимонная и др.). Эти соединения являются важным поставщиком материала для гумусообразования.

Органическое вещество играет исключительную роль в жизни почв. Оно определяет многие составляющие почвообразовательного процесса (растворение минералов, оструктуривание мелкозема, обменное поглощение химических элементов), а также является источником энергии и питательных соединений для живых организмов, связанных с почвой.

Своеобразны состав и характер изменения минералов почвы. Основной особенностью является разрушение первичных минералов исходных пород и образование вторичных минералов, прежде всего глинистых.

Перечисленные особенности строения и состава почвы в значительной мере обусловливают и важнейшие ее свойства. Среди них в числе первых отметим способность чутко реагировать на изменения окружающей среды, изменяться и приходить в соответствие с ней, что возможно прежде всего благодаря влаго- и теплопроводности почвенных горизонтов. В результате жизненные ритмы почвы во многом сходны с другими природными ритмами, например климатическими. Это оказывается весьма важным обстоятельством, поскольку согласованность изменения почв и других компонентов ландшафта обеспечивает их взаимосвязь и устойчивость. От этого особенно зависит благополучие высших растений, часть которых находится в воздушной среде, а часть — в почвенной.

В ходе длительной эволюции растительные организмы приспособились не только к перепадам тепла, влаги, освещенности, но и к самому порядку изменения этих важнейших составляющих условий существования. Причем, если изменения воздушной и почвенной среды оказываются в явном несоответствии, растения находятся в угнетенном состоянии, их видовое разнообразие уменьшается, а в экстремальных условиях наблюдается обеднение или полное исчезновение высшей растительности.

Говоря о чуткой реакции почв на колебания внешней среды, следует отметить, что эта реакция не является мгновенной и полностью адекватной. Она отличается постепенностью и плавностью, поскольку для почвы характерно другое важное свойство — буферность, т. е. способность сглаживать резкие перепады своей влажности, температуры, обеспеченности элементами питания при сильных изменениях климата и других факторов. Эта тенденция к определенному постоянству внутренней среды (гомеостаз почвы) оказывается возможной благодаря наличию в почвенном мелкоземе запасов воды, энергии, подвижных химических соединений, которые могут выполнять функцию регуляторных механизмов. Так, в сильную жару перегрев почвы блокируется испарением почвенной влаги, которое связано с затратами энергии. В результате даже в пустынях Средней Азии температура почв в знойный полдень обычно не поднимается выше 28 °C, в то время как поверхность камней раскаляется до того, что от соприкосновения с ней можно получить ожог.

Буферность почвы имеет исключительное значение для благополучия связанных с ней организмов. По мнению некоторых ученых, она сыграла весьма важную роль в процветании покрытосемянных растений, наиболее продвинутых в эволюционном отношении.

Перечисленные основные свойства почвы делают ее сложноорганизованной функционально-динамической системой, способной успешно осуществлять многочисленные экологические функции, рассмотренные ранее, среди которых особое место занимает почвенное плодородие, зависящее от совокупности свойств и взаимодействия функций почвы.