3.2. Формирование почвенного слоя. Типы почв
Тонкий слой плодородной почвы, покрывающий на суше материнские осадочные или вулканические породы, сформировался путём сложных и длительных процессов при непременном участии живых организмов. Это, между прочим, означает, что 400–500 миллионов лет назад, когда на суше не было жизни, не было и почвы в современном понимании этого слова.
Если мысленно проследить, что будет происходить на поверхности магмы, излившейся при вулканическом извержении, или в отработанном и заброшенном песчаном карьере, или на вынутой из шахты и оставленной пустой породе и в других подобных местах, то обнаружится следующая картина. Сначала поверхность покроется мелкими частицами, пылью, выпадающими прямо из воздуха, и на этой пыли поселятся простейшие растительные и животные микроорганизмы. Выделения этих существ пока они живы и их тела после смерти насыщают воду, поступающую с осадками, сложными органическими соединениями и кислотами. Эти вещества и сами микроорганизмы, способные вместе с водой проникать в мельчайшие поры, во много раз ускоряют процессы химического выветривания, преобразования исходной породы в другие, вторичные соединения. Часть из них растворяется в воде и уносится ею, часть остаётся на месте. Одновременно идут процессы механического выветривания; твёрдые, даже кристаллические частицы породы покрываются трещинами и распадаются на всё более мелкие фрагменты. Всё это перемешивается с вновь созданными химическими соединениями, органическими веществами, образуя гумус — сложную смесь минеральных и органических веществ, являющуюся основой почвенного плодородия. Среди химических веществ, пропитывающих гумус, появляются соединения фосфора, калия, кальция, других элементов, растворимые в воде и как раз в той форме, которая необходима для питания растений. Все эти элементы (кроме азота) в изобилии содержатся в исходной породе, но в виде таких соединений, которые не могут усваиваться растениями.
Для пояснения приведём аналогию: вполне можно умереть от жажды посреди океана. Воды сколько угодно, но… организм её не принимает. Так и здесь, нужно, чтобы слюда, полевой шпат, входящие в состав гранита, известняк превратились в соединения, пригодные для усвоения растениями — , , и другие. Всё это как раз и происходит под влиянием воды, воздуха, органических остатков и времени. Обычно азота бывает мало в исходных материнских породах. Это связано с тем, что содержание азота в земной коре в 100 раз меньше, чем калия и фосфора (см. т. 1, гл. 3); к тому же имеющиеся его соединения тоже нерастворимы. Зато существуют микроорганизмы, некоторые грибки, способные потреблять азот из воздуха, превращая его в аммиак, селитру и другие соединения, пригодные для питания высших растений. Постепенно тонкий слой почвы становится толще, мощнее, количество гумуса в нём растёт, и в такой почве начинают селиться более крупные растения и животные. Появляются мхи, лишайники, множество мелких грибковых растений, затем первые травы. Параллельно почву заселяют многочисленные насекомые, черви, моллюски; все они тут же включаются в общую жизнь, поедая растения и друг друга, неустанно работают, разрыхляя почву. Вслед за мелкими растениями появляются крупные — травы, кустарники, деревья, поселяются кроты, землеройки, мыши, приходят большие наземные животные, прилетают птицы. Проходят столетия, тысячелетия, — и вот уже перед нами чернозёмные степи, или леса; вместо унылой каменной пустыни — роскошные ландшафты. При этом почва не только не скудеет, но с каждым годом становится всё богаче, так как хотя и медленно, но продолжается переработка материнской породы, а остатки всех отмирающих организмов тут же перерабатываются бактериями. Все минеральные вещества, временно взятые растениями у почвы, возвращаются обратно, кроме, правда азота, значительная часть которого переходит в газ и улетучивается. Но эта потеря восполняется работой бактерий и тех растений, которые «умеют» усваивать азот из воздуха. Так может продолжаться долго… очень долго… пока не вмешается человек.
Детали этой общей схемы формирования почвы на бесплодной поверхности могут изменяться в зависимости от конкретных обстоятельств: типа материнской породы, климата, характера местности, количества осадков. От всего этого зависят как сроки «строительства», так и его результат — какая именно почва из многих возможных будет создана.
Толщина почвенного слоя колеблется от 5–10 см до 1–2 метров. Этот слой неоднороден. Сверху располагается наиболее плодородная часть — смесь мелких минеральных частиц (песка, глины, полевых шпатов, слюды и т. п.) с гумусом. Гумусовый слой имеет тёмный цвет, иногда (чернозём) — почти чёрный. Ниже находятся более светлые слои: элювиальный, в котором минеральные соединения растворяются осадками и вместе с ними уходят в следующий иллювиальный слой. Этот слой фильтрует воду и задерживает растворённые вещества; поэтому он, как правило, темнее. Ещё ниже располагается уже материнская порода — пески, глины, известняк, если это осадочные слои, или твёрдая основа — гранит, базальт.
Весь гумусовый слой пронизан корнями растений и обильно населён всевозможными одноклеточными растительными и животными микроорганизмами, общая масса которых может доходить до 10 тонн на гектар, а также многоклеточными (мхи, грибы, черви, моллюски, насекомые, разные личинки и др.). Слой почвы толщиной 25 см на площади 1 га может содержать до 500000 мелких многоклеточных организмов. Там же живут мелкие млекопитающие — кроты, слепыши, землеройки и др.
Корни глубоко проникают в нижние слои, особенно у деревьев и растений засушливых зон. Разветвлённая сеть корней, общая длина которых чрезвычайно велика (сотни, тысячи метров и более у одного растения), после отмирания оставляет ходы, по которым происходит дополнительный влагообмен. Корни и живые организмы разрыхляют почву, улучшают её структуру. Это важно, поскольку для нормального развития растений требуется, чтобы в почве содержалась не только влага, но и воздух. Кислород воздуха обеспечивает корневое дыхание растений, а углекислый газ для фотосинтеза может поступать не только из воздуха, но и с почвенной влагой. Кроме того, воздух нужен для большинства живых организмов, населяющих почву.
Очень важен водный режим почвы. Атмосферные осадки, выпадающие на землю, уходят тремя способами: испарением с поверхности почвы и листьев растений, прямым стоком в виде ручьёв и рек, текущих в океан или (реже) во внутренние водоемы, не связанные с океаном, и путём просачивания через почву в грунтовые воды. Соотношение между этими составляющими бывает самое разное в зависимости от конкретных обстоятельств.
Наибольшей испаряющей способностью обладают леса. Это связано с большой поверхностью листьев, на которых задерживается часть осадков, а потом высыхает (прямое испарение). Но гораздо больше испаряется влаги, всасываемой корневой системой из почвы и поступающей наверх в результате обычной жизнедеятельности растений, когда никакого дождя нет и в помине. Такое испарение называется транспирацией. Травяная растительность испаряет меньше, чем лес, а чистая (например, вспаханная и проборонованная) поверхность — ещё меньше [27—33].
Способность влаги просачиваться через почву и достигать грунтовых вод зависит от влагопроницаемости почвы и от уровня (глубины) грунтовых вод. Этот уровень может меняться в зависимости от характера материнской породы, от её способности пропускать через себя или, наоборот, задерживать воду, а также от количества выпавших осадков и от сезона. Грунтовые воды медленно просачиваются через почву в соответствии с наклоном поверхности и, в конце концов, тоже пополняют реки через их дно. Существуют реки, в которых грунтовая вода — основной источник их стока. Для того, чтобы наглядно проиллюстрировать механизм стока грунтовых вод в реки, представим себе следующий эксперимент: если лить воду в верхнюю часть песчаной кучи, то, в конце концов, вода выступит снизу и куча окажется в луже, хотя её боковая поверхность останется сухой. При дальнейшем поливе из кучи потечёт ручеёк.
Если уровень грунтовых вод достигает поверхности, образуются болота. Так, в частности, происходит, когда уровень поверхности ровный и грунтовым водам некуда стекать, а также в северных районах с холодным климатом, где испарение невелико.
Для большинства растений требуется, чтобы в почве в районе корней было достаточно влаги, но не в виде грунтовых вод, пропитывающих все поры и препятствующих проникновению воздуха, а в виде плёнок, абсорбированных на поверхности микрочастиц. При этом остаются пустоты для воздуха. Именно такую влагу усваивают корни растений — деревьев, трав, сельскохозяйственных культур. Поэтому на заболоченных почвах, тем более, на болотах, где вода выходит прямо на поверхность, деревья и обычные травы не растут, почвенных животных там мало и они не успевают переработать отмирающую органику; образуется торф. Впрочем, существует достаточно много растений, приспособившихся к таким условиям [31] — сфагновые (губчатые) мхи, росянка, пузырчатка, жирянка (интересно: все три типа могут питаться как за счёт фотосинтеза, так и улавливая живых насекомых, неосторожно присевших отдохнуть на их листьях), осока, камыши, некоторые ягоды (в том числе голубика, клюква), багульник (дурман), неизменно сопровождающий голубику и выделяющий в воздух эфирные масла, убивающие насекомых и некоторых бактерий. Интересный список болотных растений можно продолжать, но мы ограничимся ещё только одним примером: важнейшая сельскохозяйственная культура — рис, которая даёт около 30% мирового производства зерновых (считая и кукурузу, а без неё — около 50%), тоже должен расти в воде, т. е., в сущности, в болотных условиях.
Выше отмечалось разнообразие почв мира. Существуют карты почв, различные классификации их типов, учитывающие свойства, происхождение, плодородность и другие характеристики. Учёт конкретных особенностей почвы в каждой местности позволяет правильно организовать эксплуатацию этого важнейшего ресурса с тем, чтобы наиболее эффективно обеспечить население продуктами питания и промышленность разнообразным сырьём при непременном условии сохранения и даже приумножения почвенного плодородия.
На рисунках 3.1 а–з (стр. 428, 432) представлены главные типы почв; на рисунке 3.2 (первая цветная вкладка после стр. 412) изображена карта распределения почв в мире.