Книга: Шагреневая кожа Земли: Биосфера-почва-человек

Необыкновенные свойства почв

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.