О чем говорят и молчат почвы

Глава третья. С чего начинаются почвы

Из одного состоянья Земля переходит в другое.

Прежних нет свойств у нее, но есть то, чего не было прежде. Т. Лукреций Кар. “О природе вещей”

В самом деле, в почве есть все, что присутствует и в так называемых “факторах почвообразования”. Есть минералы и воздух, вода, корни и микроорганизмы. Однако и вода “не та”, и воздух “не тот”, и минералы “не те”. Например, в обычном воздухе содержание углекислого газа составляет 0,03 процента, а в почвенном воздухе — от 0,3 до 1 процента. Обычная вода замерзает при 0 °C, а почвенная гигроскопическая влага — при минус 70 °C.

В первичных кристаллических породах нет глинистых минералов, тогда как в почвах они присутствуют в значительных количествах, не говоря уже о типично почвенном веществе — гумусе. Окислительно–восстановительный потенциал почв варьирует в пределах 1 вольта, точнее, в пределах 300—400 милливольт в год на одном месте. Считают, например, что самовозгорание торфов связано именно с изменением окислительно–восстановительного потенциала при его высыхании. Подобно тому, как сплав двух металлов имеет свойства, отличающиеся от свойств слагающих его металлов, почва представляет собой уникальный “сплав” всего сущего на планете, причем “сплав”, образование которого происходит в течение весьма длительного времени. Естественно, возникает вопрос: с чего же начинаются почвы? Мы постараемся ответить на этот вопрос.

Анализ первичного почвообразовательного процесса как начального процесса всего почвообразования на планете связан с именами выдающихся советских ученых — академиков Василия Робертовича Вильямса и Бориса Борисовича Полынова. В последние годы имена этих замечательных людей незаслуженно замалчиваются, хотя их роль в становлении почвоведения огромна. Работы академика Вильямса имели и, что особенно важно, имеют сегодня большое значение для развития почвоведения и земледелия. Он стремился вывести из общей теории почвообразовательного процесса следствия и законы, пригодные для внедрения в земледельческую практику. Ему чужд был снобизм многих ученых, разделявших в начале нашего века науку на чистую и прикладную. Более тридцати лет этот уже очень больной человек не покидал своего рабочего места в Тимирязевской академии, проводя многочисленные опыты над гумусовыми веществами почв, работая над теоретическими проблемами почвоведения, луговедения и другими разделами биосферного земледелия. Кроме анализа первичного почвообразовательного процесса, В. Р. Вильяме разработал общую схему единого почвообразовательного процесса на Земле, выделив в нем периоды и стадии. Ему принадлежат идеи об абсолютном и относительном возрасте почв, о ведущей роли биологического фактора в почвообразовании, именно он ввел понятия о большом геологическом и малом биологическом круговоротах веществ и стал основоположником травопольной системы земледелия в нашей стране. Его труды — существенный вклад в познание гумусовых веществ почв, а также закономерностей пойменного почвообразования, луговедения и луговодства в поймах рек. Время делает свое дело. Многое в судьбе работ Вильямса жизнь изменила по–своему, но широта подхода к проблемам земледелия и оригинальность мышления позволяют считать его наряду с такими классиками, как Юстус Либих, А. В. Советов, И. А. Стебут, Д. Н. Прянишников, Н. И. Вавилов, крупнейшим ученым по проблеме “Биосфера и земледелие”.

В череде классиков естествознания, работавших в области почвоведения и своим творчеством подготовивших и создавших современное биосферное мировоззрение, стоит имя Б. Б. Полынова. Человек твердой воли и кристальной честности, абсолютно преданный науке, Полынов был неутомимым почвоведом–географом и замечательным натуралистом. Участник двух войн — русско–японской и первой мировой — он и на фронте в окопной обстановке находил время для научных раздумий. Опубликованные им статьи имели пометки: “Из действующей армии”. Работая на Дону, на Амуре, на Урале, Полынов сделал очень много научных открытий, касающихся в основном процессов выветривания горных пород и первичного почвообразования. Он создал учение о геохимии ландшафтов, которое в наши дни легло в основу охраны природы от различных загрязнений (техногенных, радиационных, транспортных, сельскохозяйственных, военных и т. д.), а также поисков полезных ископаемых. Он не дожил до триумфа своей концепции, но благодаря ученикам и последователям — А. И. Перельману, М. А. Глазовской, В. В. Добровольскому, Э. Б. Тюрюкановой и другим — учение Бориса Борисовича Полынова стало достоянием и подлинным украшением естествознания в нашей стране и за рубежом. Мы еще вернемся к изложению этой концепции, а сейчас сосредоточим внимание на анализе процессов выветривания и первичного почвообразования, проведенном в работах В. Р. Вильямса и Б. Б. Полынова.

Итак, выветривание горных пород рассматривается как необходимое условие для начала почвообразовательного процесса. Твердые массивные кристаллические магматические, метаморфические и осадочные породы, созданные или захороненные в глубинах Земли, при выходе на земную поверхность подвергаются активному воздействию физических, химических и биологических факторов. Говоря другими словами, эти породы попадают из одного термодинамического поля в другое, существенно отличное от первого. Амплитуды воздействия факторов выветривания на исходные породы достаточно велики. Абсолютная амплитуда температур воздуха у поверхности Земли составляет почти 150 °C, на широте Москвы эта величина в два раза меньше — 75—80 °C, а суточная — в пределах 15—20 °C. Нагрев или охлаждение поверхности пород зависит от их экспозиции, цвета, теплоемкости и состава. Так, на Карельском перешейке, где на поверхность выходят гранитные скалы, их южная сторона получает столько же тепла, сколько северные склоны холмов или береговых откосов на Украине, под Харьковом или Полтавой. Белый цвет горных пород (известняки, меловые горы) обладает высокой способностью отражать тепловые лучи, черный (базальты, порфириты, лабродариты, шунгиты Карелии, сланцы, угли) — поглощать тепло. Так, известный памятниками деревянного зодчества знаменитый остров Кижи, расположенный на Онежском озере, был первым освоен поселенцами, потому что его черные шунгитовые сланцы хорошо прогревались в летнее время, что в северных широтах крайне существенно для земледелия.

Теплоемкость пород выражается в количестве тепла, необходимого для нагрева 1 килограмма породы на 1 °C. Наивысшей теплоемкостью в природе обладает вода — ее теплоемкость принята за единицу. Теплоемкость же горных пород, массивных или разрыхленных, изменяется в пределах 0,15— 0,30. Значит, породы с большим содержанием воды имеют большую теплоемкость, на их нагрев идет больше тепла.

Состав пород оценивают обычно как по составу минералов, слагающих породу, так и по химическому составу. Различают породы мономинеральные и полиминеральные. К мономинеральным, представленным одним минералом, относятся кварциты (кварц), известняки (кальцит) и т. д. Но чаще всего горные породы сложны по своему составу. Гранит, например, состоит из трех минералов (кварц, слюда, полевой шпат), а в состав темных, основных пород, таких как базальт, пироксениты, дуниты, входят авгит, роговая обманка, пироксен и другие, каждый из которых обладает своей теплоемкостью и, что особенно важно, разными коэффициентами линейного расширения. Влияют на процесс выветривания дождевые и подземные воды, их минерализация, состав ионов и химическая активность, степень насыщенности газами (углекислотой, кислородом и др.) и их парциальное давление, кислотность и окислительно–восстановительный потенциал. Как видно из сказанного, все факторы физического и химического воздействия на горные породы изменяются в широких пределах и комбинациях, но важно подчеркнуть, что они действуют всегда, то есть, как говорил В. В. Докучаев о факторах почвообразования, “ни один из них не равен нулю”. Кроме того, у природы есть то, что существенно отличает ее от живых организмов, — у нее есть в запасе вечность. День и ночь, год за годом, век за веком факторы выветривания активно воздействуют на горную породу, вызывая ее растрескивание. Рано или поздно силы сцепления веществ и минералов не выдерживают, порода рассыпается, превращаясь в рухляк. Силы тяготения, вода и ветер разносят рыхлые продукты выветривания по земной поверхности, включая их в большой геологический круговорот на Земле. Однако для нас важно сейчас с позиций первичного почвообразовательного процесса увидеть в образовавшемся рухляке и мелкоземе не просто дробление породы, а возникновение нового качества ее — резкое увеличение поверхности и проницаемости для воды, а следовательно, и резкое увеличение числа активных центров взаимодействия исходной породы с факторами выветривания. При дроблении породы резко возрастает роль различных химических реакций. Химическое выветривание набирает силу, готовя субстрат для первичного почвообразования.

Однако формирование рухляковой породы как этап, предшествующий процессу первичного почвообразования, — результат не только чисто физических и стерильно химических процессов. Впервые на недостатки такого подхода обратил внимание Б. Б. Полынов. Он поставил перед почвоведами задачу широких и систематических исследований первых стадий выветривания и почвообразования. Когда же внимание исследователя сосредоточилось на конкретных проявлениях первых стадий почвообразования, когда скалы, покрытые лишайниками и мхами, стали предметом не мимолетного обзора ландшафта, сделанного на пути от одного пункта к другому, а длительного сосредоточенного наблюдения и исследования, то сомнения пришли сами собой. Это произошло в 1940 году на одном из участков Ильменского государственного заповедника, где Полынов вместе со своими сотрудниками по Почвенному институту Академии наук СССР и по кафедре почвоведения Ленинградского университета приступил к работе по изучению первых стадий почвообразования.

Начальные наблюдения были сделаны в пределах большой возвышенности, покрытой вековым сосновым лесом и известной под названием горы Косой. Наиболее высокая часть этой возвышенности представлена прерывистой цепью скалистых выходов гранитогнейса. Один из таких выходов избрали для подробных исследований. Вот как описывает Б. Б. Полынов свои наблюдения:

“Громадные глыбы гранитогнейса нельзя было назвать обнаженными в полном смысле этого слова. Их открытые поверхности представляли достаточно пеструю картину. На площадках в несколько квадратных метров можно было наблюдать целую систему своего рода “микроландшафтов”. Здесь были участки, лишенные заметной простым глазом растительности. Они были как будто покрыты тонким ржаво–бурым налетом, который, однако, не скрывал зернисто–кристаллической структуры породы. В других местах этот налет отсутствовал, и поверхность выступала, как свежий излом породы, но еще больше было участков, покрытых лишайниками. Некоторые из участков были с различными по окраске так называемыми “накипными” лишайниками, так крепко внедрившимися в породу, что отделить их можно было только соскабливая вместе с частицами породы, другие участки были с “листовыми” лишайниками, прикрепленными к породе лишь в одном месте “куста” и простирающими над ней свои пальчатообразно расположенные пластинки; иные были с пластинками, прикрепленными в нескольких местах, причем величина и окраска этих пластинок были весьма разнообразны. Наконец, более или менее ясно выраженные впадины на поверхности глыб часто были заселены уже щетками и подушками темно–зеленых мхов. Из глубоких трещин, местами растрескавших глыбы, равно как и из расщелины между глыбами, нередко поднимались сосновые деревца”.