Зеркало ландшафта

Карпачевский Лев Оскарович 'Зеркало ландшафта'

Издательство «Мысль». 1983

ББК 40.3

К 26

Редакции географической литературы

Рецензенты:

доктор биологических наук Г. В. Добровольский

доктор географических наук Н. Н. Розов

К1905030000-104134-83

004(01)-83

Зеркало ландшафта.- М.: Мысль, 1983.- 156 с.

Заведующий редакцией О. Д. Катагощин

Редактор Б. Н. Малкес

Младший редактор Т. Н. Филатова

Оформление художника Е. С. Борю

Художественный редактор А. И. Ольденбургер

Технический редактор Ж. М. Голубева

Корректор И. В. Равич-Щербо

Сдано в набор 22.11.82.

Подписано в печать 25.04.83.

А10899. Формат 84х1081/32.

Бумага типогр. № 1.

Обыкн. нов. гарн.

Высокая печать.

Усл. печатных листов 8,4.

Учетно-издательских листов 8,56.

Усл. кр.-отт. 8,62.

Тираж 60 000 экз.

Заказ № 683.

Издательство «Мысль».

117071.

Москва, В-71, Ленинский проспект, 15.

Ордена Октябрьской Революции, ордена Трудового Красного Знамени Ленинградское производственно-техническое объединение «Печатный Двор» имени А. М. Горького Союзполиграфпрома при Государственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли.

197136, Ленинград, П-136, Чкаловский пр., 15.

От автора

...Для того, чтобы понимать и чувствовать природу,

недостаточно ее видеть, необходимо знать науку о ней.

А. П. Платонов

Предлагаемая вниманию читателей книга посвящена особому природному телу — почве, хорошо знакомому каждому человеку. Почва — это глобальное образование, плащом толщиной в несколько метров одевающее материки и играющее важную роль в процессах, происходящих в биосфере. С почвой связано все живое на Земле: растения, животные, микроорганизмы. Она имеет такое же большое значение в жизни людей, как другие природные сферы нашей планеты.

В книге рассказывается о разнообразных свойствах почв и одном из самых важных из них — плодородии.

Реализация многих задач, поставленных в принятой в нашей стране «Продовольственной программе», неразрывно связана с повышением плодородия почвы. Почва как природное тело обладает способностью снабжать растения необходимой пищей и водой, тем самым обеспечивая их урожай. Эта способность издавна используется человечеством. Но человек научился, умело воздействуя на почву, непрерывно повышать ее плодородие. Поэтому создание и сохранение плодородных почв будет реальным вкладом всех работников сельского хозяйства, а также ученых-почвоведов в общие усилия по реализации «Продовольственной программы».

В книге вопросы плодородия почв обсуждаются в сравнении с плодородием других природных тел, таких, как некоторые горные породы, водные растворы и т. д.

Ряд разделов книги посвящен месту почвы в биосфере, роли почвы как связующего звена между растениями и животными.

Большое внимание уделяется черноземам — вечному олицетворению плодородия.

На многих страницах рассказывается о закономерностях строения почвенного покрова Земли, возрасте почвы, географическом открытии разных почв. Говорится о роли растений и животных в почвообразовании.

Изучением почв занимается почвоведение. В книге говорится об отдельных проблемах этой науки, ее перспективах, задачах, которые стоят сейчас перед почвоведами. Обсуждается связь почвенных исследований с решением практических вопросов развития сельского хозяйства. Показывается дискуссионность многих положений современного почвоведения, что отнюдь не умаляет достижений этой науки. Ведь наука бесконечна в своем развитии и часто возвращается к, казалось бы, решенным проблемам, чтобы пересмотреть их заново.

Книга не претендует на полный охват всех вопросов почвоведения. Она представляет собой скорее серию очерков о почвоведении, связанную единым подходом к теме, одним взглядом на почву как элемент биосферы.

Автор посвящает книгу памяти известного химика, лауреата Государственной премии Б. Л. Дяткина, по совету которого он и приступил к созданию этой книги и многие страницы которой были обсуждены автором в беседах с ним.

Один из элементов мироздания

Прежде всего про четыре узнай мирозданья начала:

воздух, огонь, жизнетворную почву и влагу,

чьею струею родник бытия создается для смертных.

Эмпедокл

Элементы мироздания: воздух, огонь, жизнетворная почва и влага

В 8—6-м тысячелетиях до нашей эры человек начал обрабатывать почву и возделывать растения. Это изменило весь уклад его жизни и оказало огромное влияние на последующее развитие человеческого общества. От простого пользования дарами природы, от периода собирательства, человечество вступило в эру выращивания культурных растений. В числе первых из них были лен, рис, ячмень, пшеница. Среди пшениц вначале наиболее широко возделывалась известная всем по пушкинской «Сказке о попе и его работнике Балде» полба. Зерна полбы и других видов пшеницы находят археологи в стоянках людей каменного века, в их свайных поселениях. Ткани, обнаруженные при раскопках погребений в Древнем Египте, Индии, Шумере, — льняные.

Позже человечество стало возделывать просо (родина его — Центральная Азия), коноплю, рожь. Сейчас используется уже около двух тысяч видов растений, включая и множество тех, которые выведены методами народной и научной селекции. Если к этому числу прибавить еще декоративные деревья, кустарники, цветы, то станет понятен колоссальный масштаб современного земледелия.

Необходимость обрабатывать землю способствовала производству сельскохозяйственных орудий. Сначала это были каменные сошники, затем бронзовые и железные. Косы, серпы, ножи расширили набор приспособлений. С ними, кстати, связана одна из первых профессий человека — кузнец. Но от первого каменного ножа до первого каменного сошника, а затем сохи прошло значительно больше времени, чем от сельской примитивной кузницы до атомного реактора.

Возникновение земледелия надолго разделило человечество на земледельческие — оседлые народы и скотоводческие — кочевые. К сожалению, это разделение сопровождалось долгими кровопролитными войнами. Известная библейская жертва в этой войне — Авель, убитый Каином. В легенде Авель — кочевник, а Каин — земледелец, в реальной же истории случалось и наоборот: кочевники иногда завоевывали земли оседлых народов, мечом и огнем опустошали их, а потом здесь же оседали. Так, например, кочевники гунны осели в Придунайской низменности.

Элементы мироздания

Древние земледельцы осваивали теплые безлесные районы (междуречье Тигра и Евфрата, Северную Африку и др.).

В этих районах выпадает очень мало осадков, поэтому земледельцы селились вдоль рек и обрабатывали пойменные почвы. Паводок каждый год обновлял почвы, откладывая на их поверхности ил. Хорошо известен древний афоризм: «Плодородие Египта — в Ниле, плодородие Нила — в иле». Пойменные почвы можно было легко обрабатывать, для этого примитивные земледельческие орудия подходили. Эти почвы было легко орошать, поэтому они постоянно давали урожай. Однако длительные засухи, поражавшие тропические и субтропические территории, были опасны и для пойменных земель.

Практика орошаемого земледелия способствовала развитию наук, и в частности астрономии. Так, например, земледельцу Древнего Египта надо было знать и точно предсказывать сроки разлива Нила. Египтяне эти предсказания делали по положению на небе созвездий. По мнению астрономов, названия созвездий Водолей, Рыбы и другие восходят к Древнему Египту.

Геометрия родилась из потребности древних земледельцев измерять участки земли, создавать оросительные каналы.

Наши далекие предки постепенно осваивали под сельскохозяйственные культуры новые территории. При этом наиболее удобными оказывались земли, занятые лесостепями и широколиственными лесами. Лесные участки выжигали. На удобренной древесной золой земле получали несколько лет хорошие урожаи. Когда же урожаи падали, почву забрасывали в залежь и выжигали новый участок. Эта система получила в современной науке название подсечной. Она была приемлема, пока было много свободных земель. Но постепенно земель оставалось все меньше, и поэтому одни и те же поля обрабатывались постоянно.

* * *

Человечество быстро осознало свою зависимость от земли. Сознание это отразилось в мифах и легендах всех народов. Философы древности в своем стремлении понять окружающий их мир считали землю (почву) наряду с воздухом, водой и огнем одним из начал, элементов мироздания. Эти четыре «начала» были определены греческим философом Эмпедоклом в V веке до нашей эры. В индийской же философии — в Ведах эти четыре элемента окружающего мира упоминаются древним философом Уддалаки еще в X веке до нашей эры.

Перечисленные элементы составляют неживую, так называемую абиотическую, часть окружающей нас природы. Вместе с живыми организмами: микробами, растениями, животными — они образуют биологическую сферу (биосферу) Земли. И почва — один из главных компонентов биосферы.

Четыре «начала мира» изучаются человечеством очень давно. Вода, пожалуй, была первым элементом, с которого началось изучение природы. Уже в III веке до нашей эры Архимед заложил начало гидродинамики. Воздух начали изучать лишь в XVII веке. «Торричеллиева пустота», законы Паскаля и опыт Герике (знаменитые магдебургские полушария, которые, когда из них откачали воздух, не могли разнять шестнадцать лошадей) положили начало законам аэродинамики. В том же XVII веке Ньютон положил начало изучению «огня» (энергия, сила, свет — все это в равной степени подходит под понятие «огня» древних греков).

Лукреций еще во II веке до нашей эры написал: «...все зачинает земля, дождевой орошенная влагой». Лукреций же первый описал очень важное свойство почвы — поглощать, задерживать соли: «...станет морская вода, когда просочится сквозь почву, пресною...» Однако в античное время и вплоть до XIX века почву не изучали. Ученых и практиков интересовали в основном приемы ведения сельского хозяйства, и в сводке агрономических правил упоминались лишь отдельные свойства почвы, которые надо было учитывать земледельцу.

В XV—XVI веках алхимики в поисках «философского камня» выполняли черновую работу накопления первичных фактов, необходимых для построения научных теорий. Опыт одного из них, голландца Ван Гельмонта, сыграл важную роль в истории естествознания. В 1629 году Ван Гельмонт посадил в кадку, наполненную ста килограммами почвы, ветку ивы, весящую два килограмма. Через пять лет он взвесил почву, выросшее дерево и установил, что почва потеряла всего семьдесят граммов, а вес ивы возрос с двух до шестидесяти шести килограммов. Ван Гельмонт сделал вывод, что главное в питании растения — вода. В 1699 году англичанин Вудворт опроверг Ван Гельмонта, показав, что масса мяты, выращенной в дождевой воде, достигает за семьдесят семь дней семнадцати гранов, а в водопроводной воде Гайд-парка — ста тридцати девяти гранов. С прибавкой же к воде почвы урожай мяты достиг двухсот восьмидесяти четырех гранов. Но опыт Вудворта долго оставался неизвестным, и заблуждение Ван Гельмонта господствовало в науке до конца XVIII века.

И вот в конце XVIII — начале XIX века работами англичанина Пристли, голландца Ингенгауза и швейцарца Соссюра была установлена роль углекислого газа в росте растений. Был открыт фотосинтез — синтез растениями углеводов из углекислого газа и воды на свету. Интересно и поучительно проследить ход открытия фотосинтеза и то, как, казалось бы, ясная истина ускользает от весьма искушенных в науке людей. Пристли установил, что мыши, помещенные под стеклянный колпак, через непродолжительное время задыхаются и погибают. Но, если внести под колпак зеленое растение, они остаются живы. Другой знаменитый английский ученый, Шееле, повторил этот опыт, но в темноте. Мыши погибли.

Из тупика вывел Ян Ингенгауз. Он установил, что зеленое растение «улучшает» воздух только на свету (к слову сказать, это открытие не принесло ему признательности со стороны Пристли — тот стал его личным врагом и своим авторитетом немало способствовал непризнанию заслуг Ингенгауза).

Открытие фотосинтеза заложило первый камень в теорию биосферы. Пристли отметил, что животные и растения не могут существовать изолированно. Все они выполняют свою роль в жизни биосферы: растения синтезируют органическое вещество, а животные и микроорганизмы превращают его в другие вещественные формы.

Если значение воздуха в питании растений было установлено к началу XIX века, то роль почвы в этом процессе еще долго была не ясна. Те семьдесят граммов почвенной массы, которые в опыте Ван Гельмонта были «потеряны» при выращивании ивы, надолго ускользнули от внимания ученых. Им не придали значения, так как сочли очевидным, что основная масса растения создается при усвоении им углекислого газа воздуха и воды из почвы.

История науки содержит немало примеров, когда «очевидное» оказывалось «невероятным», а «невероятное» становилось «очевидным».

В начале XIX века ученые и среди них знаменитый французский агрохимик и физиолог Ж. Буссенго установили, что кроме углекислого газа растениям необходим азот. Было показано, что это вещество растения берут из почвы. Буссенго первым применил водные растворы, содержащие минеральные вещества, для выращивания растений и доказал, что растения нуждаются в азоте. Из этого опыта, казалось бы, следовал очевидный вывод: растение из почвы забирает питательные вещества, такие, как азот, калий, фосфор, и от их наличия зависит урожай.

Но земледельцам и ученым-агрономам была знакома другая «очевидность», тоже, казалось бы, подтвержденная многовековым опытом ведения сельского хозяйства. Как правило, растения лучше растут на почвах с высоким содержанием перегноя, или гумуса. Например, на черноземах, самых богатых гумусом почвах, урожай без внесения минеральных удобрений выше, чем на любых других почвах. Внесение органических удобрений, и в частности навоза, заметно увеличивает урожай. Но так как и навоз, и почвенный гумус содержат азот, то был сделан вывод: растения питаются почвенным гумусом. Такая теория была выдвинута в конце XVIII — начале XIX века немецким ученым А. Д. Тэером. Она так и называется: гумусная теория питания растений.

Тэер считал, что растения используют «гумусную слизь» и из органического вещества гумуса строят свое тело и берут все другие элементы. Поэтому Тэер предлагал перестроить систему земледелия на основе поддержания содержания гумуса в почве на постоянном уровне. Решение этой проблемы Тэер видел в «плодосмене», в чередовании сельскохозяйственных культур с разными корневыми системами. Введение плодосмена — большая заслуга Тэера.

Буссенго установил, что клевер улучшает почву, накапливая в ней азот, и в этом он видел успех плодосмена: накопившийся азот повышал урожай следующей после клевера культуры. Но потребовались огромные усилия еще одного химика — немецкого ученого Юстуса Либиха, чтобы доказать роль именно минерального питания растений. В результате открытий Буссенго и Либиха была создана наука агрохимия, и оба этих ученых считаются ее основателями.

Чтобы получить урожай, чтобы заставить растение «работать», надо его «накормить». Либих установил, что в почву необходимо вернуть те минеральные вещества, которые увезены с поля вместе с урожаем. Этот закон «возврата» и сейчас используют агрономы, планируя урожай и рассчитывая, сколько удобрений необходимо внести в почву. Либих установил также, что урожай часто зависит от того питательного элемента, который находится в минимуме.

Обычно этот «закон минимума» иллюстрируют наполненной водой бочкой, верхний край которой составлен дощечками разной высоты. Естественно, вода в такой бочке будет стоять у края самой низкой дощечки. Так и урожай — его «уровень» определяется «высотой дощечки» — содержанием отдельных элементов. Если достаточно азота, но мало калия, то, пока не добавят в почву калий, урожай не повысится и избыток азота будет лежать мертвым балластом. Этот закон был восторженно принят миром. Действительно, урожаи возросли. Повысился доход земледельцев. И вдруг рост урожаев останавливается. Не действуют дополнительные дозы удобрений. Мало того, внесение удобрений иногда даже снижает урожай растений.

Либих принял очень близко к сердцу неудачи разработанной им системы удобрений. У него наступила тяжелая душевная депрессия. Он уже не верил ни в свои силы, ни в науку. «Я хотел исправить господа бога! Я посмел поднять руку на его творение», — писал он в письмах. Но уже появились работы, которые спасли и Либиха, и агрохимию.

Скандинавский ученый Оскар Лев в середине XIX века открыл явление антагонизма ионов: отдельные химические элементы, находясь в почве или в водном растворе в избытке, препятствуют поглощению растениями других элементов. Поэтому при неправильном соотношении элементов в почве их поступление в растение может затрудняться. Вторая причина неудач Ю. Либиха заключалась в том, что он считал почву чем-то вроде простого вместилища корней — своего рода «сосуда», из которого растение черпает воду и питательные вещества. Содержится много питательных веществ - почва хороша, если мало — надо их добавить, и почва станет хорошей. И помощь Либиху и агрономии пришла именно со стороны почвоведов от вновь созданной в конце XIX века науки — почвоведения.

* * *

До 80-х годов XIX века почвой занимались геологи и агрономы. Первые считали почву верхним геологическим слоем и не видели разницы между ним и, например, черными глинами, образованными во время юрского геологического периода. Некоторые геологи считали, что чернозем — это юрская глина, которую размыли ледниковые потоки и отложили затем в степях. Агрономы же за почву принимали верхний слой земли в 30—40 сантиметров и глубже «не заглядывали». Многие исследователи изучали почву, но привел факты в систему и основал новую науку — почвоведение выдающийся русский ученый В. В. Докучаев. Дата основания новой науки, определившей развитие ряда других, смежных наук, — 1883 год, когда вышла книга В. В. Докучаева «Русский чернозем».

С точки зрения автора этих строк, который не одинок в своих заключениях, наукой занимаются научные работники и ученые. Первые собирают и накапливают факты. Они делают очень важную и нужную работу. Но обилие фактов подобно Критскому лабиринту. Нужна нить Ариадны, чтобы пробраться сквозь него. И вот тогда выступают на арену ученые. Они объединяют факты на основании теории (этой нити Ариадны), и начинается новая эра накопления фактов. Самая ценная категория ученых — это «генераторы» идей — ученые, создающие идеи. Их мало. И тем значительнее их появление, тем больше человечество может гордиться своими «звездными часами». К таким ученым и принадлежал В. В. Докучаев.

В простом нагромождении фактов Докучаев увидел систему. В верхних слоях Земли, таких разнородных по внешнему виду, он обнаружил признаки естественно-исторического тела, обладающего своими особыми свойствами, историей, законами развития. Докучаев первым установил, что в сходных природных условиях образуются сходные почвы, а в разных — разные. Докучаев определил специфическое строение почв, показал, что почвы, как и другие природные тела, имеют свой внешний вид, свою форму, или морфологию, как говорят почвоведы.

В начале развития почвоведения как науки среди внешних морфологических признаков почвы исследователи в первую очередь отмечали разный цвет верхних горизонтов, верхнего метра земли. Поэтому многие почвы на первом этапе исследований получали «цветовые» названия (черноземы, каштановые почвы, буроземы, серые лесные, сероземы, красноземы, желтоземы и т. д.). Цвет почвы — как сигнальный флажок на корабле: он дает знать, каких веществ больше всего в ее составе — железа, кальция, перегноя, марганца и др. и как они распределяются внутри почвы.

В последние годы в классификации, принятой в нашей стране, названия почвам стали давать и по другим признакам, не только цветовым. Например, введены названия: дерново-лесные, мерзлотно-таежные, вулканические слоисто-пепловые и др. Следует отметить, что Докучаев ввел в науку ряд нецветовых названий: солонцы, луговые почвы и др. Эти названия отражают специфику почвы, особенности ее строения, присутствие особых горизонтов: солонцового, сложенного столбчатыми и призмовидными структурными отдельностями, или глеевого, сизовато-синеватого от застоя в нем воды.

Докучаев показал, что горизонты — это типичные для почвы образования. Они характерны для разных почв и различаются по цвету, плотности и другим признакам. Если, например, у почвы под перегнойным, или гумусовым, горизонтом белеет мучнистый, под цвет золы, горизонт — это подзолистая почва, так широко распространенная в лесной зоне. Горизонты — диагностические признаки почв.

Исследования почвоведов всего мира выявили большое разнообразие почвенных горизонтов. Среди главных в первую очередь следует назвать гумусовые, образующиеся в поверхностных слоях почвы. До Докучаева только эти горизонты обычно называли почвой. Гумусовые горизонты окрашены в серые и серовато-бурые тона, в них накапливается гумус, поэтому их называют гумусово-аккумулятивными горизонтами. Под гумусовыми могут формироваться так называемые элювиальные горизонты, или горизонты вымывания в одних почвах и переходные в других. Элювиальные обычно отмыты от железа, они более светлого тона, чем другие горизонты. Под элювиальными обычно образуются иллювиальные горизонты, куда приносятся соединения и вещества, вымытые из элювиального горизонта.

Переходные горизонты, как это видно из названия, сохраняют наряду с признаками почвообразования и признаки почвообразующей породы. Есть горизонты, где скапливаются разные соединения: карбонаты, гипс, соли натрия, есть солонцовые, слитые и т. д. Но именно наличие этих специфических образований — горизонтов и позволяет считать почву самостоятельным природным телом.

* * *

Выдающийся советский ученый В. И. Вернадский выделял в биосфере природные тела трех типов: живые, неживые (или косные) и биокосные, объединяющие свойства живых и неживых тел. К живым телам, как это совершенно ясно, относятся животные, растения, микроорганизмы. Косные тела биосферы — это в первую очередь горные породы, верхние слои атмосферы, частично — подземные, или грунтовые, воды. К биокосным телам Вернадский относил почву, формирование и существование которой — следствие, продукт взаимодействия живых и косных тел, живых организмов и горных пород. К биокосным телам относят также часть природных вод: моря, озера, реки, пруды, некоторые грунтовые воды, являющиеся, по выражению академика Г. Н. Высоцкого, ареной жизни. Почва в биосфере играет особую роль — она переходное звено из мира живой в мир неживой природы, из биосферы в геосферу.

Горные породы содержат те же самые элементы, которые нужны растениям (кроме азота, которого в большинстве горных пород нет). Но эти элементы хранятся там, как в сейфе, от которого потерян ключ. Растения-пионеры — лишайники, мхи, водоросли, поселяющиеся на горных породах, разрушают их и превращают в почву. Они открывают «сейф» для других растений. И почва начинает жить. Трупы животных, растительные остатки — все в почве превращается в питательные вещества для растений.

Горная порода остается такой же, какой она образовалась в результате излияния магмы и преобразования при высоком давлении и соответствующих температурах, или выветривается, превращаясь в другую горную породу. Помещенная в музей горная порода не меняется.