Зеркало ландшафта

Судьба образовавшейся из геологической породы почвы может сложиться по-разному. Она может очень долго существовать и развиваться на месте своего образования без видимых перемещений отдельных ее частей, без перемешивания. Но может случиться так, что по какой-либо причине почва будет повреждена. Человек выроет траншею, ветер выворотит дерево — перемешиваются почвенные слои. Но проходит сто — двести лет, и в естественных условиях на том же месте восстанавливается та же почва. Происходит как бы ее регенерация (как восстановление оторванного хвоста у ящерицы).

Часто около нефтебаз и бензозаправочных станций, возле нефтепромыслов мы встречаем бесплодные пустыри. Это «мертвая» почва, убитая нефтью и керосином. На городских свалках железо, кирпичи, строительный мусор тоже убивают почву. И хотя морфология почвы, ее горизонты как будто не нарушены, погибло, отравлено ее живое начало — микробы и беспозвоночные животные. В ней нет уже обмена, круговорота веществ, следовательно, нет жизни.

Истинно полноценной почву можно считать лишь в природных условиях, пока на ней растут растения, а в ней живут животные, включая беспозвоночных, личинок насекомых и др. В почве непрерывно происходят движение воды, превращение органических остатков, потребление и пополнение питательных веществ. Почва живет, пока она находится там, где образовалась, пока на ней растут растения. В музее мы увидим «чучело» почвы, так как одно из главных ее свойств — плодородие. Когда она лишается этого свойства, то умирает.

Намечается аналогия между почвой и живыми организмами: у почвы есть «рождение», есть «смерть», есть онтогенез — развитие определенного индивида и филогенез — развитие почвенного покрова какой-либо природной зоны в целом. И это в корне отличает почву от всех неживых тел. Онтогенез почвы можно увидеть довольно часто: на отвалах горных пород, на брустверах старых окопов, на стенах древних построек (старые крепости, церкви). Всюду, где поселяется растение, начинается почвообразование. Сначала почва представляет собой маломощный слой перегноя, затем образуется типичная для данной местности почва. Так, на известняках, из которых сложены стены Староладожской крепости, построенной более восьмисот лет назад, образовались черноземные почвы.

Пока существует данная климатическая зона, пока в природе нет серьезных катаклизмов, например извержений вулканов с погребением почв или наступления ледника, резкого изменения климата, вновь рождающаяся почва однотипна с другими почвами этой зоны. Но если изменится климат, а вместе с ним и растительность, то изменится и почва. И новая почва будет отличаться от старой, да и сама старая почва постепенно начнет эволюционировать в сторону новой.

В третичный период и частично в четвертичный на территории Евразии господствовал субтропический климат. Леса из гигантских папоротников росли даже в Арктике. Под этими лесами образовывались красноземы и перегнойно-болотные почвы. Когда наступил ледниковый период, то резкое похолодание вызвало изменение живых организмов и вместе с ним изменилась почва. И на смену красноземам пришли другие почвы. Так, например, в Кулунде на красноцветной коре выветривания — реликте третичного периода и третичных почв — образовались каштановые почвы.

Эволюцию почв можно наблюдать при вмешательстве человека. При этом деятельность человека соизмерима с влиянием всех других факторов почвообразования. Если в естественных условиях смена почвы сопряжена в первую очередь с изменением климатических или гидрологических условий (уровня залегания грунтовых вод, степени дренированности территории), то использование почвы человеком может привести к ее изменению и при постоянстве других факторов. Правильная, культурная обработка почв (постоянное внесение удобрений, в том числе навоза, глубокая вспашка и т. д.) приводит к тому, что обедненные гумусом подзолистые почвы превращаются в более богатые дерновые (черноземовидные окультуренные). Таких почв до середины XIX века было много в районах старой земледельческой культуры западной части России, в том числе в лесной зоне. Но земледельцы стали интенсивно осваивать черноземы, и лесные почвы потеряли свое значение как производители товарного зерна. Пахотные, окультуренные земли стали забрасывать под леса, и через двадцать — тридцать лет черноземовидные почвы вновь начали превращаться в подзолистые. Таким образом, изменившиеся условия существования приводят к эволюции почв, как и к эволюции живых организмов.

Интересно отметить еще такую связь между почвой и растениями: первыми на земле появились низшие растения — грибы, мхи и прочее и лишь потом цветковые растения. Поскольку горные породы, как изверженные, так и переотложенные — осадочные, обладали щелочной или по крайней мере нейтральной реакцией среды, то многие низшие растения выработали у себя приспособительную способность резко подкислять почвы, очевидно, для перевода необходимого количества минеральных веществ в растворимую и усвояемую растениями форму. А пришедшие к ним на смену цветковые растения развивались на уже подкисленной почве и выработали в себе соответствующую «привычку» к таким условиям. Сейчас мхи и лишайники часто первыми поселяются на разных геологических породах и сильно их подкисляют. А цветковые растения, как правило, способствуют гумусонакоплению.

Жизнь в почве немыслима без воды. Без нее невозможно ни образование, ни существование почв. Большинство горных пород плохо смачивается водой. Они как камни на морском берегу: только набежала вода, смочила их, и вот они уже сухие. Прошел дождь, смочил гранит, и по трещинам вода просочилась вглубь или стекла по склону. И снова гранит стал сухим. А почва — это система всевозможных пор, каналов, пустот. И вода, попадая в почву, задерживается в ее порах, как в резервуаре, из которого растения ее постепенно используют. Даже в среднеевропейской лесной зоне, где, казалось бы, дожди не редкость, многие ручейки к августу пересыхают. Иногда высыхают даже пруды. А в почве по-прежнему есть вода. Она и поддерживает существование растений.

Как уже отмечалось, забирая из почвы пищу и воду, растения одновременно изменяют ее. Иногда под их влиянием в почве образуются ядовитые для некоторых растений вещества. Но почва приходит на помощь растениям. Она обладает одним важным свойством — буферностью. Когда прыгуны в высоту преодолевают планку на высоте двух метров, то для мягкого приземления с другой стороны планки кладут поролоновые маты. Это буфер, который предохраняет спортсмена от травмы. Составляющие почву минералы и микробы служат буфером, предохраняющим ее от быстрого изменения. При неразумном вмешательстве человека могут резко ухудшиться почвенные свойства, даже если дать ей питательные вещества.

Так случилось у Либиха: внесение удобрений без учета свойств привело к «отравлению» почвы. Потом постепенно она «оправилась», но долгое время урожаи были низкими. Профессор МГУ Е. П. Троицкий говорил: «Нет вредных веществ, есть вредные концентрации». Аналогично высказывался известный химик и врач Парацельс. Он говорил, что все может быть и ядом, и лекарством — это зависит от дозы. Мы знаем множество случаев отравления людей лекарствами, принятыми в повышенной дозе. Подобное происходит и с почвой. Избыток в ней даже полезных для растений веществ может оказаться ядом для микроорганизмов и растений. Почва не успевает «переварить» эти вещества, перевести их в «удобную» для растения форму, и они могут погибнуть. Поэтому изучение свойств почв — обязательное условие земледелия, без их знания нельзя повысить урожаи.

* * *

Почва как живой организм имеет свой возраст, поэтому ее называют историческим телом.

Сто тысяч лет назад на нашей планете начался ледниковый период. Ледник, наступавший из Скандинавии, уничтожил все существовавшие до него ландшафты. Несколько раз ледник отступал и снова наступал, а в межледниковые периоды вновь развивался растительный покров и образовывались почвы. Но новая стадия оледенения приводила к гибели ландшафтов межледниковья. Еще сейчас в обнаженных карьерах встречаются погребенные более поздними наносами почвы межледниковых стадий.

Одиннадцать тысяч лет назад кончился ледниковый период. Ледник растаял. На многих территориях, и в частности на Восточно-Европейской равнине, после таяния ледника были переотложены принесенные ледником пески, суглинки, глины. На этих породах поселились растения, образовались почвы. И вот уже одиннадцать тысяч лет существует здесь почвенный покров и столько - же лет в отдельных местах рождаются и умирают почвы. Например, сто пятьдесят лет растет на одном месте сосна или ель. Приходит время, и дерево падает, выворачивая с корнями почву. Образуется яма, на дневную поверхность выходят нижние горизонты почвы, а иногда так называемая материнская порода, из которой почва образовалась. Постепенно яма зарастает, в ней поселяются новое дерево или другие растения, и через несколько десятков лет образуется такая же (или почти такая же) почва.

Почвенный покров существует столько, сколько существует данный ландшафт. А отдельные участки почвы, или, как их называют, почвенные индивиды, из которых состоит и почвенный покров, живут сто — двести лет.

Так как почва «смертна», то неправильное ведение хозяйства может ускорить эту смерть. Вспахивая почву, мы разрыхляем верхний, богатый питательными веществами горизонт. При определенных условиях, например сухая ветреная весна, его легко может развеять ветер и снести вода. Начнется эрозия, этот страшный бич сельского хозяйства. Подсчитано, что ежегодно в реки, озера и моря сносится из почвы столько питательных веществ, сколько вырабатывают все заводы мира, производящие минеральные удобрения, за десять лет, Правильная организация территории, разумная система земледелия — вот лучшие лекарства от эрозии.

Для борьбы с насекомыми и сорняками часто применяют яды, казалось бы безвредные для возделываемых растений. Но к сожалению, вместе с вредными насекомыми часто гибнут и полезные. Кроме того, яды могут накапливаться в почве и водоемах, перейти в растения и в конечном счете в пищу человека (известен такой пример: многолетнее применение ядов в садах Голландии привело к накоплению в почве, а затем и в плодах мышьяка). Некоторые химикаты, давая большую прибавку в урожае, могут препятствовать синтезу витаминов в растениях.

Восемь тысяч лет человек обрабатывает почву. Но только сто лет ученые детально изучают ее свойства. И они многого достигли. Знание почв позволило намного повысить урожай культур, и в частности пшеницы (с 5—7 центнеров с гектара в начале XIX века до 20—40 центнеров с гектара в наше время). Но способы обработки почвы за это время изменились не так уж сильно. Остался тот же принцип — вспашка земли.

Надо сказать, что обработка почв до сих пор еще теоретически обоснована недостаточно. Мы знаем, что у почвы есть так называемое состояние спелости, когда она содержит достаточное количество воды и прогрета солнцем. Такая почва готова для обработки. Но спелость — состояние мимолетное. Иногда оно длится буквально несколько часов. И подобно тому как груша несъедобна в недозрелом и перезрелом состояниях, так и почва не годится в обработку, если она «неспелая» или «переспелая».

Если учесть, что каждый год человечество переворачивает при вспашке гору земли объемом с Эльбрус, то станет понятной забота о новых методах обработки почвы. Нас уже не устраивает дедовская скорость вспашки 8—10 км/час. Но повышение скорости требует изменения почвообрабатывающих орудий. Наверное, решение этого вопроса лежит в поисках совершенно новых форм и методов обработки.

В научной литературе обсуждаются различные новые способы обработки почв. Это и применение специальных дисковых плугов, и разрыхление почвы жидким воздухом (жидкий воздух накачивают в верхний слой почвы, он нагревается, расширяется и разрыхляет почву), и некоторые другие.

Ультразвук способен быстро разрыхлять почву, но одновременно способен убить ее живое население: микробов, червей. Однако, зная характер связей между животными, растениями и почвой, можно уже после обработки внести в почву нужные микроорганизмы и соответствующих животных. Возможно, уже в ближайшем будущем «задействуют» биологические станции, на которых будут разводить фауну и флору, необходимые для данных почв и данных культур: пшеничных, овощных и т. д. Увеличение скорости выветривания почвенных минералов с помощью внесения живых организмов, ферментов или других катализаторов также может быть совершенно новым способом обработки.

В связи с интенсификацией сельского хозяйства в ряде стран получили применение искусственные почво-смеси в парниках и теплицах, а также гидропоника.

Теоретически возможны многоэтажные оранжереи с искусственным освещением. Но какая среда будет играть роль искусственной почвы? Водный раствор? Он удобен, но годится не для всех культур. Кроме того, почва должна быть достаточно буферна к воздействию растений, обладать способностью «саморегулировки». И может оказаться, что проблема создания искусственной почвы окажется аналогичной проблеме создания искусственного «человека-робота».

Есть минерал перлит, который при сильном нагревании увеличивает свой объем, а следовательно, количество пор, влагоемкость, буферность. Искусственные перлитовые почвы с успехом применяют в Болгарии для выращивания роз и табака. Но точно такие же легкие и пористые почвы формируются на Камчатке на вулканическом пепле. Так что иногда лучшая искусственная почва оказывается в какой-то мере имитацией естественной.

В наше время в обиход вошел термин «зеленая революция», связанный с резким повышением урожаев на основе селекции новых сортов пшеницы, главным образом в Индии и Мексике, а также в других странах. Однако во всем мире стоит вопрос об интенсификации сельского хозяйства. И поскольку урожай определяется количеством воды и пищи, поступающим в растение, то, чем богаче питательными веществами почва, тем меньше нужная растению площадь питания и тем больше растений вырастает на данной площади (все та же задача, поставленная Д. Свифтом: вырастить два колоса там, где раньше рос один). Почва должна обеспечить появление всходов, дальнейший их рост, снабжение их водой и пищей. Вся предпосевная и послепосевная обработка сводится к решению этих задач. Мы пашем, боронуем, прикатываем почву, чтобы облегчить появление всходов. На практике из полутора-двух центнеров на одном гектаре семян всходит лишь пятьдесят процентов. Остальные гибнут. Поедают их мыши и суслики, склевывают птицы. Но значительная часть их гибнет из-за корки, образовавшейся на поверхности почвы, оседания почвы и связанного с ним разрыва корней, «выпирания» проростков из почвы в результате ее набухания. Плотная корка особенно часто бывает причиной гибели семян и проростков. Всходы, не сумев ее пробить, задыхаются и гибнут. На хорошо «оструктуренных» почвах, состоящих из мелких прочных комков, размером 1—3 мм, например черноземах, корка не образуется.

Еще в 30-х годах нашего века было предложено оструктуривать химически самый верхний слой почвы, чтобы не образовывалась корка. Агрофизики ленинградской школы академика А. Ф. Иоффе рекомендовали вносить в почву органический клей — полимер, который склеивал бы частицы и создавал нужную структуру почвы. К сожалению, в то время некоторые ученые встретили эту идею в штыки. Но впоследствии бурное развитие химии определило появление ряда веществ-полимеров (полиакриаламидов и др.), которые оправдали надежды ученых и позволили осгруктуривать верхний слой почвы.

Мало того, новые полимеры позволили заняться улучшением всего корнеобитаемого слоя почв. Особенно это важно на периодически переувлажненных почвах, обычно глинистых, плохо впитывающих воду. Обычное средство борьбы с избыточным увлажнением — дренаж. Чтобы повысить устойчивость дрен, ведутся опыты по оструктуриванию почвы вблизи дрен.

Искусственное оструктуривание почв полимерами применяют также при поливах. В этом случае задача та же самая — увеличить впитывание воды в почву. Оструктуривание почвы приводит к резкому уменьшению ирригационной эрозии, особенно на таких почвах, как сероземы.

Н. А. Качинский любил говорить, что «культурная почва — это структурная почва». В этих словах скрыт большой смысл.

Известно, что на юге черноземной зоны, а также в сухих субтропиках и тропиках, встречаются глинистые слитые почвы. Они очень плотные, бесструктурные, требуют больших усилий при обработке. Растения на них угнетены. Однако такие же глинистые почвы речных долин низкогорий Алтая, обладающие водопрочной зернистой структурой, очень плодородны.

Возможно, что внесение полимеров и искусственное оструктуривание почв в конечном итоге окажутся самым действенным средством повышения плодородия почвы.

Таким образом, используя природные процессы, но направляя их с нужной скоростью и в нужном направлении, можно добиться улучшения почвы и соответственно резкого увеличения урожаев.

Почвы и биогеоценоз

Мы наблюдаем теснейшее взаимодействие и полное содружество

мира органического и мира неорганического.

В. В. Докучаев

Полное содружество органического и неорганического мира

Докучаевское определение почвы как естественного тела, образовавшегося под воздействием климата и живых организмов на геологической породе, стало началом не только науки о почвах. Установленная Докучаевым связь между живыми и неживыми компонентами природы имела большое значение для развития таких научных дисциплин, как ландшафтоведение, биогеоценология, биогеохимия. Краеугольное понятие всех перечисленных наук — представление о биосфере. Ее определение, как уже отмечалось, было дано академиком В. И. Вернадским. Биосфера — это часть литосферы, гидросферы и атмосферы, где распространена жизнь, где существует живое вещество. В этих трех структурных элементах биосферы центральным звеном является почва. По почве выделяются ландшафты. Элементарный ландшафт — это участок суши, представленный одной почвой или комбинацией почв.

Академик Г. Н. Высоцкий в начале XX века обратил внимание, что свойства почвы зависят от ее положения в рельефе. Скажем, на вершине водораздела свойства одни, на его склоне и нижней части склона — несколько иные. На вершине водораздела развиваются «независимые», «автономные» почвы, в которых нет дополнительного, кроме осадков, притока влаги, нет привноса ила или химических веществ, смытых и вымытых из других почв. В северных степях водоразделы заняты черноземами, в лесной зоне — подзолами и дерново-подзолистыми почвами. На склонах водоразделов профиль почвы искажается из-за сноса, смыва верхних горизонтов. Поэтому у черноземов на склоне меньше мощность гумусовых горизонтов, ближе к поверхности подходит слой карбонатов (солей кальция и угольной кислоты, образующих в почве скопления разной формы в виде налета, прожилок, округлых образований — «белоглазки»). Эти почвы как бы переходные, их образование связано с переносом материала, со смывом его, иными словами, они подчинены почвам водораздела. В нижних частях склонов, где они выполаживаются, снесенный материал образует наносные почвы, еще более подчиненные почвам водоразделов и склонов. Перераспределение материала в ландшафте приводит к тому, что в пределах этой природной системы образуется цепь — ряд почв, названных английским ученым А. Милном катеной (от английского catena — «цепь, ряд»).

Почвы и биогеоценоз

Роль почвы в ландшафте очень важна: она замедляет вынос веществ за пределы ландшафта, переводя сток воды по поверхности во внутрипочвенный сток. При этом почва как фильтр может задерживать часть веществ.

Кроме того, в связи с неодинаковой растворимостью выносимых веществ они задерживаются в пределах ландшафта в его разных частях, что может привести к выделению в географическом ландшафте серии геохимических ландшафтов. Например, водораздел — область выноса кальция из почв, а подошва склона — область его накопления, осаждения.

Но сам ландшафт также состоит из ряда природных, или экологических, систем, включая биогеоценозы. В понятии «экологическая система» подразумевается сочетание живого организма и среды его обитания, система «организм — экологические условия его жизни». Простейшими экосистемами можно считать каплю воды с микроорганизмами и ствол дерева с растущими на нем лишайниками, клеща, впившегося в кожу лося, и самого лося в осиннике. Биосферу можно рассматривать как глобальную экосистему.

В зависимости от среды обитания выделяют экосистемы, в которых организмы обитают на живых же организмах: клещ на коже собаки, лишайник на дереве. Их можно назвать биогенными, порожденными живыми организмами. Другие экосистемы представляют собой развитие организмов на субстрате органического и неорганического происхождения. К первым относятся подрост ели на упавшем стволе дерева, личинки жука могильщика в теле умершего крота, растения на отложениях мохового торфа. В зависимости от организатора системы (живого организма, обитающего в данной среде) можно выделить экосистемы растительные, животные, микробиологические. В биогенных экосистемах средой для живых организмов могут быть также растения, животные, микроорганизмы. Особую группу составляют экосистемы, в которых экологической средой являются субстраты неорганического происхождения: атмосфера, вода, почва. Все эти экосистемы — биокосные, так как живые организмы в косном, неорганическом субстрате производят определенные преобразования, превращая их в биокосные природные тела.

Простые экосистемы объединяются в более сложные. Например, система «микроорганизм — личинка овода» входит в состав системы «лось — личинка овода — микроорганизм», а последняя входит в систему «еловый лес». Таким образом, на каком-то уровне любая биогенная или органогенная экосистема войдет в состав более сложной и обязательно биокосной экосистемы. И на определенном уровне в состав такой наземной экосистемы обязательно включается почва.

Биокосную экосистему в границах одного растительного сообщества на специфичном для него почвенном покрове, включающую характерный животный мир, в науке называют биогеоценозом (БГЦ). Если для простых экосистем размеры и продолжительность жизни ограниченны, то биогеоценозы могут существовать несколько лет и достигать площади не менее нескольких гектаров. Устойчивость во времени и постоянство состава, строения, структуры биогеоценоза как основной пространственной единицы организации биосферы и позволили выделить его как отдельный организационный уровень экосистем.

Биогеоценоз — это экосистема, практически включающая все виды простых экосистем. Наземные биогеоценозы состоят из растений, животных, микроорганизмов, почвы, водных растворов, воздуха. Связи между всеми этими компонентами проходят через почву. Особенно это относится к связям между растениями и животными. Растения поглощают минеральные вещества из почвы и, используя энергию солнца, с помощью хлорофилла из воды и углекислого газа из воздуха синтезируют сахара и крахмал. Из этих органических веществ с добавлением азота, полученного растениями из почвы, синтезируются белки, аминокислоты и множество других соединений, необходимых растениям для жизни. Микроэлементы, поглощенные из почвы, частично входят в ферменты, участвующие во всех биохимических реакциях в растениях. Насекомые и травоядные животные поедают растения и преобразуют органическое вещество растений в органическое вещество своего тела. Птицы едят насекомых, хищники едят и птиц, и травоядных животных. Хищники тоже могут стать жертвой другого животного (также хищника).

В результате деятельности животных органическое вещество разрушается до более простых соединений, в том числе и до углекислого газа и воды. Минеральные вещества, прошедшие весь цикл от растения до животного, тоже поступают в почву, освободившись из органического вещества. Из почвы углекислый газ выделяется в атмосферу, где он перехватывается растениями, а освободившиеся минеральные вещества поглощаются корнями растений. Круг замыкается.

В процессе всего этого круговорота фитомасса сначала превращается в зоомассу, а последняя разрушается до простых соединений и снова превращается в фитомассу, частично в микробную массу, а частично переходит в почвенный гумус. Превращение биомассы непрерывно сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа в результате дыхания животных и растений. Часть биомассы может надолго законсервироваться в виде гумуса или болотного торфа. Поступая в почву, органические вещества увеличивают растворимость многих почвенных соединений, изменяют свойства почвы — ее структуру, водопроницаемость, способность фиксировать из воздуха азот, конечно, с помощью микроорганизмов.

Вся цепь превращений органических веществ от растений к разного вида животным — это так называемая трофическая, или пищевая, цепь. Каждый живой организм в процессе питания преобразует органическое вещество и передает его дальше по цепи. Почва — начало и конец, альфа и омега трофической цепи в биогеоценозе, начало и конец природного круговорота. Почва помогает веществам и элементам, потребленным животными, снова включиться в природный круговорот. При этом почва помогает таким веществам вступить в биологический круговорот на одном из самых важных участков цепи: в звене почва — растение.

Итак, почва как бы замыкает на себя часть связей между животными и растениями, не только играя роль арены, где разыгрываются сцены жизни, но и являясь также преобразователем вещества разного происхождения в усвояемые для растений формы соединений.

Изучением связей между компонентами биосферы, следовательно, биогеоценоза занимается наука биогеоценология. Ее основы были заложены трудами таких ученых, как В. В. Докучаев, В. Н. Сукачев, В. И. Вернадский, Г. Ф. Морозов, Л. Г. Раменский. Отличие биогеоценологии от экологии в том, что экология изучает более простые экосистемы: отдельные организмы, отдельные популяции живых и растительных организмов. Биогеоценология изучает весь биогеоценоз в целом.

Велика сложность биогеоценоза. Огромное число участников этой системы с многочисленными трофическими цепями усложняют строение и существование биогеоценоза. Как всем биологическим системам, биогеоценозу свойственна саморегуляция. Например, расплодившиеся лоси уничтожают молодую поросль сосны. В естественных условиях поголовье лосей регулируется количеством волков. Стало лосей больше — количество волков увеличивается и сокращает поголовье лосей. Лосей стало меньше — часть волков покидает биогеоценоз. В естественных условиях численность особей одного вида в среднем колеблется около какого-то равновесного для данного биогеоценоза значения. Каждый вид в биогеоценозе занимает, как говорят экологи, свою экологическую нишу. Поэтому и волк, и лось способствуют совместными, хотя, конечно, непреднамеренными усилиями формированию данного типа биогеоценоза (конечно, наряду с другими факторами).

Итак, любой живой участник биогеоценоза полезен, если он находится в норме. Избыток его численности может привести к гибели если не всего, то части биогеоценоза, и, наоборот, исчезновение какого-нибудь вида также может нанести вред биогеоценозу. Например, можно представить такую картину. Исчезли в лесу лисы — расплодились зайцы и мыши. Среди них сохраняются и слабые, и больные, которые раньше шли на обед хищникам. Зайцы обгладывают деревья, губят лес — словом, подрывают свою «кормовую базу». Накопление же больных особей может привести к эпизоотии среди зайцев и даже к гибели данной популяции («населения» зайцев в биогеоценозе). Если же врагов у данного вида не окажется, то он может коренным образом изменить биогеоценоз.

Животные меняют растительный покров, это изменение приводит к замене одних свойств почвы другими Однако среди динамичных, быстро меняющихся компонентов биогеоценоза почва — один из самых консервативных. Изменение состава растений и животных сказывается на почве, но часто это проявляется лишь в колебании содержания гумуса, кислотности, запаса питательных веществ. При этом сам тип почвенного покрова может сохраниться полностью.

Консервативность почвы как компонента биогеоценоза определяет его буферную роль в нем, о которой уже говорилось раньше. Почва способствует сохранению данного типа биогеоценоза, причем даже после длительных рекреационных нагрузок. Она хранит семена всех растений, составляющих биогеоценоз. Эти семена иногда хранятся по нескольку лет, но наступает момент, и они прорастают, восстанавливая нарушенный по какой-либо причине растительный покров.

Обладая определенной влагоемкостью (способностью удерживать воду) и теплоемкостью, почва часто регулирует тепловой и водный режимы в биогеоценозе, сохраняя для растений возможность выдерживать неблагоприятные колебания погоды.

Почва удерживает питательные вещества от выноса за пределы корнеобитаемого слоя, что также позволяет регулировать жизнь биогеоценоза.

Почва — убежище для многих животных, и это одна из важных ее биогеоценотических функций.

Биогеоценотическая роль почвы проявляется также в разрушении вредных токсических веществ, образующихся в биогеоценозе в течение его жизни.

Велика геохимическая роль почвы, ее значение как геохимического экрана. Это свойство особенно привлекает внимание исследователей в последнее время в связи с проблемами загрязнения ландшафтов тяжелыми металлами, такими, как свинец, ртуть и пр.

Хотя почва — консервативный элемент биогеоценоза, она тем не менее постоянно изменяется под влиянием животных и растений. Поселяясь на почве, растения влияют на многие ее свойства. Корни растений создают в почве определенную сеть пор, скважность. Поровое пространство почв представлено порами разного размера и формы, капиллярами разного диаметра. В зависимости от вида растения и характера его корневой системы меняется соотношение пор: камер и капилляров разного диаметра. Следовательно, меняются плотность почвы, ее влагоемкость. Растения действуют не только на физические свойства почвы, они влияют на ее химический состав. Как уже говорилось, растения могут подкислять почву, например мхи, хвощи, и подщелачивать ее, как это делает саксаул. Опад саксаула богат кальцием и натрием и обогащает солями этих элементов приствольные круги. Почва около стволов становится щелочной и содержит повышенное количество солей.

О влиянии животных на почву уже говорилось: они перерывают почву, удобряют ее, изменяют растительный покров и так далее. Подробнее их роль будет показана в следующих главах.

Надо отметить также огромную роль микроорганизмов в жизни биогеоценоза и почвы. Есть микроорганизмы, которые живут свободно в почве, например, так называемый азотобактер, а есть живущие на. корнях некоторых растений: клевера, люцерны, ольхи — это так называемые клубеньковые бактерии. Все они могут усваивать азот непосредственно из воздуха и преобразовывать его в разные азотсодержащие органические соединения. Эти микроорганизмы — основной источник азота в почве, а следовательно, и в биогеоценозах.

В результате многих тысячелетий почвообразования в почвах накопились достаточно высокие запасы азота. Часть его ежегодно потребляется растениями, а затем из растений усваивается животными. Часть также ежегодно возвращается в почву с спадом, с выделениями животных и т. д. Но так или иначе весь азот, который сейчас находится в круговороте в биогеоценозе, своим происхождением обязан микроорганизмам. И обогащения почвы азотом можно добиться, внося в нее минеральные и органические удобрения, содержащие азот, или же улучшив условия жизни азотфиксирующих организмов.

В почве микроорганизмы обычно обитают на поверхности почвенных частиц, они как бы прикреплены к почвенным частицам, приклеены, сорбированы, и почва предохраняет их от резких перепадов температуры и влажности.

Есть еще одна динамичная особенность почвы: изменение ее свойств под влиянием суточных, сезонных и многолетних изменений погоды и климата. Так, в течение суток резко меняется выделение из почвы углекислого газа. Утром оно может измеряться одним-двумя килограммами на один гектар в течение часа, а днем — шестью-семью килограммами.

Меняется в течение суток и влажность почвы, особенно ее верхних горизонтов. Часто эти изменения связаны с суточными колебаниями температуры. Для многих почв характерна высокая влажность в начале весны, сильное иссушение в летние месяцы и медленное восстановление запасов воды в осенне-зимне-весенний период. Такое изменение влажности естественно связано с интенсивным расходом воды растениями в летние месяцы. Наибольший расход обычно приурочен к максимальному росту растений. Иногда воды, запасенной в почве, растениям не хватает, и они гибнут.

Колеблется в течение сезона также содержание доступных растению питательных элементов, но динамика их отличается от динамики воды. Например, содержание фосфора и калия в зимние месяцы держится на одном сравнительно невысоком уровне (имеются в виду доступные растениям формы соединений этих элементов). При увеличении температуры их количество резко возрастает. Обычно в средней полосе северного полушария это происходит в начале апреля. В течение лета отмечается несколько пиков в содержании питательных элементов, что связано с ритмами потребления, свойственными растениям.

Таким образом, цикличность многих процессов в природе сопровождается цикличностью в изменении свойств почв. Но чаще эта цикличность напоминает не круг, а спираль. И изменения в свойствах почв могут постепенно накапливаться, могут постепенно изменяться содержание разных питательных веществ в почве и другие ее свойства.

Итак, почва в биогеоценозе, определяющая жизнь многих растений и животных, но и сама зависящая от них, — причина и следствие биогеоценотических процессов.

Почва прямо и косвенно усваивает энергию солнца. Прямо — при прямом нагревании, поступлении осадков, косвенно — через деятельность растений и животных. Эта энергия частично снова передается растениям, которые снова пополняют запасы ее в результате фотосинтеза. По пищевой цепи энергия (конечно, и вещество) поступает от растений к другим организмам, постепенно преобразуясь, пока снова не попадет в почву. И в этом одна из важнейших функций почвы в биогеоценозе. Обмен веществ, энергии — основное свойство биогеоценоза, такое же характерное, как обмен веществ для живых организмов.

В нарисованной схематической картине жизни биогеоценоза опущено много деталей, так как важно было проследить роль почвы в этой жизни. Следует сказать, что многообразие и важность функций почвы в биогеоценозе давно установлены почвоведами. Вскрыто много интересных фактов, и в частности роль почвы в предотвращении самопроизвольной гибели биогеоценозов. Во многих случаях почва явно способствует поселению и восстановлению определенных биогеоценозов со свойственным им набором растений и животных. Поэтому и уделяется сейчас так много внимания роли почвы в биогеоценозе. Поэтому так тесно связаны между собой почвоведение и биогеоценология.

В последнее время все большее значение придается биогеохимии почв. Всевозможные органические и минеральные соединения мигрируют в почве. Часть их перераспределяется в пределах катены, часть вымывается за пределы данного ландшафта (например, кальций из водораздельных почв, как об этом уже говорилось). Роль почвы в качестве планетарного фильтра и перераспределителя веществ все более привлекает внимание исследователей, поэтому и биогеохимия также тесно увязывает свои исследования с почвоведением. Такая многообразная роль почвы требует и разработки самых разных приемов ее изучения.

Можно сказать еще об одной очень важной функции биогеоценоза - его роли в эволюции растений, животных и микроорганизмов. Их эволюция идет только в биогеоценозе. Только в этой природной системе происходит естественный отбор видов и особей. В то же время не исключено, что почва - естественный хранитель разных мутагенов - химических веществ, способствующих мутациям в живых организмах. К сожалению, эта роль почвы как компонента биогеоценоза еще недостаточно изучена.

Чернозем, гумус и плодородие почвы

Зреет рожь под жаркой нивой,

И от нивы и до нивы

Гонит ветер прихотливый

Золотые переливы

А. А. Фет

Зреет рожь под жаркой нивой

Младший редактор статистического отдела Министерства государственных имуществ В. И. Чаславский в 1875 году принял одно важное решение, обеспечившее ему известность. Он пригласил принять участие в работе над картой русского чернозема В. В. Докучаева, тогда еще магистра геологии и минералогии, а затем приват-доцента Санкт-Петербургского университета.

В. И. Чаславский составлял, как велось еще со времен Ивана Грозного и Бориса Годунова, почвенную карту европейской части России опросным методом. Он разослал по губерниям Российской империи вопросники и на основании полученных ответов собирался составить карту русского чернозема. В 1878 году Чаславский скоропостижно умер, и окончательный вариант карты был составлен уже В. В. Докучаевым, который свел воедино все материалы. Карта была выпущена в свет и получила название карты Чаславского. Это была последняя карта распространения чернозема, сделанная опросным методом. В. В. Докучаев, работая с материалами, увидел всю неполноту ответов губернских чиновников. Выявились разночтения. Часто под одним названием объединяли самые разные почвы. Так, к черноземам некоторые относили болотно-перегнойные почвы Архангельской губернии. Поэтому уже после окончания работы над картой В. В. Докучаев организовал экспедицию для изучения черноземов, итоги которой были опубликованы в монографии «Русский чернозем». Во время своих экспедиций, или, как называл сам В. В. Докучаев, экскурсий, он убедился, что «в одних уголках России под словом чернозем разумеют всякую растительную почву, особенно если она навозная, в других — вообще почвы, окрашенные в темный цвет», в третьих — это название «дают таким почвам, независимо от цвета, которые приносят вообще хорошие урожаи». На разных почвенных картах к чернозему относили все черное с поверхности — от луговых и болотных почв Архангельской губернии до «черных земель» Астраханской губернии. Эта вековая путаница была наконец разгадана В. В. Докучаевым.

Чернозем, гумус и плодородие почвы

В течение летних месяцев 1877 и 1878 годов Докучаев проделал на телеге более десяти тысяч верст. Он собрал огромный фактический материал, выявил границу распространения черноземов в пределах европейской части России. Коллекция образцов почв была проанализирована в лучших химических лабораториях России (у Д. И. Менделеева, К. Шмидта — профессора Дерптского университета). Результаты экспедиции Докучаева заставили многих естествоиспытателей пересмотреть свои взгляды на природные процессы, так как была сформулирована общая связь явлений в природе. Было показано, что результат этой связи — чернозем — создание степных растений в условиях степного климата. Книга Докучаева «Русский чернозем» дала в руки исследователей новые методы изучения и картирования почв, оценки их в целях сельскохозяйственного использования.

Собранные Докучаевым образцы почв, дополненные образцами из других, нечерноземных губерний, были показаны на Всероссийской промышленно-художественной выставке в Москве в 1882 году и на Всемирной выставке в Париже в 1889 году. На обеих выставках образцы были отмечены золотыми медалями. Докучаев так подробно описал чернозем (его строение, распространение, плодородие, образование), что даже спустя сто лет после его работы мало что можно прибавить к его описанию.

Чернозем — это почва, которая образуется в степной и лесостепной зонах в основном под травяной растительностью. Но, как показали исследования в Молдавии, в Курской области и других районах, эта почва может находиться под лесами.

В черноземе можно выделить несколько слоев: верхний, перегнойный, мощностью от 30 до 200 см, содержащий от четырех до двадцати процентов перегноя. Ниже переходный слой серо-бурого цвета, частично прокрашенный гумусом. Еще ниже — слой, сохранивший черты материнской геологической породы, из которой и на которой образовалась почва.

Следует сказать, что интерес к чернозему в России, да и не только в России, возник в XVIII веке. Например, курс сельскохозяйственного домоводства в Московском университете был в 1770 году открыт лекцией М. И. Афонина «О пользе чернозема». Первое же научное обоснование происхождения чернозема было дано М. В. Ломоносовым. Он писал, что чернозем происходит от «согнития растительных остатков» (что, правда, скорее относится к гумусовому горизонту всех почв). Но до исследований Докучаева вопрос о происхождении чернозема оставался спорным.

Чернозем издавна был главной «хлебной» почвой России. Еще до революции ста-двухсотпудовые урожаи (двадцать — тридцать центнеров) пшеницы с одного гектара без внесения удобрений с затратами только на вспашку делали чернозем действительно «царем почв» (такое определение дал чернозему Докучаев). На богатых гумусом черноземах земледельцы тогда вели хозяйство по-особому, и даже помещики сдавали земли арендаторам с условием, что те не будут вносить в почву навоз — так плодородны были черноземы.

В те же годы, когда начиналось интенсивное освоение черноземов, было основано Вольное экономическое общество, сделавшее очень много для изучения и развития производительных сил России. Это общество финансировало исследования Докучаева и образовало специальную, так называемую Черноземную, комиссию для изучения плодородия черноземов и разработки научных основ их использования.