О чем говорят и молчат почвы: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

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:

Более внимательное изучение этих “микроландшафтов” позволило Полынову нарисовать следующую вероятную картину расселения растительности. Одними из первых поселенцев на скальной породе стали накипные лишайники. На подготовленном ими субстрате развиваются лишайники с листообразными пластинками, под которыми всегда имеется некоторый, хотя и ничтожный, слой темного порошкообразного вещества, так называемый “мелкозем под лишайниками”. При этом не исключается возможность смены одних лишайников другими. На трупах лишайников появляются мхи и под ними обнаруживается уже более заметный слой темного мелкозема. Темный порошкообразный материал, постепенно заполняющий трещины в глыбах и расщелины между ними, становится областью распространения корней “скальной” сосны. Этот порошок, с одной стороны, — смесь продуктов гумификации и минерализации лишайников и мхов, а с другой — смесь остаточных элементов породы после разрушения ее поверхности лишайниками и мхами и усвоения ими изъятой из породы минеральной “пищи”. Возможно, что первопоселенцами на скальных породах были микроорганизмы, однако Б. Б. Полынов приходит к выводу о том, что лишайники способны не только механически разрушать скальные породы, но и использовать минеральную пищу непосредственно из кристаллических минералов, слагающих породу. Исследования разрезов почв у подошвы описанных скалистых выходов гранитогнейса и ниже, проведенные участниками этой экспедиции, свидетельствуют о том, что формирование профилей таких “неполных” почв происходит главным образом за счет погребения обломков щебня тонким мелкоземлистым материалом, снесенным или смытым с поверхности скал и окрестных камней, на которых он создается благодаря неизменной и неуклонной работе лишайников.

Эти исследования позволили Б. Б. Полынову утверждать, что превращение породы в рухляк не есть стерильный процесс и само образование рухляка происходит при активном участии организмов.

К сожалению, эти интереснейшие исследования были прерваны войной.

После войны сотрудники и ученики Б. Б. Полынова опубликовали серию работ о первичном почвообразовании на скалах, закрепив приоритет нашей науки в вопросе об эмбриогенезе почв.

Интересные работы, доказывающие участие микроорганизмов в первых стадиях выветривания минералов, были проведены ученицей Полынова М. А. Глазовской. В высокогорной зоне Тянь–Шаня, где хозяйничают ледники и голые гранитные скалы без всяких признаков жизни, она обследовала отслаивающиеся выветренные корки гранита. На нижней стороне такой корки были обнаружены не только сине–зеленые водоросли, которые обычно являются первыми поселенцами, но и богатая бактериальная флора, и низшие грибы. Кроме того, М. А. Глазовская ставила эксперименты по искусственному развитию микроорганизмов в питательных средах, где вместо того или иного питательного элемента, вводимого обычно в виде солей, она использовала его первоисточник в форме магматического минерала: вместо калия — ортоклаз, вместо магния — роговая обманка, вместо фосфора — апатит. Все эти опыты в отличие от контрольных показали прекрасное развитие микроорганизмов и разрушение минералов.

Итак, стало ясно, что процесс первичного почвообразования начинается с механического, физического и химического выветривания и далее продолжается при непосредственном участии биологического фактора. Работа литофильной (произрастающей на камнях) растительности на первых стадиях выветривания выражается в механическом разрушении минералов, в поглощении минеральных элементов, в образовании вторичных минералов.

Механическое разрушение минералов лишайниками хорошо иллюстрирует работа Е. А. Яриловой, в которой с помощью микрофотографии показано разрушение слюды гифами лишайника: раздробленные и расщепленные обломки минералов втягиваются гифами лишайника и в большей или меньшей степени как бы перевариваются в нем, так что тело лишайника часто бывает насыщено такими микроскопическими обломками.

В 1959 году на биостанцию Миассово, расположенную на Южном Урале в знаменитом Ильинском заповеднике, съехалось много молодых и уже немолодых ученых. Они собрались на научные “трёпы”, официально называемые симпозиумами по теоретической биологии. Душой этих дискуссий был тандем двух известных ученых: биолога–генетика Николая Владимировича Тимофеева–Ресовского, теперь известного героя повести Д. А. Гранина “Зубр”, и математика–кибернетика Алексея Андреевича Ляпунова. Время в науке было сложное. Генетика оказалась во власти прикладной агробиологии, а кибернетика числилась в разряде лженаук. Дискуссиям по теоретической биологии в глухом лесу на берегу красивого озера Большое Миассово никто не мешал. Трудно рассказать, как спорщики искали истину, но крик, или, как они говорили, “ор”, стоял невероятный. И только врожденный такт лидеров симпозиума мог поставить предобеденную точку.

А потом ученые расходились: кто шел купаться, а кто — в лес, где находилось сравнительно небольшое, но еще более красивое озеро Таткуль. Дорога к нему вела ровная, с остатками березовой рощи, погибшей от нашествия “шелкопряда”. На берег этого озера выходят невысокие скалы и среди них огромные, метров по пять, кварцевые глыбы. Что это — кварц, никто не сомневался, но он был розовым. Розовые кварцы?! Это что–то новое. Николай Владимирович призывал всех высказывать предположения о происхождении розовых кварцев.

“О сколько нам открытий чудных готовит просвещенья век”… Доктора и кандидаты наук выдвигали гипотезы одна интереснее другой.

Правильный ответ дала микробиолог Московского университета Т. Г. Мирчинк. Она провела исследование микрофлоры кварцев. И “стерильные” кварцы заговорили. Оказалось, что в не видимых глазу микротрещинках кварца поселились микроводоросли, относящиеся к классу зеленых, или равножгутиковых. Это были виды активно живущих и фотосинтезирующих микроводорослей в прозрачном кварце. Их окраска отсвечивала по всем граням кварцевых кристаллов, придавая им розовый цвет. “Давление” жизни, то есть рост числа и размеров клеток водорослей, было так велико, что кварц трещал “по швам”, точнее, по спайностям соседних кристаллов, и по новым микротрещинам расползались новые клетки микроводорослей. Как не вспомнить здесь силу жизни растений, пробивающихся через асфальт и бетон. Но, кроме давления, водоросли еще резко подщелачивали среду с рН 6,4 до 8,1.

Итак, первыми атакуют горную породу все–таки водоросли. Вторую атаку осуществляют лишайники. Кто не видел красивых разноцветных разводов лишайников на скалах, камнях и даже на памятниках! На первый взгляд ничего особенного за ними не замечалось. На самом же деле лишайники — сильнейший геохимический фактор в биологическом выветривании горных пород. Как нас всех учили в школе, лишайники — это особый симбиотический вид организмов. В теле лишайника сосуществуют два контрастных типа организмов — водоросли–фотосинтетики и грибы. Их дружная работа и длительное, устойчивое сосуществование говорят о том, что лишайники — самое простейшее сообщество организмов, основанное на положительном взаимовлиянии. Днем, при солнечном облучении, водоросли активно фотосинтезируют, сильно подщелачивая среду своими выделениями — метаболитами. Ночью основная активность переходит к грибам, которые выделяют большое количество кислых продуктов. И так день и ночь идет огромная биогеохимическая работа лишайников, день и ночь водоросли и грибы своими выделениями разрушают горные породы. Там же, на Южном Урале, был поставлен простой опыт. В дистиллированную воду поместили лишайники и в течение нескольких суток измеряли кислотность воды. Величина рН при этом колебалась от 2,5 до 8,5, то есть концентрация ионов водорода изменялась в течение суток на шесть порядков, или в миллион раз. Естественно, что такая химическая атака расшатывает кристаллическую структуру минералов. Если к тому же учесть, что лишайники выделяют высокоактивные органические вещества, так называемые лишайниковые кислоты, имеющие, как правило, хелатную комплексную природу, то легко представить геохимическую участь минералов и входящих в них химических элементов. Комплексные соединения способны захватить или “вытащить” большинство химических элементов из любой минеральной системы, которая, потеряв тот или иной элемент своей кристаллической структуры, неизбежно развалится. Все это вместе взятое рисует нам грандиозную картину биологического выветривания и первичного почвообразования на безмолвных скальных породах. Возникающий под действием лишайников тончайший мелкозем, обогащенный их органическим веществом, сдувается или стекает с водой в микротрещины скальных пород, создавая в них первые очаги микропочв, где уже могут поселиться высшие растения, преимущественно злаки. Изменение растительного покрова на скальных породах, формирование биоценозов с развитой корневой системой, создающих мощное давление жизни, производит со временем разрушительный эффект, сравнимый с крупными взрывами в каменоломнях.

Биологическое выветривание и первичное почвообразование готовят основные условия для развитого почвообразования в депрессиях рельефа, пологих склонах, на равнинах и в долинах. Но для этого требуется два условия: большие времена и явление стока, то есть выноса и аккумуляции веществ.

В природе нередко бывает так, что выветривание горных пород идет длительное время без значительного стока мелкоземного материала. Тогда образуются сравнительно мощные (в несколько метров) коры выветривания, материал которых по цвету и минералогии существенно отличается от исходной горной породы. Здесь можно встретить камни исходной породы, состоящие из многих скорлупок–слоев разной степени выветрелости. Это так называемые “гнилые камни”. Очень подробно такие преобразования минералогического и химического состава пород изучил на диоритах Южного берега Крыма Г. В. Добровольский. Но еще более яркий пример образования “гнилых камней” можно было наблюдать в красноцветной коре выветривания недалеко от города Батуми. Почти 2500 миллиметров осадков в год, круглогодичные положительные температуры — все это ведет к пышному расцвету растительности и микрофлоры, резко усиливающих процессы выветривания и способствующих проникновению их продуктов в многометровую толщу.

Представьте себе удивительное зрелище: в красноцветную глинистую толщу вкраплены серые большие камни, сохранившие всю видимость кристаллической структуры исходного валуна. Но это сходство только внешнее. Твердый когда–то камень превратился в мягкую мажущуюся массу, которую “хоть на хлеб намазывай”.

Существует много кор выветривания, которые образовались в далекие геологические эпохи. Когда–то они несли на себе древние почвы, а сейчас захоронены на разных глубинах. Изучавший древние коры выветривания Кольского полуострова академик А. В. Сидоренко реставрировал былые геологические процессы, совершавшиеся в нашем Заполярье многие миллионы лет назад. Очень интересны и познавательны коры выветривания над различными месторождениями полезных ископаемых, особенно железорудными. Над мощным рудным телом залегают многометровые толщи окисленных ржавых железистых образований. Однако коры выветривания над месторождениями — яркие, но локальные образования. Для нас с вами, взирающих на почву не только глазами натуралиста, но и земледельца, существенно рассмотреть первичные этапы выветривания и почвообразования не только на массивно–кристаллических породах или над месторождениями, но и на осадочных морских и континентальных породах, каковыми являются известняки, глины, пески, песчаники, опоки.

Продукты выветривания, как оставшиеся на месте, так и переотложенные силой воды и ветра на малые или большие расстояния, дают начало различным генетическим типам отложений, которые становятся материнскими почвообразующими породами и на которых развертывается современное “зрелое” почвообразование. В зависимости от состава почвообразующих пород под воздействием факторов почвообразования со временем возникают современные нам почвы во всем их многообразии и многоцветье.

Исследованию генетических типов отложений и почвообразующих пород, относящихся к области четвертичной геологии, большое внимание уделили замечательные наши ученые Г. Ф. Мирчинк, Е. В. Шанцер, П. И. Чижиков и другие. Все они были представителями московской геологической школы, корнями уходящей к работам Г. Е. Шуровского и А. П. Павлова. Георгий Федорович Мирчинк — один из создателей советской школы исследователей четвертичного периода в геологии. На примере Центральной России он расшифровал сложнейшую мозаику и разновременность четвертичных послеледниковых отложений, без знания которых невозможно высказать суждение ни о характере почв, ни о времени их возникновения. Трагическая судьба Г. Ф. Мирчинка (в начале 40‑х годов он погиб в Саратовской тюрьме) не позволила ему завершить эту важнейшую работу. Яркой фигурой в изучении генетических типов отложений на Русской равнине стал Евгений Вергильевич Шанцер, чье монографическое исследование об аллювии (речных наносах) равнинных рек — ярчайшая страница всей мировой геологии. Ему удалось разрубить “гордиев узел” бесконечного разнообразия пойменных наносов и жизни реки, что помогло почвоведам генетически расшифровать пойменное и долинное почвообразование. Ему же принадлежит и монографическая разработка учения о генетических типах континентальных отложений. Велика заслуга перед наукой почвоведа Петра Никаноровича Чижикова — скромного доцента Московского университета. Работая в Музее землеведения МГУ, он составил карту почвообразующих пород европейской части СССР, где отражены многие закономерности в распределении наносов на этой территории. А сколько еще интересных и талантливых ученых–тружеников, чьим трудам мы обязаны современным знанием почвообразующих пород, не на которых, как принято думать, а из которых развились наши почвы. Потому–то эти породы и называются материнскими.

Мы подробно остановились на процессе первичного почвообразования на массивно–кристаллических горных породах, однако среди материнских пород преобладает другая обширная группа — осадочные морские и континентальные отложения. Уже само название говорит об их происхождении. Морские отложения формируются в течение долгих веков на дне морей и океанов. Сменяются геологические эпохи, меняется климат, моря отступают и наступают: там, где раньше была суша, бушуют волны, а на месте когда–то теплого моря колышется волнами раздольная степь или стоит могучий дубовый лес. Морские отложения — захороненные на дне остатки живого мира моря, — оказавшись на поверхности, при контакте с атмосферой испытывают на себе огромный натиск всех сил выветривания. И на известняках и мергелях начинает формироваться почва. Попадая в благоприятные климатические условия, почва на таких породах может стать очень плодородной. Суровый же климат замедляет процесс первичного почвообразования.

Континентальные отложения, занимающие огромные пространства, представляют собой переотложенные продукты выветривания горных пород. В Северном полушарии такие почвообразующие породы наиболее распространены и для нас с вами представляют большой интерес. Рассмотрим их более внимательно, а для этого обратимся к работам замечательного советского геолога Е. В. Шанцера.

Шанцер, развивая представления А. П. Павлова о генетических типах континентальных осадочных образований, предложил свою схему их классификации, положив в основу историко–геологический или историко–генетический принцип.

Происхождение всех континентальных отложений связано с миграцией вещества на суше в виде так называемого твердого стока и лишь частично в виде растворенных веществ.

Начальный этап миграции вещества осуществляется в пределах водораздельных пространств. Здесь, особенно на обширных территориях с относительно выровненным рельефом, ведущим фактором является выветривание. Слагающие кору выветривания рыхлые продукты переработки исходных горных пород — элювий — образуют весьма своеобразную группу осадочных образований, которая и рассматривается в качестве первого крупного подразделения классификации Шанцера. Элювий разносится далее по поверхности континентов и дает начало всем остальным континентальным осадочным образованиям. Большее или меньшее количество продуктов сноса задерживается при этом на нижних частях склонов и у их подножия, образуя разнообразные отложения, которые составляют второе крупное подразделение — склоновые, или коллювиальные, наносы. В зависимости от особенностей рельефа, климата и геологического строения местности эти породы возникают либо обрушением и осыпанием обломков горных пород под влиянием собственного веса, либо оползневым скольжением блоков пород, либо медленным течением поверхностных слоев грунта, переувлажненных до пластичного или текучего состояния. Наносы, отложенные вследствие смыва разрыхленного выветриванием покрова струйками стекающей со склона дождевой или талой снеговой воды, относятся к делювию.

Склоновые отложения соответствуют начальным фазам перемещения осадочного материала, поэтому редко сохраняются в ископаемом состоянии в составе древних континентальных осадочных формаций.

Основная масса продуктов выветривания и разрушения горных пород русловыми водными потоками рек и ручьев либо талыми водами ледников, либо ветром переносится на дальние расстояния и переотлагается. Так образуются аллювий, пролювий и озерные отложения. Аллювий — это отложения русловых водных потоков (рек и ручьев), слагающие речные долины и прилегающие к рекам территории — поймы. Пролювием называется весь комплекс накоплений устьевых выносов долин рек. Озерные отложения — результат оседания переносимого аллювиальным путем материала. При этом нужно добавить, что наибольшей способностью к передвижению в воде обладают мельчайшие частички, так называемая илистая фракция. Они образуют в воде суспензию и в таком состоянии могут переноситься на огромные расстояния.

Своеобразная форма миграции продуктов выветривания и разрушения горных пород — перенос подземными водами. Отложения в карстовых (провальных) полостях и пещерах относятся к подземноводному парагенетическому ряду. Сюда же относятся и отложения источников (родников).

Особенно важное значение для понимания почвообразования имеют отложения ледников и их талых вод. Это основные и краевые морены (песчано–щебнистый материал), которые образовались на месте растаявшего ледника, принесшего издалека в своей толще продукты разрушения горных пород, а также размытые талыми водами разные отложения.