Обитаемая среда. Свойства

Первым, кто заложил основы земледельческой механики, был И. М. Комов. Около 1789 года он писал в своей книге "О земледелии"; "Земледелие с высокими науками тесный союз имеет, каковы суть: история естествознания, наука лечебная, химия, механика и почти вся физика; и само оно не что иное есть, как часть физики опытной, только всех полезнейшая".

Попытки использовать при изучении почв законы физики твердого тела, механики сыпучих сред и других разделов смежных естественных наук продолжались в течение всего XIX века. В результате в 1917 году М. X. Пигулевский, один из крупнейших впоследствии советских агропочвоведов, вынужден был признать: "По моему мнению, почва странным образом занимает среднее место между телом непрерывным и телом сыпучим... Не потому ли приходится признать, что в тот момент, когда мы берем в руки почву с целью изучить ее механические свойства так, как мы изучаем их в металлах, дереве и других твердых телах, какая-то завеса опускается перед нами и закрывает от нас методы и приемы точной науки. Мы начинаем изобретать и, в конце концов, создаем для почвы такие методы, одна мысль о применении которых к металлам вызывает улыбку".

Прошло еще 40 лет, и американец Дж. Ф. Лутц, критически рассмотрев разработанные за это время некоторые общие положения физики почв, с горечью писал: "Эти общие положения недостаточно обоснованы опытными данными, которые с определенностью установили бы непосредственную связь между физическими свойствами почвы и развитием растений. "Хорошие" для развития растений физические условия почвы легко распознаются, но до настоящего времени, к сожалению, они не получили достаточно точного математического и физического выражения. Не существует какой-либо обобщенной величины или группы величин, при помощи которой можно было бы выражать желательные оптимальные условия почвы".

Между первым и последним высказываниями - расстояние более 160 лет. Физика почв скоро отпразднует свой 200-летний юбилей. Юбиляр вполне почтенен. За его плечами много тысяч крупных и мелких исследовательских работ, сотни тысяч опытов и измерений, километры почвенных разрезов и... как видим, печальные признания несостоятельности. Правда, не все настроены так пессимистично, как Лутц. Да и 200 лет - не возраст для науки, тем более что почвенная физика начала развиваться практически лишь с конца XIX столетия, после работ Докучаева и Костычева.

Эти крупнейшие русские ученые доказали, что химический состав почвы - лишь то, что она может дать, а ее физические свойства - то, что она дает реально. Мало иметь запасы питания, надо еще суметь их реализовать. В любой почве содержится достаточно пищи, плодородна - далеко не всякая.

Физические свойства почвы определяют ее отношение к внешней среде - воде, воздуху, теплу и свету, а через них - и к растению, конечно. Русское почвоведение выросло прежде всего в борьбе с засухой. Наиболее богатым почвам России - черноземам - всегда не хватало влаги. Вероятно, это обстоятельство и определило различие интересов русской и западноевропейской наук - для старых, выпаханных почв Германии, Англии и Франции главной проблемой было удобрение. Отсюда - агрохимия Либиха. В России же больше думали об обработке земли. Отсюда пристальный интерес к механике и физике почв; отсюда докучаевское почвоведение.

Итак, физические свойства...

Поглотительная способность почвы. Растение, как отмечалось выше, пьет питательные бульоны. Оно достаточно привередливо и к качеству последних относится как истый гурман. "Жирного" растение не любит: раствор должен иметь не более 2-3 граммов солей на 1 литр. Правда, когда бульон становится слишком уж слабым, растение начинает голодать (кто же будет сыт от чистой воды?). Однако и слишком концентрированное питание приводит к объявлению голодовки. В том и в другом случае исход один - растение умирает от истощения.

Итак, по агрохимикам, слишком увлекающимся минеральными снадобьями, нанесен первый удар. Оказывается, мало - плохо, но и много - тоже нехорошо. Следовательно, надо думать не об избытке пищи, а о регулировании количества воды.

К счастью, сами физические особенности почвы делают ее в определенной степени регулятором крепости раствора. Когда последний становится слишком крепким, частицы земли поглощают часть растворенных веществ. Напротив, при избытке влаги эти вещества отдаются назад. Эта автоматическая система работает уже многие миллионы лет, и растения к ней основательно привыкли. Привычка же, как известно, вторая натура.

Главную роль в описываемой системе играют мелкие глинистые частицы и перегной. Именно они-то и определяют способность почвы поглощать из водного раствора и связывать некоторые вещества и соли. Поэтому глинистые почвы, богатые перегноем, более плодородны, чем бедные гумусом песчаные. Они способны накапливать полезные вещества, которые немедленно возвращают растению, чуть только упадет концентрация раствора.

Мы уже говорили, что если вода растворяет питательные вещества, то воздух готовит их: окисляет продукты. Жизненное пространство для воды и воздуха в почве - это узкие коридоры, пустоты между твердыми частицами. Они определяют порозность или скважность земли, измеряемую отношением объема пустот к общему объему. Небезразлично здесь все - и количество, и размеры, и форма пустот. Последние могут иметь ширину от нескольких сантиметров (трещин) до тысячной миллиметра.

Слишком трещиноватая почва - плохая опора для корней. Но последние, однако, не могут проникнуть и в очень тонкие промежутки. Если ширина их меньше 0,003 миллиметра, то сюда не "пролезут" даже бактерии, - это уже не земля, а камень.

Порозность определяет водопроницаемость. Попав из атмосферы на поверхность поля, вода просачивается вглубь по крупным, а рассасывается вширь по тонким скважинам, постепенно обволакивая все твердые частички тонкой пленкой влаги. Чем крупнее промежутки между частицами, тем легче проникает вода в почву. Таков, например, песок: целые реки проходят сквозь него, а он никогда не бывает слишком мокрым и грязным. Глина, напротив, с трудом пропускает влагу (в сотни раз медленнее песка), которая еле проходит через редкие трещины, червоточины, ходы, прорезанные старыми, истлевшими корнями.

Обе крайности вредны: и грязь на поверхности сухой внутри глины, и сухой после самого обильного дождя песок.

Почва обязательно должна быть хорошо водопроницаема. Однако этого мало - она должна уметь удерживать влагу внутри себя, быть влагоемкой.

Земли, обладающие хорошей влагоемкостью, должны состоять из мелких частиц, которые способны удерживать воду на своей поверхности.

Наибольшей влагоемкостью обладают перегной и глина, наименьшей - песок.

Влагоемкость и водопроницаемость взаимно исключают друг друга. А между тем важно и то и другое. Болотные, богатые гумусом земли имеют высокую влагоемкость, но низкую водопроницаемость. Вода переполняет все поры и выступает наружу. В результате образуется мертвый, затхлый мир болот. Песчаные почвы, напротив, имея высокую водопроницаемость, все пропускают транзитом, ничего себе не оставляют и являются почвами с низкой влагоемкостью. Итог - пустыня.

Количество воды в почве меняется непрерывно: в пахотном слое текут свои микрогольфстримы. Направление и скорость перемещения потоков зависит от водоподъемной способности почвы.

Сверху вниз вода течет по крупным порам и трещинам. Обратный ток, подтягивание влаги из нижних горизонтов в верхние, идет по тонким, волосным порам - капиллярам.

Способность почвы поднимать воду - это и хорошо и плохо. При высыхании она покрывается тонкой, но плотной, растрескивающейся коркой, через которую влага, подтягиваясь к верхним слоям, интенсивно испаряется. Почва сохнет. Это плохо.

Обитаемая среда

Просочившаяся вниз вода встречает, в конце концов, на своем пути водонепроницаемый грунт (связную глину или каменистую породу), где застаивается или стекает по уклону, питая колодцы, озера и реки. Бывает, однако, что водонепроницаемый слой залегает совсем не глубоко, тогда и грунтовые воды располагаются очень высоко. Близость их к поверхности на метр или менее приводит к заболачиванию: вода подтягивается вверх по капиллярам и рассасывается по сторонам. Если грунтовые воды стоят высоко, но все же ниже метра, то обеспечивается постоянная "подпитка" верхних слоев за счет нижних. Это хорошо. Если же водонепроницаемый слой залегает слишком низко, надеяться приходится только на дождик.

Вода доставляется к поверхности по капиллярам. Однако она может и не испариться в атмосферу, достигнув поверхности, если мелко взрыхлить поле и тем самым разрушить верхние концы капилляров. Испаряющая способность почвы зависит от состояния ее поверхности, плотности и размеров составляющих ее комков.

В сухой земле все скважины заняты воздухом. Частицы почвы притягивают его к себе так же охотно, как и воду. Это поглощенный воздух. Остальной, размещающийся в крупных порах, свободный. Он очень подвижен в отличие от связанного и так же легко выдувается из почвы, как и попадает туда.

Воздушный режим почвы не менее важен для растения, чем водный. Воздух доставляет корням и почвенным организмам кислород для дыхания и обеспечивает окисление органических и минеральных веществ. Взамен кислорода он получает углекислоту - продукт дыхания и тления.

Земля дышит: почва - это гигантские легкие. На каждые сутки приходится один глубокий вдох и не менее глубокий выдох. Днем почва нагревается, почвенный воздух расширяется и выходит из пор наружу. Земля "парит", призрачные вибрирующие струйки колышут ландшафт. Ночью - вдох: остывает почва, сжимаются остатки воздуха в ней, в порах нарастает разрежение...

Почвенный воздух всегда сырее атмосферного (вспомните выражение типа "на него пахнуло сыростью могилы"). За счет этого идет процесс диффузии газов. Потеря сырого воздуха и его замещение более сухим атмосферным может достигать прямо-таки катастрофических размеров. Так, если свежевспаханная поверхность покрыта крупными глыбами, то сухой воздух легко попадает в крупные промежутки и иссушает почву за счет диффузионного внутрипочвенного испарения. В этом нехорошем деле испарению помогает ветер, усиливающий диффузию.

Все не просто в этой, казалось бы, такой простой среде. Слишком много пиши - растение умирает от голода. Слишком много воды - оно вымокает. Обилие воздуха также ведет к гибели. В песчаные почвы воздух проникает слишком легко и на большую глубину. Растение дышит полной грудью. Но одним воздухом сыт не будешь, а обилие кислорода приводит к ускоренному сгоранию всех питательных веществ, все разлагается слишком быстро и так же быстро вымывается при первом же дожде.

Но немногим лучше ведут себя и плотные глинистые почвы. После дождей они вовсе перестают дышать. Окисление прекращается. Более того, такие элементы, как железо, не только не присоединяют молекулы кислорода, но и теряют то, что имели. Потеряв кислород, железо становится ядовитым. Не могут здесь жить и дышащие воздухом бактерии, созидающие необходимую растениям селитру. Зато оживают разрушающие ее не нуждающиеся в кислороде анаэробные бактерии. Почва задыхается.

Растение не любит холодной почвы; ему нужно тепло: одному больше, другому меньше. Получает оно его от солнца, теплого воздуха, теплых дождей, а также от внутренних, нагретых слоев планеты. Но, кроме этого, почва научилась согревать себя сама. Тепло в ней выделяется при дыхании живых организмов, от разложения остатков растений и животных, при некоторых химических реакциях. Конечно, и здесь главная печь - солнце. Больше всего тепла от него достается темным (из-за перегноя, как мы уже знаем) почвам; светлые и серые нагреваются медленнее: слишком много лучей отражается от их поверхности и много тепла расходуется на то, чтобы нагреть почвенную воду. Немаловажен и рельеф местности (южные склоны нагреваются сильнее), и затененность земли. Последнее весьма существенно: целинные земли не перегреваются, они всегда прикрыты от палящего солнца густым пологом трав.

Распаханная почва не защищена ни от солнца, ни от ветра. Днем тепло волна за волной проникает внутрь пашни. Оно испаряет влагу и заставляет частицы почвы расширяться. Ночью земля остывает. Сжимаются нагретые днем комки. Вновь происходит то, что миллиарды лет заставляло рассыпаться в прах скалы: идет процесс выветривания, процесс дефляции, эрозии.

Зимой, под снежным покровом, жизнь почвы замирает. Подобно медведям, погружаются в спячку мириады бактерий, червей и насекомых. Волны холода, идя от поверхности, сковывают все до весны, до нового возрождения, новой жизни. Ежегодное воскрешение - обычное и всегда по-новому удивительное чудо...