Числом и мерой

Конвейер природы увлекает в подвалы биосферы не просто клетчатку, белки, углеводы и прочие органические соединения. В каждой травинке, листе, кусочке древесины, в останках животных заключена частичка солнечного луча, точнее, энергия, принесенная им из космоса. Кроме растительного опада, ею насыщены и почвенный перегной, и глины, и минералы, рожденные метасоматозом.

Биогеоценоз - большой энергетический комплекс. Не будь этой пленки жизни на поверхности нашей планеты, солнце не смогло бы сделать и половины той работы, которую оно совершило за прошедшие миллиарды лет. Ведь ее лучистую энергию сначала надо преобразовать. Человек научился перерабатывать ее в электричество, а земля - в питание для растений. По существу, почва играет в биогеоценозе роль сложного агрегата, совмещающего в себе функции аккумулятора и генератора для преобразования тепла. Но раз так, то все процессы в ней можно измерить и описать уравнениями. И первым это понял А. Е. Ферсман. Он писал: "Энергетический подход к анализу... природы является конечной целью наших изысканий... Мы должны перейти на единое мерило... процесса, причем таковым может быть или калория, или киловатт" [Волобуев, 1974, с. 14].

И такое мерило было найдено. В 1956 г, член-корреспондент АН СССР В. Р. Волобуев, исследуя зависимости между почвой и климатом, ввел среди прочих показателей данные по солнечной радиации. Ему удалось установить связь между количеством "солнечного горючего" и плодородием почв. Прошло еще несколько лет, и Волобуев дал совершенно новое истолкование закона зональности, открытого В. В. Докучаевым. До него ученые почти не касались солнца. Считалось, что прямая связь между ним и землей ничтожна. Это предубеждение долго не позволяло увязать причину и следствие, солнечную энергию и почву. А ведь было достаточно простого учета тепловых калорий у поверхности нашей планеты, чтобы числом и мерой описать целую природную зону.

Однако, прежде чем перейти к этой сложной проблеме, познакомимся поближе с почвенными картами. Постараемся разобраться в упрощенном варианте глобального размещения представителей четвертого "царства".

Она нам нужна, для того чтобы легче понять исследования Волобуева.

Читатель уже наверняка обратил внимание на то, что большинство почв носит имена, связанные с их окраской: подзол (под золу), серые, бурые, каштановые, красноземы, черноземы и т. д. На карте они изображены похожими цветами. Правда, у картографа частенько не хватает оттенков, чтобы передать их на бумаге, и тогда он вводит условные краски. Так, подзол становится розовым, пустынный серозем - желтым. Картина получается пестрая. На равнинах цвета меняются с севера на юг. Почвенные зоны здесь вытянуты с запада на восток. Но вот у нас на пути горная страна, краски начинают чередоваться в обратном порядке. Чем выше поднимаемся мы в горы, тем меньше тепла, почвы становятся менее плодородными. Если у подножия на красноземах бушевала субтропическая растительность, то у вечных снегов жалкие лишайники покрывают маломощные и тощие почвы горной тундры.

Волобуеву пришлось иметь дело с более сложной картой. Когда специалист ставит эксперимент, главное условие которого точность, упрощенные схемы не годятся. Он наносил данные о тепле и влаге на самое последнее произведение почвенной картографии того времени. Сведения об осадках дали сводки, полученные из метеостанций, охвативших густой сетью весь земной шар. Огромную подмогу ученому оказала Карта теплового баланса земной поверхности, составленная в 1956 г. М. И. Будыко, Т. Г. Берлянд и др.

Выделить на самой карте такие рубежи неудобно. На помощь приходят графики. Если верить шутливым историям про известного немецкого математика К. Гаусса, то это с его легкой руки метод графического анализа стал таким популярным во многих отраслях знаний. Гаусс обычно советовал друзьям: "Когда у вас возникают сомненья в пользе предстоящего дела, начертите на бумаге или песке крест. Пускай вертикальная жердь будет мерилом добра, а горизонтальная - зла. Затем найдите в правом верхнем секторе место для своих начинаний сообразно тому, сколько в них содержится хорошего и плохого, и соедините эту точку с перекрестием осей. Если линия окажется крутой - приступайте, если пологой - оставьте недостойное занятие".

Воспользуемся его советом и мы. На вертикальной "жерди", оси ординат, отложим показатели тепла (в кал), а на горизонтальной - влаги (в мм). "Крест" Гаусса готов, можно спокойно заключить в него сведения о солнечной радиации и влажности, отпущенных каждой почве на существование. Так, па графике появятся самые разнообразные фигуры, которые, наезжая одна на другую, на первый взгляд создают неразбериху. Но достаточно повнимательнее приглядеться, и все сразу же встанет на свои места. Вот пустынные почвы, они вытянулись вдоль оси ординат и плотно прижались к ней. Им для образования надо не более 100-200 мм влаги в год, количество же солнечной энергии строго не регламентировано - от 30 до 80 ккал. Совсем другое дело красноземы и латериты. Этих устраивает самое различное количество влаги - от 1000 до 3000 мм, но тепла они требуют не менее 70 ккал/год.

Волобуев не только уточнил известный закон, определил квоты для каждого обитателя четвертого "царства". Он вложил конкретный смысл в такие понятия, как "пустыня", "степь", "лес", "тундра". Если раньше географы и почвоведы часто спорили о границах почв и климатических зон, то теперь их можно было установить с завидной точностью. Помог все тот же "крест" Гаусса. Для этого достаточно было спроектировать любую из почвенных фигур на одну из осей графика. Нижняя показывала колебания влажности, т. е. пределы, в которых могли существовать пустыня, а значит и сероземы, степь и, конечно, черноземы, лес и подзолы и т. д. Таких звеньев (рядов) Волобуев насчитал семь. И самое интересное ТО, что их число не может ни увеличиться, ни сократиться. Это - константа, постоянная. Сегодня известны пустынный, сероземный, каштановый, черноземный, подзолистый, глеевоподзолистый и глеевый типы. Между ними могут складываться различные комбинации, гибриды, но найти что-нибудь принципиально новое пока не удается. А теперь проделаем ту же операцию с вертикальной осью. Она тоже разбивается на семь ступеней, или семь термических поясов: арктический, субарктический, умеренно холодный, умеренный, умеренно теплый, субтропический и тропический.

Ну, и что же здесь нового? Во-первых, сами ряды. Наложив их один на другой, мы получим сетку, а точнее, систему основных почв нашей планеты. Я не оговорился, речь идет именно о системе, в которой каждая клетка - почвенный термогидротип. Опять термин! Да, но его легко расшифровать. На оси нашего графика нанесены квоты калорий, отпущенных Земле Солнцем. Вот самые низкие из них, менее 6 ккал/год на каждый квадратный сантиметр поверхности. Это - Арктика. Минимум лучистой энергии не позволяет проявить себя многим почвенным процессам. Полярный вариант прост. Он состоит из одного гидротипа. Маломощные рыхлые наносы с тощим и грубым гумусом чем-то напоминают пустыню. Впрочем, сходство не случайно, соотношения тепла и влаги здесь такие же, как и в самых засушливых районах мира. Недаром побережье и острова Северного Ледовитого океана называют арктической пустыней.

Но вот узкая береговая полоса кончилась. Мы идем в глубь материка. Начинается тундра. Чуть потеплело. Осадков тоже прибавилось. Однако для их испарения лучистой энергии явно не хватает. И земля покрылась мелкими болотцами. Здесь "царство" переувлажненных глеевых почв. Правда, они часто несут на себе отпечатки и других процессов - подзолистого и дернового. Иными словами, подзолы и дерновые почвы заявляют о себе уже в тундре.

Еще несколько делений вверх по оси, и мы в умеренном поясе. Тепла в нем куда больше, от 12 до 50 ккал. Осадков тоже прибавилось, раза в три. В средних широтах уже встречаются все семь гидротипов.

Но вот солнце стало пригревать сильнее. Уже на 1 см² поверхности нашей планеты приходится 60, 70 и даже 90 ккал/год лучистой энергии. Влажность изменяется в еще больших пределах. Порой годовое количество осадков колеблется от 500 до 3000 мм. Поэтому в пустынях, саваннах и тропических лесах ассортимент почв, входящих в гидротипы, особенно разнообразен. Светлоземы, чередуясь с каменными гаммадами (пустынными плато), составляют самое начало тропического гидроряда. Красные и бурые земли - его второе по засушливости звено. Красно-коричневые, коричневые и красно-бурые почвы - это "степи" тропического пояса. Красноземы, латериты и их оподзоленные варианты занимают самый правый край цепочки и часто страдают от избытка влаги. Разработка системы положила начало исследованиям по почвенной энергетике. Перед новым направлением стояло много проблем, которые следовало истолковать с новых позиций. Ну, хотя бы тот же обмен веществом между растительностью и почвой. Ведь опад тоже заряжен энергией. Разлагаясь, он выделяет ее. Да и сами химические элементы далеко не инертны. Еще совсем недавно на них смотрели как на пищу, витамины. Поэтому ученых в первую очередь интересовали азот, фосфор, калий, чуть меньше - железо, магний и микроэлементы. Особое место отводилось углероду. Его даже называли элементом жизни. Но временами возникал вопрос: почему одни химические элементы больше поглощаются растениями, другие меньше? С азотом было все ясно. Он шел на образование белка. Калий и фосфор также не вызывали сомнений. Они относились к активным создателям органического вещества. Но ведь в семье химических элементов насчитывается более 100 членов. Может быть, дело во вкусах растений? Отчасти. Мы уже писали о них. Одни из них любят кальций и магний, другие - железо и алюминий. Бобовые, например, - типичные азотофилы, злаки же накапливают много кремния. Другое объяснение сводилось к влиянию ландшафта. Избыток какого-нибудь элемента мог изменить вкус растений и заставить их увеличить его долю в своем рационе.

Вот и все. Но для того чтобы понять всю несостоятельность подхода, в котором главную роль играют вкусы и обстоятельства, достаточно просмотреть основные меню растений в различных природных зонах. В тундре в него входят азот, кальций, калий, магний, кремний, фосфор, марганец, сера, железо и алюминий. В лесах, степях, пустынях, субтропиках и тропиках меняется лишь соотношение между ними. Оставшаяся же часть таблицы Менделеева используется в лучшем случае в качестве приправы. Микроэлементы подсаливают, подслащивают пищу из трав и деревьев. Их дозы в 100 раз ниже, чем у основных продуктов питания. В чем же секрет?

Ферсман видел причину такой избирательности в способности химических элементов накапливать и отдавать энергию. Он обратил внимание на то, что поле жизни составляют самые легкие из элементов таблицы Менделеева. Они группируются вокруг оси инертных газов. Азот, фосфор и калий, например, превращаются в почве в анионы с рыхлой структурой, слабыми связями между атомами. Такую пищу легко переварить. Из них нетрудно извлечь энергию. Правда, ее не так уж и много в подобных соединениях. Иначе разложить их на атомы оказалось бы куда сложнее. Главная сила такой пищи - в самих элементах, ибо благодаря азоту, фосфору и калию растения могут быстро создавать новые клетки, прибавлять в весе. Но травам и листьям необходимо позаботиться и о... скелете. Им тоже нужен костяк, чтобы поддерживать быстрорастущую плоть. Возьмем, к примеру, высохший лист - это и есть тот самый каркас. В нем практически не осталось азота, ничтожны количества фосфора и калия, но зато очень много кремния, встречается кальций. Под микроскопом можно разглядеть и сами косточки, фитолиты, камушки растительного происхождения, целиком состоящие из окиси кремния, иногда кальция. Кроме того, соединения кальция и кремния очень прочны. Разложить их не так-то просто. Они заключают в себе много энергии. Постепенно разрушаясь, эти "твердые орешки" высвобождают заключенные в них калории, подкармливая растения на протяжении всего их роста.

У Ферсмана нашлось место и для третьей группы. Она включала в основном тяжелые элементы. По мнению ученого, часть их так редко встречалась в земной коре, что могла быть захвачена лишь случайно. Другие были попросту инертны. Остальные же накапливались в ничтожнейших концентрациях: десятитысячных, миллионных долях. Американский почвовед Г. Купер писал: "Ферсман высказал ряд блестящих идей об энергетической способности ионов и элементов. Он указал путь, которым следует идти исследователям этого малоизученного направления почвоведения" (цит. по: [Волобуев, 1974, с. 14]). И Купер пошел по этому пути. С первых же опытов он понял: вкусы растений мало зависят от обилия или недостатка химических элементов в почвах. Куда большее значение имеет сила ионов, их потенциал. Его предположения подтвердили и эксперименты. Сравнив состав листьев и трав, Купер увидел, что самый почитаемый у них элемент после азота - калий, а затем фосфор. Ученый тут же заинтересовался этими элементами. Сначала он установил их электрический потенциал, т. е. заряд самих ионов. Самым высоким он оказался у калия и кальция. За ними шли натрий, магний, алюминий, марганец и железо. В том же порядке убывали их концентрации в растениях. У анионов, которые образовали неметаллы - фосфор, сера, хлор и азот, такой связи не обнаружилось.

Впрочем, наличие или отсутствие аппетита у растений к заряженным частицам Купер объяснял и другими причинами. По его мнению, травы и деревья сознательно отказывались от кальция. Не воздержись они, и кальций завладел бы накопленной в них углекислотой, столь необходимой для образования хлорофилла [Волобуев, 1974].

Гипотеза Ферсмана и незаконченные опыты Купера заинтересовали В. Р. Волобуева, и в первую очередь странное отступничество анионов, которые составляют неметаллы. Почему они не подчиняются общей закономерности? Ученый решил заново проверить выводы Купера. Волобуев сразу обратил внимание, что эксперименты американского исследователя проведены далеко не идеально. Во-первых, ионы металлов однородны. В них нет посторонних элементов. Этого нельзя сказать об азоте, фосфоре и сере. Последние в почвах образуют различные окислы. Например, сера, растворяясь в воде, порождает гидросульфат-ион, т. е. соединение водорода, серы и кислорода. Ошибка Купера заключалась в том, что он сравнивал силу чистых ионов и ионов-смесей. Естественно, что закономерность, полученная в первом случае, не подтверждалась во втором.

Здесь следовало поступить иначе: рассчитать "пай", который внес каждый элемент-неметалл в образовавшиеся окислы. Так выяснилось, что азот - самый богатый энергией элемент, сера и фосфор сильно уступают ему. Соответственно распределяются и их квоты в растениях.

А много ли энергии накапливают травы и деревья? Результаты, полученные Волобуевым, показывают, что ее количество в растительности нарастает от полюса к экватору, т. е. подчинено все тому же закону зональности. На каждом квадратном сантиметре тундры на долю растений приходится менее 1 ккал. В тропиках тот же квадратный сантиметр зелени получает в 70 раз больше тепла. Выходит, самый питательный опад получают красноземы тропиков? Но условия не позволяют сохранить калорийность надолго в этих почвах. Ибо они неважный аккумулятор. В ней все процессы переработки протекают быстро, без задержки. И если, например, свести леса, то почвы, лишившись поставщика энергии, быстро оскудеют.

Иначе протекает обмен на черноземах. Здесь превращение растительности в гумус идет с минимальными потерями. Толстый и жирный слой перегноя можно использовать длительное время, не прибегая к. помощи удобрений. Ведь на каждую калорию зеленой массы в степях приходится до 10 кал гумуса. В тропиках соотношение обратное. Но как бы ни распределялась между ними энергия, почва остается ее аккумулятором. В последние годы все чаще можно услышать, как почву сравнивают с углем, нефтью и газом, пытаются включить ее в общий список энергоресурсов той или иной страны. К этому действительно есть все основания. Но порой в голову приходят тревожные мысли: а что, если с ней поступят так же, как еще недавно обходились с лесами, угольными и нефтяными месторождениями? Ведь запас калорий в почве невелик. Исчерпать его совсем нетрудно.

Наверное, на почвы следует смотреть иначе. Они не клад, не месторождение, а хрупкий механизм, который легко вывести из строя неумелым обращением. Даже черноземы порой становятся бесплодными. Сегодня, чтобы сохранить почвы, совершенствуют агротехнику, производят миллионы тонн удобрений, мелиорируют огромные территории, выводят новые сорта культурных растений. Но как бы ни были велики успехи агрономов и селекционеров, не надо забывать, что уже многие миллионы лет действует тончайшее производство, созданное природой. Его цеха работают на одном из самых чистых видов топлива - энергии солнца. Их главная задача - синтезировать биологическое вещество. Ведь пока коэффициент использования солнечного тепла в биогеоценозах невелик - всего 1%. Только на самом экваторе пышной тропической растительности удается его превзойти. И какой эффект! Всего несколько процентов лучистой энергии создают ежегодно на 1 га 2-3 т зеленой массы.

А если научиться управлять синтезом органического вещества почвы? Тогда сократятся потери удобрений в почвах, станет чище окружающая среда. Правда, повышение коэффициента полезного действия биогеоценозов - дело будущего. Сегодня же перед почвоведами стоят более скромные задачи - познание законов, по которым живет почва.