Стена загадок

Не нужно быть специалистом, чтобы различить на вертикальной стенке вырытой в земле ямы слои разной окраски. Обычно самый верхний из них наиболее темный, а те, что под ним, посветлее. Это и есть горизонты, на которые разбивается почвенная толща. С их описания начинаются почти все исследования подвалов биосферы. Первое, что интересует ученых, - граница между материнской породой (продуктом метасоматоза и других гипергенных сил) и слоем, где скапливаются вынесенные сверху талыми и дождевыми водами вещества: илы, соли, коллоиды и пр. Это очень важный рубеж. Он разделяет горизонты В и С. В горизонте В происходят самые разнообразные процессы: скапливаются подвижные соединения гумуса, железа, алюминия, кальция, натрия и т. д. Горизонт С по сравнению с ним менее активен. Он слабо участвует в жизни почвенной толщи. Правда, из его строительного материала сложены ее верхние этажи. Конечно же, горизонт С не изолирован. До него доходят отголоски многих событий, происходящих наверху. Например, выпадет за зиму большое количество осадков, и весной часть из них, прихватив по пути химические соединения, может оказаться в самых нижних горизонтах почвы. Изменится климат, и тут же в них появятся сизые пятна восстановившегося железа, признаки переувлажнения, или выцветы солей - показатель недостатка влаги.

Горизонт В играет в плодородном слое роль сейфа, где хранятся его неприкосновенные запасы. Сюда постоянно проникают талые и дождевые воды, принося с собой самые различные вещества. Случись сильным ливням или ветрам снести верхний, плодородный слой, и новый перегнойный горизонт начнет формироваться на богатом минеральном субстрате. В неспокойных вулканических районах в почвенном "банке" хранятся вещества, которые теряет верхний горизонт. Здесь много нестойкого вулканического стекла, просочившихся соединений гумуса, аморфных аллофанов. В лесных почвах горизонт B наполнен глинистыми веществами и продуктами их распада. И те и другие покрывают пленками зерна минералов, забивают поры и трещины, образуют хлопья и сгустки из окислов! железа, марганца. Встречаются здесь и темно-коричневые потеки гумуса.

В степях же горизонт B накапливает соли кальция, магния и натрия. Они тоже вынесены сверху, но случается попадают сюда и снизу вместе с грунтовыми водами. Большая часть этих солей различима под микроскопом, но иные видны невооруженным глазом. Они пронизывают весь горизонт прожилками, высвечиваются белыми пятнами, образуют прочные конкреции.

Было бы неверно думать, что горизонт B только получает и хранит различные вещества, прибывшие сюда из верхней части плодородного слоя. Иногда он сам производит глины и делится с материнской породой ставшими ненужными ему запасами. Представим себе, что изменился климат и почва, родившаяся, например, на карбонатной коре выветривания, начинает приспосабливаться к новым условиям. Горизонт В моментально оценивает ситуацию и начинает избавляться от ранее накопленных веществ. Их место занимают тяжелые, свободные от карбонатов глины, насыщенные окислами железа и алюминия. Они не принесены ни сверху и ни из какой другой части почвенного профиля, а родились прямо здесь, на месте.

Еще выше расположен горизонт A - голова почвы. В нем растения находят себе пищу, здесь живет основная масса червей, насекомых и микроорганизмов. Его пашут, в него вносят удобрения. И если горизонт B можно сравнить с банком, то A - сберкасса. Деревья и травы, животные и микрофлора создавали его для того, чтобы хранить здесь свои сбережения, постоянно пользоваться ими и возвращать обратно. И лишь часть прибылей, получаемых почвой, идет в сейфы нижнего горизонта, откладывается на "черный день".

Впрочем, докучаевская триада лишь начало современного почвенного алфавита. Даже в степных черноземах, где слои земные впервые получили имя, сегодня выделяется куда больше горизонтов. Почвоведы уже интересуются не только материнской (почвообразующей) породой, но и тем, что лежит под ней. Им важно, какова природа коры выветривания, на которой выросли черные степные почвы. Если переход постепенный, значит, переработка горных Пород шла медленнее, не нарушалась ни ветром, ни водными потоками. Резкая граница свидетельствует о мощной эрозии, подхватившей когда-то огромные массы грунта и перенесшей его на новое место, где он ровным чехлом покрыл коренные породы. Поэтому четвертый горизонт черноземов D имеет иногда самое неожиданное происхождение: гранитные обломки, бескарбонатные глины, морские отложения и т. д.

Не проявил Докучаев особого интереса и к самому верхнему горизонту черноземов - степному войлоку. Это покрывало степей состоит преимущественно из опавших трав, густо переплетенных стеблями живых растений, и лишь слегка смешано с минеральными частицами - пылью и выбросами почвенных животных. Но войлок - один из поставщиков органики и минеральных веществ в горизонт аккумуляции А. Степной войлок, или калдан, очень неустойчив. Местами он не доживает даже до конца лета, а сгорает под лучами солнца и съедается насекомыми.

Сотрудник Института географии АН СССР Р. И. Злотин провел интересные наблюдения за этим горизонтом-призраком. Он придумал простой способ установить истинного виновника, разрушителя степного калдана. Идея заключалась в том, чтобы проследить за судьбой опавших трав в тени и на солнце. На искусственно затененных участках войлок пролежал до конца лета, а на открытых исчез уже через несколько недель. Однако эксперимент не отличался чистотой. Ведь насекомые так и не были изолированы. И тогда Злотин провел еще ряд опытов. С помощью толуола он очистил несколько площадок от живых существ, а затем повторил наблюдения сначала. Но и на этот раз солнечные лучи доказали, что они не нуждаются в помощниках, затратив на всю работу лишь на несколько дней больше, чем в прошлый раз.

Конечно, калдан очень неустойчив. Совсем иное дело родственный ему горизонт лесных почв - A₀. Даже в искусственных лесонасаждениях степей и полупустынь подстилка из опавших листьев и веточек сохраняется все лето. Из нее верхний минеральный горизонт А получает основную массу органики, переработанную насекомыми, червями и микроорганизмами. Лесная подстилка наравне с кронами деревьев защищает почву от прямых солнечных лучей и горячего воздуха суховеев. Она также делится на несколько слоев. Самый верхний из них состоит из свежего опада, а нижний богат гумусовыми веществами и полуистлевшей трухой.

Особую роль подстилки играют там, где почвы не отличаются высоким плодородием и растения черпают питание прямо из полуистлевших, а то и из свежих листьев и веточек. Такое уже встречалось нам в северных биогеоценозах и в субтропиках на красноземах, где корни деревьев буквально высасывали из лесного опада питательные вещества, преграждая им путь в почву. И уже совсем нельзя не замечать органические горизонты на болотах. Ибо они, и только они, определяют анатомию торфяных почв. Здесь нет и в помине привычного деления на A, B, C. Все слои обозначаются только одной буквой - T, т. е. торфяной. Делятся они лишь по степени разложения растительных остатков. На Обь-Иртышском междуречье, где расположилось одно из самых крупных болот мира - Васюгань, можно наблюдать следующую картину. Сразу под зеленым ковром живого сфагнового мха появляется коричневая, почти не тронутая тлением, масса (T₁). Она может достигать мощности 2-3 м. За ней идет слой потоньше, уже заметно разложившийся. Его окраска с коричневой меняется на серую (T₂). Глубже расположена темно-серая, почти -черная мажущаяся масса, не напоминающая бывшие растительные остатки (T₃). И так до тех пор, пока не покажется минеральный горизонт G - сизый песок, или суглинок.

Примеров таких органических горизонтов в четвертом "царстве природы" можно встретить множество. Это и едва различимая корочка водорослей на поверхности степных и пустынных почв толщиной всего в несколько миллиметров, и смешанная с грунтом, переплетенная корнями растений дернина луговых земель, а также пахотный слой, измененный продолжительной обработкой и внесением органических удобрений.

Надо сказать, что докучаевский "алфавит" недолго оставался без изменений. Дополнения, вносимые в него, оказывались тем весомее, чем масштабнее проводились исследования в четвертом "царстве природы". Уже при детальном изучении черноземов и других степных почв А. Н. Соколовский предложил девять совершенно новых букв-символов для обозначения их горизонтов: H - гумусовый, E - элювиальный (обедненный коллоидами), I - иллювиальный (обогащенный коллоидами), K - карбонатный, G - гипсовый, S - солевой, Ge - глеевый (переувлажненный), T - торфяной, P - материнская, или подстилающая, порода. Новый "алфавит" говорил о многом. И в первую очередь о том, что степные земли куда сильнее различаются своими характерами, чем считали раньше. Они могли накапливать перегной и карбонаты и одновременно скрывать в нижних этажах смертоносные для растений соли. Символы Соколовского стали следующим шагом в расшифровке тайнописей, нанесенных природой на стенки шурфов.

Кроме накопления гумуса и минеральных веществ, в некоторых черноземах и серых лесных почвах ученый отметил диаметрально противоположное явление - обеднение коллоидами. Слой, терявший их, располагался как раз между теми горизонтами, которые Соколовский назвал H и I (у Докучаева A и B). Он обозначил его символом E (от начальной буквы латинского слова "eluvio" - вымываю). Этот горизонт вымывания хотя и встречался у почв почти всех природных зон, но в каждом отдельном случае его появление объяснялось разными причинами. В субтропиках красноземы обеднялись растительностью, в степях образование белесого горизонта у солоди связано с деятельностью диатомовых водорослей и разложением минералов щелочными растворами, в лесной - подзолы... Впрочем, о них разговор будет особый.

Еще в начале века при исследовании подзолистых почв выяснилось, что вслед за горизонтом A идет другой, который не только не похож на докучаевский В, но и отличается от него своими функциями и составом. Назвать его переходным между зонами накопления гумусовых и минеральных веществ также было нельзя. Ведь в нем преобладал кварцевый песок, а окислы железа, алюминия и других химических элементов почти отсутствовали. Сперва попытались оставить схему наименования горизонтов прежней. Так, белесый горизонт нарекли В, темный с ржавыми пятнами и черными марганцевыми конкрециями - C, материнскую породу - D. Но, увы, сторонники докучаевской триады просчитались. Слепое следование традиции привело к тому, что почвенная съемка где-нибудь в пограничных районах степной и лесной зон оказалась невозможной. Ибо один и тот же символ обозначал противоположные почвенные процессы: потери и накопление. Однако выход все-таки нашли. Белесый горизонт получил наименование A₂. Так он зовется и поныне.

Дискуссия о почвенном "алфавите" - тема отдельной книги. В настоящее время универсального языка у почвоведов разных стран нет. Даже в СССР в ходу более восьми официально используемых грамматик [Розанов, 1983, с. 111]. Многие из них насчитывают до 10 и более букв-символов. Но главное в другом: обозначения горизонтов имеют множество транскрипций, прочтений, толкований, индексов, уточнений, вариаций и переходных комбинаций. Чем ближе специалисты знакомятся с плодородным слоем, чем интенсивнее обрабатывают его люди, тем сложнее становится его азбука. И это - свидетельство того, что стена шурфа хранит еще немало тайн от ученых.

Впрочем, почвоведов все меньше и меньше устраивает поиск на плоскости. Они уже многие годы пытаются выделить почвенный индивидуум, особь - природное тело, имеющее три измерения. Чтобы понять, насколько сложная задача стоит перед исследователями, достаточно попытаться найти нижнюю, а еще лучше боковую границу какой-нибудь почвенной разности. Четкое разделение плодородного слоя на самостоятельные индивидуумы пока существует только на карте. В природе же такие рубежи не видны, так как они размыты, постепенны, диффузны. Поиск затруднен и тем, что не ясно, до каких пределов может делиться почвенный покров. Где тот рубеж, за которым представитель четвертого "царства" перестает быть действующей единицей природных сообществ, а не просто безликим куском грунта?

На почвы довольно долго смотрели как на объект, чья величина, предел деления определяются масштабом карты. Но любой контур, нанесенный на нее, согласно законам картографии предполагает единство свойств заключенной в нем территории. Почва же в силу своей природы не может быть таковой. Выходило, что единую и неделимую ячейку плодородного слоя надо искать по специфической, свойственной только ей неоднородности.

Теоретически все выглядело просто. Достаточно было выяснить амплитуду колебаний главных свойств почвы, выявить в них определенные закономерности и установить стандарт, допустимые границы, в которых они совершают те или иные отклонения. Так думал американский ученый М. Клайн. Он считал почвенным индивидуумом наименьшее природное тело, обладающее всеми особенностями тел данного класса. Но эталон не рождается сам по себе, его нужно рассчитать. А как?

На этот вопрос попытался ответить другой американский почвовед - Г. Пенни. Он обратил внимание на то, что почва всегда неоднородна. Она представляет собой сочетание различных элементов, в котором, как в пышном восточном ковре с богатым орнаментом, постоянно повторяется один или несколько мотивов, комплексов свойств. Первый шаг был сделан. За ним последовал ряд Уточнений. Элементарную почвенную единицу назвали "педон". (Этот термин еще в 30-х годах предлагал академик Л. И. Прасолов.) Ей определили размеры: от 1 до 10 м². В прерывистых или волнистых очертаниях горизонтов ученые увидели ритмы, циклы периодических колебаний свойств плодородного слоя. С их помощью его поделили на ячейки.

Но сенсации не получилось. Сами американцы, приступив к практическим поискам, убедились: торжествовать рано, требуются серьезные уточнения. Например, что считать полным циклом колебаний почвенных горизонтов? Какие из них важнее? Более того, первая же проверка метода выявила - границы, которые ограничили педоны, необоснованны. "Можно назвать множество случаев, - пишет Б. Г. Розанов, - когда почвенный индивидуум имеет площадь менее 1 м² и, наоборот, когда площадь его очень велика. Кроме того, при синусоидальном характере горизонтов изучение форм и соотношений горизонтов будет крайне неточным, если взять простирание их только на расстоянии полуцикла, необходимо иметь минимум два цикла для полной представительности педона" [Розанов, 1983, с. 49].

Иначе вел поиск советский почвовед Л. О. Карпачевский. "Раз почва - правдивое зеркало ландшафта, - решил он, - значит, в нем должны отражаться в деталях все его структурные единицы, ячейки". Выходило, что каждое дерево или куст, группа деревьев или кустарников оставляют в земле след. И не просто след, а чуть ли не все свое фотографическое изображение. Так родилась идея адекватности состояния почв и растительности. Согласно ей самая жесткая связь в природных сообществах существовала между растительностью и плодородным слоем. Иными словами, дерево порождало почвенную особь, педон; роща - полипедон; биогеоценоз - почвенную комбинацию.

Действительно, одно-единственное растение порой оставляет заметный след в "теле" почвы. Иногда такое явление наблюдается в черноземах, где среди трав поселяется кустарник или создается лесная полоса, или в горах, где дерево с густой кроной может резко менять характер увлажнения почвы. Но это не правило, а исключение. Прямой адекватности почв и растительности в природе нет. Еще В. Н. Сукачев отмечал: биогеоценоз - куда более сложный механизм, нежели система "почва-растительность". В нем не менее важную роль играют горные породы, грунтовые воды, климат и даже космические лучи [Там же, с. 50].

Надо признать, что охота за элементарными почвенными ареалами, педонами и прочими представителями четвертого "царства" еще до недавнего времени напоминала поиски легендарного снежного человека. Об элементарных почвенных ареалах знали многое, спорили о методиках их выделения, критиковали предложенные концепции, но выделить в плодородном слое почвенный индивидуум не удавалось. Оказалось, что увидеть его можно пока лишь в свете математических формул. Сотрудник Почвенного института им. В. В. Докучаева Ф. И. Козловский объявил педон категорией статистической. Используя во время поисков теорию случайных функций, он сумел расшифровать многие "письмена" на стенках шурфов, выявить некоторые законы, которым подчиняется их кажущаяся неоднородность. То, что не улавливал натренированный глаз почвоведа, перед чем был бессилен весь его опыт, проявилось в картинах, созданных из чисел, формул и уравнений. Первые портреты индивидуумов Ф. И. Козловский создал в подмосковных лесах, степях под Курском и на Сарпинской низменности, где преобладали дерново-подзолистые и каштановые почвы, черноземы. Работа над их образами началась с прокладки самых обычных траншей длиной более 10 м. Когда они были готовы, ученый тщательнейшим образом изучил чередование почвенных горизонтов, их малейших изгибов на свежезачищенной стенке этого необычного шурфа. Подобно настоящему живописцу, он старался за внешностью разглядеть характер своих моделей. Наброски, карандашные эскизы, размышления над зашифрованными природой письменами, вскрывшимися в почвенных разрезах, волнистые и похожие на языки горизонты вызывали в памяти знакомые зависимости типа Y=F(x). Казалось, достаточно заключить их в оси координат и получится та самая "функция от климата, материнских пород и организмов, помноженная на время", о которой писал еще Докучаев.

Козловский хорошо понимал, что неудача, постигшая американцев, - результат увлечения простыми циклами и ритмами, желания видеть в них чуть ли не сигналы, посылаемые нам почвами.

Изучая буквально каждый сантиметр траншей, Козловский пришел к выводу, что "изгиб" или "скачок" горизонта нельзя воспринимать как часть какой-то неизвестной зависимости, где каждому значению x соответствует свой y. Напротив, почвенные индивидуумы - сумма большого числа подобных отклонений, каждое из которых играет незначительную роль в их образовании. Для поиска представителей четвертого "царства", выделения их из покрова потребовались множество измерений, сложные расчеты. И наконец, из моря цифр, формул, уравнений стали вырисовываться контуры долгожданных педонов.

Дерново-подзолистые почвы, черноземы, каштановые земли обладали самыми неожиданными формами. Одни на них имели овальные, обтекаемые бока, другие были вытянуты, напоминали деревья с ветвящейся кроной, попадались и угловатые и аморфные фигуры. Но площади занимали они разные. Дерново-подзолистые особи довольствовались всего двумя квадратными метрами, встречались, правда, и гиганты по 20 м². В Курских степях такого разброда не было. Черные богатыри оказались как на подбор. Орнаменты, созданные ими, простирались на 25-30 м². Мозаика на каштановых землях занимала вчетверо меньшую территорию.

Основные формы элементарных почвенных ареалов: а) изоморфная, б) вытянутая, в) линейная, г) разветвленная, д) лопастная

А надо ли все это? Ведь метод, предложенный Козловским, громоздок. Его трудно применять в обычных научных и практических изысканиях. Да и что он может для них дать? Здесь необходимо вспомнить, что и ЭВМ еще совсем недавно имели внушительные габариты, а их оперативность вызывала большие сомнения. Земледельцу и мелиоратору же не так важно, с помощью математической статистики или каким иным способом удастся выделить компоненты почвенного покрова, требующие к себе особого подхода. Ведь пахать и засевать, рассолять и осушать им придется не понятия. А что так долго называлось черноземами, подзолами, красноземами и т. д., как не территории, покрытые черными, красными и другими почвами? Содержание в них питательных веществ, запасы гумуса и другие важные свойства давались приблизительно. Земледелец, как это ни парадоксально звучит, имел дело не с почвой, а с полем, пашней, лугом. А насколько бы эффективнее стали, например, усилия агрономов, если бы они получили в руки карту, где было бы показано не только распределение всех подведомственных им представителей четвертого "царства", но и различие их "характеров" и свойств.

Кстати, об оценке. Существует такая наука, как бонитировка почв, т. е. разделение их по степени пригодности, ценности для сельского, лесного и других хозяйств. Она имеет огромное значение для экономистов, разрабатывающих долгосрочные планы. По карте же, где указаны просто сероземы или дерново-подзолистые почвы, таких прогнозов не составишь. Ни для кого не секрет, что большинство почв можно использовать в сельском хозяйстве. А дальше?.. Дальше возникает вопрос: насколько? Ведь поверхность нашей планеты не ровный стол. На ней встречаются водоразделы, склоны, низины. Почвы же на водоразделах и склонах обладают различными возможностями, даже если они похожи друг на друга как две капли воды, содержат одинаковое количество перегноя. Однако первую можно пахать без всяких ограничений, а вторую в зависимости от крутизны склона. Если она более 10°, то и вообще нельзя. Значит, следует указать углы наклона? И не только их, но и каждое пятнышко солончака или заболоченных участков. Карту, где будут изображены почвенные особи с таким количеством пояснений, можно будет читать и анализировать.

Конечно, не обязательно на ней воспроизводить каждый индивидуум в отдельности. Если они однородные или хотя бы похожи друг на друга, их можно объединить в группу. Когда же особи мелкие и разные, о них обычно упоминают в пояснении к карте - легенде, например: почва фона - чернозем, вкрапления - солонцы мелких западин до 50%, на периферии понижений черноземы солонцеватые. Прочитав это, специалист быстро даст заключение: территория имеет контрастный почвенный покров, насыщена мелкими почвенными индивидуумами, использование земель затруднено, требуется мелиоративное вмешательство.

Однако и мелиоратору для успешного лечения нужны карты, рентгеновские снимки территории. И здесь опять важно знать, какова из себя почва, нуждающаяся в помощи, ее размеры, формы. В 30-х годах было принято решение провести орошение земель Поволжья. Почвы начали поливать. На одних территориях результаты оказались заметными, на других же все осталось без изменений. Согласно карте здесь раскинулось "царство" каштановых почв. Лет двадцать спустя обнаружилось, что каштановые земли здесь соседствуют с луговыми, которые разбросаны по бесчисленным мелким понижениям. Правда, и это открытие мало что прояснило.

Прошло еще два десятка лет, почвоведы начали задумываться над строением почвенного покрова. Вот тогда и решили заново отснять территорию Поволжья. Съемка была необычная. Рылись не отдельные ямы, а глубокие траншеи. Измерения проводились на расстоянии нескольких сантиметров. Образцы почв отбирались тысячами. Оказалось, что почвенный покров слагают крупные массивы каштановых почв, в которые вкраплены их луговые разновидности. На плакорах проявились округлые пятна, там, где уклон возрастал, пятна вытягивались, сливались в большие контуры, напоминающие ветвистые деревья. Теперь стало ясно, почему в одних случаях полив дал результаты, а в других нет. На территориях, занятых замкнутыми пятнистыми луговыми почвами, влага застаивалась. Под ее влиянием каштановые почвы теряли излишки солей, в них лучше накапливались питательные вещества и гумус. Они постепенно завоевывались более плодородными луговыми собратьями. Но там, где склон был чуть круче, луговые земли имели вытянутую форму. По ним вода беспрепятственно попадала в овраги и балки. Ее хватало только на их орошение. Впрочем, влага, доставшаяся каштановым почвам, также стекала в понижения, Эффект от орошения почти не ощущался.

Не менее важно знать расположение и внешность болотных почв, их индивидуумов. Здесь возможны самые разные варианты. Наиболее простой из них, когда болотца вкраплены мелкими пятнами среди крупных массивов подзолов. В этом случае достаточно снизить уровень грунтовых вод и переувлажненные участки исчезнут. Иное дело - подзолистые и болотные особи на речной террасе. Здесь, как ни снижай уровень природного коллектора, существенных изменений в почвенном покрове не добьешься. Можно лишь ожидать, что болотные почвы слегка потеснятся и уступят небольшую территорию подзолам.

Такие проблемы возникают очень часто не только при осушении или орошении территорий под сенокосы и пашни, но и при прокладке каналов, создании водохранилищ. Поэтому почвенные карты, где будут отражены почвенные индивидуумы, показаны их взаимоотношения между собой и с окружающим миром, ждут не только мелиораторы, но и строители, гидротехники и другие специалисты.