В поисках предельно простого

Почву, как и любое другое творение природы, сегодня изучают на самых разных уровнях. Это и поиск неуловимых индивидуумов, из которых соткан плодородный слой, и исследования метаморфоз, происходящих в нем с минералами и органическими веществами, и, наконец, проникновение в мир элементарных частиц, слагающих его толщу. Мы уже знаем, что почва более чем на 90% состоит из песка, глины, щебня и других безжизненных компонентов, размеры которых колеблются от нескольких сантиметров до микрометра. Гиганты инертны. Зато карлики, занимающие промежуточное положение между осколками пород и коллоидами, обладают поразительной активностью. В 1938 г. немецкий почвовед В. Кубиена. назвал первых скелетом, а вторых плазмой почвы. Ученый интересовался не просто составом "костной" ткани, а пытался выяснить ее внутреннее строение. Кубиена установил, что в почвах рождается три основных типа объединений: элементарный, микроагрегатный и связанный. Помог ему в этом микроскоп. Изучая пойменные почвы, оп заметил, что микрочастицы объединились в нем без какой-нибудь видимой связи с крупными осколками. Последние были попросту разбросаны на фоне однородной массы, как изюм в пироге. Если из него вынуть такую изюминку, то на ее месте останется пустая полость. Похожее часто встречается и в нижних горизонтах подзолов, когда из них извлекают крупную конкрецию или осколок. Такой вариант - пример элементарного объединения. В нем крупные и мелкие частицы слабо связаны друг с другом.

Следующий вид Кубиене помогла открыть уже известная нам работа Ч. Дарвина "Образование почвенного слоя деятельностью дождевых червей". Он увидел в ней то, что не заметили многие другие специалисты. С точки зрения микропедологии черви действительно одни из главных творцов почвенных частиц - микроагрегатов, маленьких земляных комочков. Они-то и составляют вторую группу минеральных частиц, сцементированных гумусовыми веществами. Впрочем, роль вяжущего вещества могут выполнять и неорганические коллоиды. Такие бурые и темно-серые комочки порой слагают целые горизонты лесных почв.

И наконец, третий вид - корочки карбонатов, гипса, железа, кремнезема, которые нередко встречаются в степных и пустынных почвах. Они рождаются тогда, когда испаряются почвенные растворы. Кубиена ярко описывал их появление в своем труде "Микропедология": "Раствор, насыщенный кальцием, движется от нижних горизонтов к верхним. Он поднимается по капиллярам все выше и выше. И тут на его пути попадаются поры, наполненные воздухом. Соприкоснувшись с ним, часть жидкости моментально испаряется, и на стенках пор образуется налет из углекислого или сернокислого кальция в зависимости от того, каким соединением был насыщен почвенный раствор" [Kubiena, 1938, с. 65]. Такая пора хорошо видна под микроскопом, увеличивающим всего в 100-200 раз.

Правда, почвенный образец не положишь на предметное стекло. Для того чтобы его исследовать, необходимо изготовить шлиф. Работа эта кропотливая. Уже в поле из шурфа аккуратно вырезают маленький монолит. Его заливают парафином, а затем, уже в лаборатории, вываривают в смоле лиственницы или в плексиглазе. Намертво сцементировав почвенные частицы, образец тщательно шлифуют. Операция часто повторяется до 5 раз, пока не образуется прочная и ровная пластинка. Только после этого ее наклеивают на стекло.

Но вот шлиф готов. Его можно исследовать. Обычно человек, впервые увидавший под микроскопом почву, бывает удивлен ее замысловатыми узорами. Поры представляют собой не простые дырочки, а целые коммуникации, выложенные, точно брусчаткой, кристаллами кальция. Невидимый, вскипающий от капли соляной кислоты горизонт в черноземах при увеличении в 100 раз оказывается скоплением кристаллов кальция.

В шлифах легко различить самые начальные стадии тех или иных почвенных процессов. Например, на стенках пор появляются тонкие пленки глины - это верный признак лессиважа (перемещения различных соединений из верхних горизонтов в нижние без разрушения). Нечто подобное можно увидеть и у подзолов, но у них в порах осядут уже продукты распада: окислы железа, алюминия, марганца и т. д.

Чтобы различать все эти тонкости под микроскопом, необходимо сначала научиться самой простой операции - различать при большом увеличении песок и глину. Даже без предварительной подготовки это легко сделать на ощупь. Но как выглядят песчинки и глинистые частицы, знают немногие. При увеличении в несколько сот раз они смотрятся много привлекательнее, чем невооруженным глазом. В песке оказываются не только бесцветные осколки кварца, но и другие минералы самых разных цветов и оттенков. Они слагаются в замысловатые мозаики. В шлифе супеси уже прослеживается фон. Его составляют тонкие частички глины. Здесь яснее выражен рисунок. В суглинке песчинки располагаются отдельными островками. Их шлифы напоминают картину звездного неба. Ну а глины скорее похожи на пейзажи, написанные акварелью. В их шлифах не встретишь резких переходов, тона мягкие.

Такое созерцание дает лишь самую поверхностную информацию о костной ткани почв. И конечно, она не может удовлетворить специалиста, занятого поиском элементарных, предельно простых частиц, слагающих плодородный слой. Поэтому почвоведы-микроморфологи оперируют совершенно иными категориями, объединениями или агрегатами. Только что мы познакомились с триадой Кубиены. Немецкий ученый дал лишь самую общую классификацию "простых" почвенных образований. Но даже она позволяет порой выйти из затруднительного положения.

В начале 50-х годов в степях Калмыкской АССР работали два отряда - геологов и почвоведов. И вот в одном из шурфов у самой поверхности земли, где-то на глубине 10-20 см, под глинистыми наносами неизвестно откуда появился песок, а под ним опять лежали те же глины. В поле объяснить происхождение "слоеного пирога" так и не удалось. Только в университетской лаборатории, когда из образцов этого загадочного песка изготовили шлифы, стало ясно: сыпучий материал, как значилось в полевых дневниках, оказался... глиной, точнее, агрегатами глинистых частиц, которым не давали слипаться кристаллы солей кальция и натрия.

Между тем среди агрегатов встречаются и более неожиданные образования. Например, поры, пустоты, трещины и поры в грунтах могут рассказать не меньше комочка. Частые продолговатые пустоты - следы корней и коммуникаций, проложенных мелкими насекомыми. Овальные кабинеты - жилища личинок. Промежутки между агрегатами - тоже агрегаты. К последним относятся и трещины, появившиеся в результате колебаний температур и влажности.

Мы уже упоминали о кристаллах солей. И они создают свои формы. Это иглы кальция, трубочки внутри пор, волокна. По ним нетрудно установить прошлое почвы. Если она родилась на отложениях озера или моря, то среди беспорядочного сплетения волокон мы увидим обломки раковин моллюсков. Если самый нижний горизонт D состоит из обломков гранита, а в верхних горизонтах, несмотря на это, все-таки встречаются обломки известняка, карбонаты, то вывод может быть только один: в течение всей жизни почвы здесь был устойчивый сухой климат.

Сегодня редко встретишь человека, который бы не знал об удивительных конкрециях, поднятых со дна океана. Они содержат много кобальта, никеля, марганца и других полезных ископаемых. Так вот, их далекие родственники много раньше были найдены в почве. Дары моря имели внушительные размеры, до 1,5 м в поперечнике. Обитатели подвалов биосферы не превышали нескольких сантиметров, а чаще долей миллиметра. И те и другие напоминают луковицу. Под микроскопом мы не увидим в них ни лучей, ни волокон. Их срезы скорее похожи на твердые скорлупки, внутри которых находится самая неожиданная начинка. Иногда это осколок, иногда белый известняк, а иногда и пустота. Конкреции помнят многое. В этом легко убедиться, разглядев их шлифы. Случается, что под броней из окислов железа попадается мягкий полуразрушенный кусочек мела - чисто степной минерал в оправе лесного происхождения. Обычно такие орехи встречаются у почв, переживших какие-нибудь глобальные климатические перемены или родившихся где-нибудь в тайге на обломках известняка и волей случая оказавшихся на поверхности. Здесь карбонаты кальция подвергались воздействию климата и растительности. Влага, настоянная на кислых иголках сосен и елей, объединившись с агрессивными кислотами почв, не только разрушала известняк, но и обволакивала его частицы плащом из окислов железа, образовавшихся из растворенных минералов.

Конечно, не всегда достаточно просто поглядеть в микроскоп, чтобы раскрыть прошлое почв. Поэтому специалисты разработали целую систему их опознания. Иначе и не назовешь ту анкету, которую приходится заполнять исследователю во время наблюдений. Она состоит из десятков вопросов о цвете, происхождении оттенков, сложении, ширине и форме пор. И все эти показания должны быть получены от каждой частицы, запаянной в смоле. Особого внимания заслуживают отпечатки, оставленные корнями и разложившимися растительными остатками на горных породах и минералах. Так из разрозненных на первый взгляд Сведений складываются картины различных природных процессов, формирующих плодородный слой.

Иногда прямое исследование минерала не дает исчерпывающих ответов на поставленные вопросы. И тогда почвовед применяет испытанный метод: рассматривает его в поляризованном свете. (Световой луч обычно напоминает "ерш", которым чистят бутылки, настолько беспорядочны его колебания. А у поляризованного луча колебания происходят в строго определенных плоскостях.) В таком свете меняется окраска минералов, выступают черты, которые они старались скрыть при простом освещении. Например, присутствие глинистых частиц в конкрециях.

Микроскоп позволяет узнать не только о самой почве, но и о растительности, покрывавшей ее в прошлые геологические эпохи. Дело в том, что травы и деревья, отмирая, отдают почве не только органическую массу, но и... минералы, образовавшиеся в их стволах, стеблях, листьях. Это - фитолиты. Состав их различен. Но чаще других среди фитолитов встречаются зерна окиси кремния, реже карбонаты, сульфаты, хлориды и фосфаты кальция. Иногда в почве можно найти ненарушенные останки диатомовых водорослей, губок и других растений. Как же это происходит?

Ни для кого не секрет, что многие травы и деревья жадно поглощают из почвы минеральные соединения, например злаки - кремнезем. В период вегетации, когда растения набирают силу, их ткани постепенно заполняются минеральными соединениями. Клетки злаков инкрустируются окислами кремния, в листьях липы, ясеня и дуба задерживаются соли кальция. В результате в некоторых из них накапливаются соединения кремния или кальция. К концу лета травы отмирают, а деревья сбрасывают листву и почвы насыщаются мириадами мелких зернышек кремнезема и углекислого кальция.

Лучше изучены пока фитолиты опала. Они придают белесый цвет гумусовым комочкам и призмочкам, слагающим горизонт А. Такую присыпку можно встретить даже у черноземов сухих степей. Светлые, почти белые прожилки опала прорезают их профиль от дернины до горизонта С. Случалось, что эти опаловые зерна вводили в заблуждение специалистов. Еще в 1908 г. при исследовании черноземов под лесными полосами русский исследователь М. Е. Ткаченко был поражен обилием белесых пятен и других внешних признаков оподзоливания в их профиле. Вывод напрашивался сам собой: степные почвы деградируют под древесными насаждениями. Поспешное заключение не оспаривалось два десятилетия. Лишь в конце 20-х годов академик Л. И. Прасолов [1927] опроверг бытовавшее мнение. Изучая агрегаты черноземов под бинокуляром, он пришел к выводу: покрывающие их зернышки опала растительного происхождения.

Таежные земли еще сильнее сдабриваются этим белесым порошком. Советский почвовед Л. Е. Новоросова [1951] подсчитала: ежегодно с хвойным опадом на каждый гектар леса возвращается до 60 кг кремнезема. Большая часть этих поступлений (мельче 0,005 мм) долго не задерживается в почве. Она растворяется и снова принимает самое деятельное участие в круговороте: поглощается растениями, выносится почвенными растворами и т. д. Более крупные биолиты куда дольше сохраняются в подвалах биосферы.

Зерна опала помогают узнать о растительном покрове и климате давно минувших времен. Ведь фитолиты во многом повторяют форму клеток породивших их растений. Еще в конце XIX в. было известно, что клетки лютика не похожи на клетки полыни, а клетки листьев дуба никогда не спутаешь с теми, из которых изготовлены листья березы. По фитолитам очень просто не только восстановить растительный покров, климат прошлых эпох, но и представить жизнь почв в этот период.

Природа позаботилась и о том, чтобы фитолитам было свойственно чувство времени. Она заложила в них своеобразные часы - кусочек углерода. Даже в чистом опале растительного происхождения содержится до 1% природной сажи. Подвергнув ее радиоуглеродному анализу, американский ученый И. Гилл установил, что возраст зерен опала, а значит, и почв иногда превышает 13 тыс. лет.

На первый взгляд многие фитолиты похожи друг на друга. У них одни и те же овальные формы и сглаженные края. Но при более близком знакомстве обнаруживается, что каждый из них неповторим, индивидуален. Пока каменная летопись таит много загадок от исследователей. Однако изучение ее уже началось. Выделено четыре класса знаков. Класс овсяницевых отдаленно напоминает зернышки. В нем насчитывается до восьми разновидностей - от округлых до продолговатых и извилистых частиц. Они слабо изрезаны, слегка окатаны. А вот класс хлорис менее выразителен. У него всего два типа зерен. Зато просовидные фитолиты своим разнообразием побили всех. Среди них выделено 11 специфических форм. На просо они похожи мало. Эти зерна скорее напоминают гимнастическую гантелю. И наконец, класс удлиненных фитолитов, который присутствует во всех растениях.

Американский ученый П. Твисс, разработавший эту классификацию, использовал ее при анализе атмосферной ныли, скопившейся в современных и погребенных почвах штата Канзас. По его данным выходило, что десятки тысяч лет назад в них отлагались зерна типа овсяницы и хлорис, т. е. территорию штата покрывали менее засухоустойчивые растения, чем в наши дни. В современных же почвах ученый нашел гантелевидные, просяные зернышки. Картина была ясна - за последние тысячелетия климат в Канзасе стал заметно суше [Добровольский, Шоба, 1978].

А имеет ли форму гумус? Можно ли его разделить по внешним признакам, как это мы сделали с минеральными веществами? Первым на эти вопросы ответил ученый Г. Мюллер (ФРГ). Он и в органическом веществе почвы выделил три главные формы: мор, модер, мюлль. Мор - первая стадия разложения растительных остатков - чисто органическое образование. Над ним уже потрудились насекомые, микробы лишь приступили к его обработке, но тем не менее мор трудно назвать даже полуфабрикатом настоящего перегноя. Это самая примитивная, грубая обработка растительного опада. По-иному сложен модер. Он не так однороден, как мор. Этот класс содержит уже вещества, смешавшиеся с минеральной частью почвы. Модер - продукт, переработанный в желудках почвенной фауны. В нем еще много подвижных органических веществ, признаков незрелого гумуса. Мюлль - совсем иное дело. Он - средоточие всех тех положительных качеств, которые в предыдущих формах находились лишь в зачаточном состоянии. Его связь с минералами особенно тесна.

При изучении органики почвы Кубиена применил ту же анкету, что и для минеральных веществ. Уже при исследовании шлифов, где были заключены частички мора, он выделил четыре стадии разложения растительных остатков. В самом начале переработки листья, иголки и стебли трав были слабо изменены животными и солнечными лучами. Но в них уже прослеживались первые нарушения. То здесь, то там ткань листьев переходила в темное расплывчатое пятно перегноя. Признаки тления выявлялись тем отчетливее, чем выше была разрешающая способность микроскопа.

В некоторых шлифах с мором Кубиене попадались и совершенно нетипичные для этой формы гумуса пятна. Они были темно-бурого цвета. И лишь по мельчайшим "осколкам" листа или иголки ученый догадывался, что перед ним истлевший кусочек растительности в следующей стадии разложения. Препараты, приготовленные из модера и мюлля, помогли Кубиене познакомиться с еще более глубоким лизисом опада трав и деревьев. В шлифах модера преобладали бурые и серые тона. Среди этих пятен можно было различить очертания растительных остатков. Мюлль выглядел более однотонным. В нем царствовали серые и темно-серые краски, кое-где проглядывали стенки тканей и клетки исчезнувших трав.

Специалисты недолго довольствовались триадой Кубиены. По аналогии с минеральной, костной тканью почвы они выделили "органическую плазму". Она была признана четвертой формой гумуса наравне с мюллем, модером и мором. Но в отличие от них о ее составе знали крайне мало. Считалось, что плазма - смесь коллоидных частичек с растворимым органическим веществом. Известный французский почвовед Ф. Дюшофур в 1970 г. высказал предположение о существовании различных форм плазмы, назвав ее чисто органическим образованием. Американец Л. Баль считал ее однородной органической массой, заполняющей пространство между частичками глины. И тут оказалось, что ученые знают лишь часть правды о четвертой форме гумуса. Еще в 30-х годах советский почвовед Д. И. Сидери, изучая под микроскопом тонкие, срезы черноземов, увидел в них глинистые частички, покрытые сгустками и хлопьями органического вещества. Ничего необычайного в этой картине, конечно, не было. Но Сидери поразила одна особенность: эти образования напоминали шарики. До него и много позже их считали результатом простого обволакивания минеральных частиц гумусовым веществом. Но уже тогда ученого не удовлетворило такое формальное объяснение. Тщательное изучение загадочных шариков показало, что они - гумусово-глинистые объединения. Минеральная частица составляла ядро, а перегнойные пленки охватывали его несколькими слоями. Сидери понял: перед ним были элементарные, наиболее простые частицы мюллевого гумуса. Правда, открытие ученого тогда не получило признания. Лишь в конце 70-х годов французский исследователь П. Шассена пришел к тому же выводу.

Триада Кубиены для органического вещества и открытие Сидери легли в основу классификации почв нашей страны по форме и смешиваемости гумуса. Ее авторы А. И. Ромашкевич и М. И. Герасимова разделили всю территорию СССР на зоны преобладания мора, модера и мюлля [1982].

Владения грубого гумуса охватили в основном горные области. У самой границы вечных снегов, где расположились почвы альпийских лугов, органическое вещество, пожалуй, наименее переработано, а связь между ним и минеральной частью практически отсутствует. Это - экстрамор. Его антагонизм к глинистым минералам выражен настолько сильно, что горизонты альпийских почв делятся на чисто органические и чисто минеральные. Но достаточно спуститься чуть ниже, где под хвойной растительностью расположились горные подзолистые и бурые лесные почвы, и по их строению легко заметить, что неприязнь между живой и неживой природой ослабла. Органические вещества и глины идут на компромиссы. Результатом стал переходный слой между грубогумусовым и минеральным горизонтами.

"Царство" модера охватывает почти всю зону северной тайги. Перегнойное вещество развитых здесь подзолистых почв уже подверглось воздействию животных, но тем не менее оно еще носит отпечатки суровых климатических условий, примеси мора. Чем дальше на юг, тем мягче становится гумусовое вещество, тем охотнее вступает оно в союз с глинистыми частицами. В смешанных лесах на дерново-подзолистых и серых землях уже не лежит печать суровых климатических условий. В модере все явнее проступают черты мюлля, пока он окончательно не обращается в него. Такое образование называют лесным или лесостепным мюллем. Оговорка эта крайне важна. Ибо, несмотря на то что перегной серых лесных почв внешне очень близок к классическому мюллю, он все же куда подвижнее его, т. е. недостаточно зрел.

Вотчина мюлля - черноземы. Самый высококачественный гумус хранят эти степные почвы. Чтобы как-то выделить его из похожих форм той же категории, он получил имя кальциевого мюлля.

Правда, такое разделение сфер влияния - лишь схема. И схема очень приблизительная. Ведь она не учитывает ни истории развития почвенного покрова, ни влияния человека. А сбрасывать их со счетов нельзя. Это доказал еще Кубиена. Одновременно с открытием своей триады он описал форму гумуса, получившую название "тангел". Наткнулся он на нее в одной лесной почве, которая буквально вросла в свою предшественницу, рендзину. В результате ее гумусовый горизонт приобрел двухъярусное строение. В нижней части сохранился мюлль, а верхняя содержала модер с признаками мора.

Еще быстрее и кардинальнее меняет картину человек. Ему достаточно распахать почвы с грубым гумусом и начать вносить в них органические удобрения, как через несколько лет на месте модера возникает новая форма с явными признаками мюлля, а то и самый настоящий мюлль.