Почвенные процессы, эволюция почв и деятельность человека
Пробороненные просторы
Так гладко улеглись вдали,
Как будто выровняли горы
Или равнину подмели.
Б. Л. Пастернак
Пробороненные просторы так гладко улеглись вдали
Почва — это сложное образование, состоящее из минералов в форме кристаллов и коллоидов, обломков различных горных пород, водных растворов, газов. Среди минералов есть устойчивые к химическому выветриванию и химическим реакциям, например кварц, и неустойчивые, быстро разрушающиеся и превращающиеся в простые окислы, растворимые соли (к таким относится, например, оливин).
В почву постоянно поступает органическое вещество, в составе которого можно обнаружить кислоты, такие, как яблочная, щавелевая, янтарная, лимонная, и другие, аминокислоты, сахара и т. д. — словом, разнообразные органические соединения. Эти вещества вступают в реакции с минералами, переводят элементы в растворимую форму. Часть органических веществ превращается в гумус, при этом, как предполагают некоторые ученые, почвенные минералы могут играть роль матрицы, шаблона, по которому образуются гумусовые вещества строго определенного типа. Идет как бы репродукция гумусовых веществ.
На состояние многих минералов и органических веществ влияет содержание в почве кислорода. Недостаток кислорода в летние месяцы приводит к восстановлению соединений железа, марганца, азота (эти элементы принимают на свои «атомные орбиты» электроны и тем самым меняют свою валентность). Недостаток кислорода в эти месяцы обычно связан с переувлажнением почвы при избытке осадков. Высокие летние температуры уменьшают растворимость кислорода в воде и увеличивают потребление его микроорганизмами. Но восстановление элементов в почве может происходить также под влиянием органических веществ, фильтрующихся и попадающих в почву.
Почвенные процессы, эволюция почв и деятельность человека
Любое передвижение воды, расход ее на испарение или, наоборот, приток с орошением, дождями, из грунтовых вод меняет концентрацию почвенных растворов, сдвигает равновесие между растворенными и нерастворенными формами соединений. В результате изменения влажности в почве либо растворяются, либо выпадают в осадок самые разные вещества. Кроме того, вещества приносятся или уносятся из почвы. Таким образом, во всех случаях наблюдается определенная динамика веществ.
В качестве примера можно привести изменение содержания растворимых солей в грунтовых водах при поливе. Так, полив луговых слабозасоленных почв привел к тому, что в грунтовой воде, уровень которой поднялся, содержалось больше солей, чем до полива. Это было связано с тем, что поднявшаяся вода растворила соли, содержащиеся в верхней части почвы. Этому же способствовала фильтрующаяся через почву поливная вода.
Все почвенные реакции, как и любые химические реакции, связаны с температурой воздуха, а следовательно, и почвы. Повышение температуры ускоряет реакции, увеличивает растворимость твердых соединений, уменьшает растворимость газов и т. д. Повышение температуры в интервале двадцать — тридцать градусов усиливает активность микроорганизмов. Положительные температуры — непременное условие жизни растений. Только когда температуры устойчиво превысят пять — десять градусов, большинство растений начинают вегетировать, поглощать в большом количестве углекислый газ, выделять кислород, образовывать зеленую массу. Приблизительно при пяти градусах начинается активная жизнь в почве, увеличивается растворимость питательных веществ. Одновременно начинается усиленное потребление питательных веществ растениями.
Таким образом, почвообразование включает множество процессов, химических реакций всех типов, вплоть до радиоактивного распада веществ. Но известно, что такие необходимые для осуществления большинства реакций условия, как влажность (поступление воды) и температура, для многих почв изменяются как в течение года, так и по годам. Часть условий, например температура и в меньшей степени влажность, меняются циклически. Так, в течение годового цикла меняется влажность почв от избытка весной, сразу же после снеготаяния, до недостатка летом, в жаркие месяцы, от иссушения в сухой период до переувлажнения во влажный.
Для многих почв характерна циклическая смена нагревания и охлаждения, циклично и поступление в почвы и на их поверхность органического вещества. Например, в средней полосе максимум опада поступает осенью. Второй максимум отмечается в марте — апреле при таянии снега. В дубово-хвойных лесах Гималайских гор максимум поступления опада приходится на апрель — май — начало дождевого сезона.
Цикличность в поступлении опада сопряжена с наличием у растений периода покоя, связанного с низкими температурами или с засушливым периодом. К этим паузам в развитии биогеоценоза и приурочено увеличение поступления органического вещества в почву.
Кроме годичного цикла есть суточные циклы. Для них также характерны чередования в изменении температуры, колебании влажности верхнего слоя почвы, а также активности микроорганизмов. Так, в черноземах Алтая влажность пахотного слоя в летние месяцы в утренние часы обычно выше, чем в вечерние. Это увеличение влажности связано с конденсацией водяных паров в верхних слоях почвы при их остывании.
Кроме суточного и годового циклов есть и многолетние, связанные с активностью солнца, с чередованием климатических периодов и т. д. Смена периодов приводит к смене скорости и даже к изменению типа почвообразования.
Многие почвенные процессы, зависящие от циклических процессов, происходящих в природе, сами не цикличны, точнее, необратимы, например, разрушение минералов (полевых шпатов, слюд и пр.), которые не могут вновь синтезироваться. Для образования им необходимы высокие давления и температуры глубинных слоев планеты. Поступление в почву, образование и разложение в ней органических веществ хоть и циклично, но также необратимо. Органическое вещество окисляется, и в процессе его окисления образуются специфические и не специфические для почвы соединения. Постепенно они тоже окисляются. Но поступление новых веществ из опада и подстилки как бы восстанавливает убыль этих соединений.
Всю совокупность процессов в почве можно свести к определенным микропроцессам (как их назвал профессор А. А. Роде), например, к процессам разрушения первичных минералов, унаследованных от материнской породы, к процессам образования вторичных минералов в почве, синтезу гумусовых веществ, окислению гумусовых веществ, передвижению воды, процессам адсорбции и десорбции веществ на поверхности почвенных частиц, к реакциям обмена и замещения элементов в разных соединениях почвы и др. Сами по себе эти процессы не несут никакой почвенной специфики. Они могут проходить и в других природных образованиях и условиях, в том числе в океане, реках, атмосфере, то есть во всех биокосных «телах». Всюду, где косная материя контактирует с живой, будут идти перечисленные процессы.
Эта общность процессов послужила основой для одной важной в теоретическом плане дискуссии. Как известно, В. В. Докучаев среди процессов почвообразования главным считал формирование профиля, типичного для каждой почвы со всеми свойственными ей горизонтами. Именно в формировании профиля В. В. Докучаев и Н. М. Сибирцев видели суть почвообразования. Другая школа почвоведов, основоположником которой был П. А. Костычев, рассматривала почву как среду обитания растений. Костычев определял почву как слой породы, в котором распространены корни растений. Р. В. Ризположенский усилил это определение, назвав почвой «границу между живой организованной и неживой материей». В этом определении — характерная черта биокосных тел. Ризположенский даже выделил твердые, жидкие и газообразные почвы, что опять-таки соответствовало биокосным телам и экосистемам. Н. М. Сибирцев выступил против такого отождествления биокосных тел с почвой. Только в твердом биокосном теле — почве идут процессы собственно почвообразования, формирования специфического профиля с гумуси-рованным верхним слоем. Поэтому почвы не могут быть жидкими и газообразными. Среда для выращивания растений может быть разной, но почвы только твердыми.
В дальнейшем определение почвы Докучаева было принято во всем мире, и взгляды Докучаева успешно разрабатывали его ученики, что в конечном счете привело к созданию учения о биосфере и биогеоценологии. Как часто бывает в науке, казалось бы, непримиримый оппонент Докучаева П. А. Костычев стал основателем школы почвоведов, существенно дополнивших, а затем и влившихся в «докучаевское» почвоведение. Почвоведы этой школы начали разрабатывать теорию почвенных процессов.
В лесопарке Тимирязевской сельскохозяйственной академии растут две лиственницы, около которых стоит мемориальная доска, напоминающая посетителям, что эти лиственницы посажены академиком Д. Н. Прянишниковым и его другом профессором П. С. Коссовичем. После окончания академии Коссович стал профессором в Лесном институте в Петербурге, на кафедре, которую организовал П. А. Костычев. Рассматривая образование почв как длительный процесс преобразования материнской породы, П. С. Коссович выделил шесть типов почвообразования: пустынный, сухостепной, степной, лесо-луговой, тундровый и тропический-субтропический. Для каждого типа почвообразования характерна своя группа типов почв, включающая несколько почв, образующихся в сходных климатических условиях. Например, для пустынного почвообразования характерно формирование примитивных пустынных почв, песчаных пустынных, сероземов, такыров — солонцеватых глинистых почв и др. Для сухостепного почвообразования типичны каштановые и бурые степные почвы, для степного — черноземы, лугово-черноземные почвы, солонцы, для лесного — бурые лесные, серые лесные, дерново-подзолистые, подзолистые и пр. П. С. Коссович считал, что природные процессы, идущие в этих почвах, отражают условия почвообразования. Сами процессы, по Коссовичу, складываются из уже известных нам простых процессов: гумусообразования, выщелачивания, разрушения почвенных минералов и выноса продуктов разрушения. Естественно, что условия формирования почв (климат и физические свойства породы) влияют на почвообразование. Как теперь принято говорить, в названиях типов почвообразования, предложенных П. С. Коссовичем, были закодированы почвенные процессы, специфические для каждой климатической зоны.
Ученик П. С. Коссовича и его преемник по кафедре академик К. К. Гедройц раскрыл сущность некоторой части почвообразовательных процессов. Он показал, что почвы содержат кальций, магний, натрий и другие катионы в поглощенном состоянии. При определенных условиях эти катионы меняются друг на друга. Все дело именно в этих условиях. Так, например, в северных широтах в почвах содержится много воды, органических кислот, и водород этих кислот поступает в почву, вытесняя кальций. Последний выщелачивается из почвы, и она становится кислой. В южных почвах избыток в почвенных растворах натрия может привести к вытеснению кальция натрием и превращению каштановой почвы или солончака в солонец. Учитывая все эти процессы, Гедройц разделил почвы мира на группы по преобладанию в них кальция, натрия, водорода в обменном состоянии.
Преемник и ученик К. К. Гедройца профессор А. А. Роде разработал уже целое учение о почвенных процессах. Он выделил, как уже отмечалось, микро- и макропроцессы. К первым он отнес процессы гумификации, выщелачивания, разрушения первичных и вторичных минералов, ко вторым — соответственно образование почвенных горизонтов (процессы оглеения, оподзоливания и пр.).
Академик И. П. Герасимов макропроцессы назвал элементарными почвенными процессами и к ним отнес помимо других процессы торфообразования, выщелачивания, гумусонакопления, оглеения, оподзоливания и другие.
Выделить процессы теоретически можно, но практически эта задача очень сложна. Обычно почвовед описывает почву и на основании присутствия в профиле того или иного горизонта выделяет главный процесс. Как видно из названия самих процессов, все они диагностируются по почвенным горизонтам. Получается подобие логического круга: выделяют специфический горизонт, по нему определяют процесс и считают, что горизонт образовался в результате выделенного процесса. Но уже сейчас ясно, что один и тот же признак почвы, а также один и тот же горизонт могут быть связаны с разными процессами. Например, осветленный горизонт может быть унаследован от материнской породы: двучленные отложения с более светлым облегченным слоем сверху. Но осветленный горизонт может быть связан и с воздействием переувлажнения: вода, застаиваясь, переводит бурые окислы железа в светлую закись. Причина осветления может быть и другой — из слоя почвы выщелочены соединения железа. Все три причины могут действовать и одновременно.
К сожалению, наблюдения за почвенными процессами непосредственно начались не так давно, не более ста лет назад. Поэтому все выводы о самих процессах и их последствиях построены либо на гипотезах, либо на модельных опытах. Академик С. И. Коржинский заметил, что около корней деревьев в серых лесных почвах субстрат светлее, оподзоленнее. И он сделал вывод об оподзоливающем влиянии деревьев на почву. Эта точка зрения была подтверждена экспериментально П. А. Костычевым, показавшим, что если на чернозем положить опад дубовых листьев, а затем пропускать сквозь них воду, то почва светлеет, оподзоливается. Но и количество воды и масса опада были намного больше тех реальных величин, с которыми мы встречаемся в природе (к тому же опыты проводили при комнатной температуре). В природе такое переувлажнение бывает главным образом весной при низких температурах. Поэтому считать опыт Костычева абсолютно доказательным нельзя. Кроме того, накопились данные об образовании черноземов непосредственно под лесом.
В 90-х годах прошлого века начались широкие работы по разведению лесов в степи. В Каменной степи, в других местах черноземной зоны В. В. Докучаев посадил лесные полосы. Через пятьдесят лет исследователи не смогли найти следов оподзоливания в почвах под этими полосами.
Не простая задача — оценить, насколько процесс является циклическим. Но важность такой оценки очевидна. Если процесс цикличен, то, зная этот цикл, можно предсказать значение данного свойства почвы в любой момент цикла. Можно не беспокоиться особо об этом свойстве — оно вернется к исходному значению в конце цикла.
На основании наблюдений к цикличным относят процессы структурообразования, изменения влажности, гумусонакопления, азотфиксации и некоторые другие. Но и у этих процессов может быть остаточный эффект, который проявится через несколько сот лет. Поэтому так трудно оценить реальную эволюцию почв и почвенного покрова.
Можно предположить, основываясь на теперешнем строении почвенного покрова, что и в доисторическое время шла геологическая эрозия почв, которая сглаживала рельеф, погребала почвы склонов, но смыв почвы на водоразделе восполнялся включением в почвообразование новых слоев подпочвы.
Происходили в природе и катастрофические явления, катаклизмы — извержения вулканов, землетрясения, селевые потоки, оползни. В результате этих катастроф страдали почвы иногда на больших территориях. Например, Камчатка, Японские острова, частично Большие Зондские острова и другие территории неоднократно погребались вулканическим пеплом. Но в тех местах, где не было катастроф, почвы развивались в течение всего времени, пока данная территория представляла собой сушу, однако же и здесь постоянно происходили процессы эрозии. Например, в тропиках мощность почвы непрерывно росла, выветривание захватывало все более глубокие слои земли. Круговорот веществ в тропических биогеоценозах способствовал обогащению верхних слоев почвы питательными веществами. Поэтому вечнозеленые тропические леса беспрепятственно росли на ферраллитных почвах в течение тысячелетий.
Сбалансированный круговорот веществ в степях и лесах умеренной зоны также способствовал жизни, длительному существованию зональных биогеоценозов и сохранению почв во всей своей первозданной красоте.
С началом хозяйственной деятельности человека наметились существенные изменения в биосфере. Сведение лесов, распашка почв, регулирование стока рек, орошение, замена естественных БГЦ искусственными агроценозами преобразили облик биосферы. В период интенсивного освоения земель, когда все больше и больше строилось дорог, городов, распахивалась целина, и сформировалось понятие «борьба с природой». Раскорчевка лесов, прокладка дорог в тропических лесах с их злокачественной лихорадкой, бесчисленными болезнетворными микробами и кровососущими насекомыми — все способствовало идее «победить природу», обжить мир. С начала XX века во многих книгах красной нитью проходит мысль о независимости человека от природы.
В наш атомный век энергетические возможности практически неограниченны, и человечество уже не зависит в той степени, как раньше, от таких ресурсов, как древесина. Даже уголь и нефть в будущем рискуют потерять свое значение в жизни человека как источник энергии. Энергия позволяет человеку строить теплицы и получать гарантированные урожаи некоторых сельскохозяйственных культур круглый год. Намечается как бы независимость человека от почвы, с которой он так долго неразрывно был связан. Энергетические и технические возможности нашего времени создали такую ситуацию, когда человечество способно изменить самым кардинальным образом окружающую природу: вырубить леса, заковать десятки квадратных километров почвы в бетон и асфальт, поменять направление рек, создать новые «моря». Эти энергетические и технические средства могут помочь природе: остановить рост оврагов, засыпать их и засадить лесом, продвинуть леса в степь, остановить заболачивание территории и т. д. И эти возможности человека требуют разработки сложного комплекса мероприятий по охране природы.
Охрана природы — это прежде всего охрана человека. Благосостояние человечества еще на тысячелетия вперед будет неразрывно связано с природой. И уничтожение природы, бездумное, некомпенсированное нарушение природных связей может привести к трагедии человечества. Но охрана природы должна включать и результат совместного труда человека и природы. Например, наша среднерусская полоса — это не чисто природное образование, это итог многовекового труда русского крестьянина, сумевшего очень точно и аккуратно «вписаться» в природу и так ее изменить вокруг себя, что получились самые естественные природные образования. Совместное создание природы и человека — так называемые огородные почвы. Люди сумели так улучшить эти природные почвы, что они стали намного плодороднее всех почв лесной зоны. Староорошаемые почвы Средней Азии — тоже результат многовековой земледельческой культуры. И эти созданные природой и трудом человека ценности мы тоже должны охранять.
Деятельность человека может ускорить и замедлить природные процессы и даже направить их в другую сторону. Поэтому необходимо четко представить, что и как угрожает почве и что надо делать, чтобы улучшить почвы — одно из основных наших богатств.
Следует еще раз напомнить, что гибель почвы неуклонно приводит к гибели биогеоценоза. Голые скалы, с которых смыта почва и на которых уже не растет лес, представляют, возможно, интерес для художника или альпиниста, но это безжизненная пустыня, участок убитой биосферы.
Одна из главных опасностей, угрожающих почве, — эрозия. Различают водную эрозию, ветровую (ее называют дефляцией) и береговую.
Водная эрозия — смыв и размыв верхнего слоя почвы, разрушение ее поверхности и переотложение почвенного материала на более низких участках, в долинах рек, в озерах и морях, куда эти материалы выносятся реками. Плодородный ил Нила смывается с водоразделов тех мест, где протекает эта знаменитая река.
Смыв почвы — наиболее распространенная форма эрозии (ее называют плоскостной). Удары дождевых капель разбивают почвенные комки и нарушают связь между отдельными почвенными частицами, которые сносятся водой, смываются с участка почвы. Повторяясь из года в год, этот процесс может привести к смыву верхнего слоя почвы, что сразу значительно ухудшит условия жизни растений. Растительный покров на таких почвах становится разреженным, и это в свою очередь способствует смыву почв. В естественных биогеоценозах процесс смыва идет повсеместно: это постоянный и непрерывный процесс, свойственный любому наземному ландшафту. Но в природных условиях он идет медленно, и, как уже указывалось ранее, смыв почвы компенсируется ее приростом по глубине за счет материнской породы. Деятельность человека может ускорить этот процесс в десятки и сотни раз. Особенно ускоряет плоскостную эрозию распашка почв. В поверхностном смыве почв большое участие принимают талые воды, которые часто сносят значительное количество мелкозема — самой плодородной фракции почв. В степной зоне на вспаханных полях можно увидеть бурые и желтоватые пятна — это следы смыва верхнего слоя почвы. Да и в зоне лесов так же часто встречаются следы проявления плоскостной эрозии в виде бурых и белесых пятен на общем сером фоне почвы.
Убытки, причиняемые плоскостной эрозией, огромны, хотя, как это ни странно, на первый взгляд они не заметны. Подсчитано, что ежегодно во всем мире в реки, озера, моря и океаны выносится не менее восемнадцати миллионов тонн калия, миллион тонн фосфора, три миллиона тонн азота. Для сравнения можно сказать, что все химические заводы мира производят в год около пятидесяти миллионов тонн удобрений, из которых лишь десять миллионов составляют калий, азот, фосфор, а остальные — балластные элементы: кальций, сера, хлор. Во всем мире теряется веществ из почвы больше, чем вносится с удобрениями.
О распространении водной эрозии свидетельствуют данные обследований, проведенных в разных странах. В отдельных регионах мира в зависимости от степени освоенности территории и характера рельефа плоскостной эрозией затронуто от двадцати до ста процентов площади.
Подсчитано, что ежегодно эрозия верхнего слоя почвы в мире охватывает пятьсот тысяч гектаров. Смыв верхнего плодородного слоя почвы снижает урожайность на шестьдесят — семьдесят процентов.
Вторая форма водной эрозии — линейная эрозия. Стекая по бороздам, колеям от колес, неглубоким западинам вдоль склонов, вода сначала образует промоины, которые постепенно увеличиваются. Если промоина глубоко врезалась в почву, так, что ее нельзя выровнять распашкой, то она становится началом оврага. Овраги могут достигать в длину сотни километров. Ежегодный прирост оврагов на нашей планете — пятьдесят тысяч километров. Быстрота роста оврагов иногда бывает катастрофической. Известен случай, описанный в американской литературе, когда за одно лето стекающая после дождя с крыши фермы вода вырыла промоину, а затем, уже собрав воду с окружающей территории, эта промоина превратилась в овраг длиной в несколько километров.
Линейная эрозия в основном связана с временными потоками, которые рождаются после ливней и таяния снега. Такая же ситуация может создаться и при орошении почвы. Полив по бороздам и полосам может привести к возникновению ирригационной эрозии, особенно если вода подается с большой скоростью, превышающей стойкость почвы к размыву. Эта проблема освещалась уже в предыдущих главах. Поливать надо быстро, чтобы вовремя дать воду растениям на всех полях, но скорость полива не должна превышать разумного предела, после которого вода превращается во врага и размывает поливаемую почву.
Постоянные потоки — реки и ручьи также производят эрозионную работу. Их деятельность напоминает нам о масштабах геологических процессов. Крупные реки разрабатывают долины шириной в несколько десятков километров, роют каньоны и ущелья глубиной в тысячи метров. В их деятельности сочетаются линейная и боковая эрозии: линейная — размыв дна, по которому течет вода, переотложение материала ниже по течению, боковая приводит к размыву берегов, река как бы все время наступает на берег, смывает его, превращая часто в крутой обрыв. Смытый материал река несет вниз по течению и часто отлагает его там, где уклон местности незначителен. И получается, что такая бурная река в нижнем течении протекает уже на своих собственных наносах и русло ее выше окружающей местности, как, например, у Терека.
Морская волна, постоянно ударяясь в берег, становится причиной береговой эрозии. Прибой размывает берег. Если прибрежная часть материка сложена скалами, то море очень медленно их разрушает, шлифует, разрезает на отдельные останцы. Но если берег сложен из мягких пород, то он может размываться с очень большой скоростью. В этом случае выносится весь плодородный ил, остаются пески, песчаные морские дюны. Под действием ветра дюны начинают передвигаться и засыпать поселки, дома, дороги, посевы. Их движение может остановить посадка на них леса.
Как и многие процессы в естественных условиях, взаимодействие моря и берега приводит к своеобразному равновесию: прибрежная пляжная полоса, созданная морем,— результат этого взаимодействия и амортизатор, предохраняющий берег от дальнейшего разрушения. Пляжи охраняют берег и присущие ему почвы и растения от уничтожения. Но, как показал печальный опыт многих стран, разрушение пляжей, использование пляжного гравия в строительстве приводит к увеличению скорости и масштабов береговой эрозии.
С водой связаны и другие формы эрозии почв — обвалы и оползни. Первые часто происходят в результате подмыва берегов, обнажений. В результате часть почвы под действием силы тяжести обваливается. Часто ручеек, почти незаметный, подмывает огромный камень в верхней части склона. Потеряв равновесие, камень обваливается, катится по склону, увлекая за собой другие камни и, следовательно, почвенный слой. Под обвалами погребаются возделанные поля, населенные пункты, дороги.
Оползни происходят тогда, когда почва залегает на слое глины. Насыщаясь водой, глина становится скользкой. Почвенная толща под действием тяжести сползает вниз. Оползни часто встречаются по берегам рек, на склонах террас, в горах. Иногда оползают участки территории площадью в несколько квадратных километров.
С действием воды связаны также просадочные явления, получившие название карста. Почвы часто образуются на породах, содержащих растворимые соли, — известняках, гипсе. Вода, просачиваясь в почву, постепенно вымывает из нее соли. Образуются пустоты. До поры до времени они скрыты от глаза, но вот разрыхленные нижние слои уже не выдерживают тяжести верхних, и на поверхности образуются провалы и воронки.
Под действием воды часто уплотняются органические, торфяные почвы, что также приводит к просадкам, но этот случай редкий, и здесь участвует процесс разложения органического материала и его самоуплотнение.
Но не только водная эрозия угрожает почве. Не менее опасна ветровая эрозия, или так называемая дефляция. Воздушные потоки могут перекатывать почвенные частицы и отрывать их от земли. Ветер переносит почвенные частицы обычно очень далеко: отмечались переносы на расстояние до четырехсот километров. Эти частицы обычно откладываются около каких-нибудь преград (лес, насыпь дороги, дома), что также может оказаться нежелательным. Ветер подхватывает и уносит самые мелкие, самые богатые питательными веществами частицы почвы. В результате плодородие снижается на сорок — шестьдесят процентов. Ветер «выдувает» посевы, обнажая корни растений в одном месте, и заносит посевы пылью в другом. Тысячи гектаров приходится пересеивать. Одна из главных причин расширения поля деятельности ветровой эрозии — сплошная распашка почв. Поля превращаются в пыльную чашу, поставляющую ветру распыленные частицы почв.
Особенно часто пыльные бури случаются весной. Для получения высокого урожая, для лучшей организации ухода за растениями человек давно провел отбор сельскохозяйственных культур, вывел новые сорта, которые, будучи посеяны в одно время, развиваются одинаково и созревают в одно и то же время. Это очень хорошо, поскольку только в этом случае возможны механизация и само ведение сельского хозяйства. Но эта необходимая для производства особенность может привести к беде. В весенний период распаханная почва обнажена, она еще не защищена растениями, солнце сушит ее, особенно самый верхний слой, каких-нибудь два — пять сантиметров. И если в этот момент поднимутся сильные ветры, то сухой слой почвы перенесется на какое-то расстояние. Однако создаваемое противоречие разрешимо. Во-первых, очень важно распахивать и засевать почву тогда, когда она еще влажная, в спелом состоянии. Тогда и растения будут чувствовать себя хорошо, и влажная почва не поддастся ветру. Очень важно, чтобы почва была хорошо оструктурена, тогда крупные комочки почвы ветер не поднимет. Очень помогают борьбе с ветровой эрозией меры, позволяющие снизить скорость ветра,— лесные полосы, посаженные вокруг поля, ряды-кулисы из высокостебельных растений, например кукурузы, высаженной рядами по полю. Они ослабляют силу ветра в приземном слое воздуха и задерживают пыль.
Как уже говорилось, пыль легко переносится на большие расстояния. Но все-таки, как показали проведенные в разных странах исследования, около лесной полосы, окружающей поле, задерживается почва, сдутая именно с этого поля.
Все сказанное бесспорно свидетельствует, что если человек и способствует своей деятельностью расширению площади и усилению действия пыльных бурь, то в его власти свести это явление к минимуму.
С ветром связано передвижение песков, которое уже обсуждалось в примере с приморскими дюнами. Передвижение песков в пустынях, в приморских районах, в долинах рек — широко распространенное явление. Для многих регионов мира можно насчитать несколько периодов интенсивного передвижения песков, связанных с деятельностью кочевников. Стада кочевников паслись на травяных пастбищах песчаных массивов, разбивали поверхность почв, и ветер превращал пески в подвижные барханы и дюны. Кочевники уходили, песок медленно зарастал и закреплялся до следующего нашествия.
Следует отметить еще одно воздействие ветра на почву. На морских обрывах — клифах морской бриз, часто ударяясь в стену обрыва, выбивает из нее мелкие частицы породы и переносит их на поверхность почвенного слоя, формирующегося на этом обрывистом берегу. И в этом случае почва как бы нарастает сверху. Явление это изучено пока очень мало, но уже в ряде случаев для разрешения вопросов генезиса почв с ним приходится считаться.
На бесструктурных почвах, где ее частицы не объединены в водопрочные комочки-агрегаты, и ветровая и водная эрозии идут значительно быстрее, чем на структурных почвах. Излишнее уплотнение почвы тоже может привести к эрозии: осадки стекают по поверхности, образуется поверхностный сток, и вода производит свою разрушительную работу. Эрозии способствуют крутизна склонов, особенно если последние не защищены от прямого воздействия воды. Так, со склона крутизной один — два градуса смывается до десяти — двадцати кубометров почвы с гектара, со склонов крутизной четыре — шесть градусов — до двадцати — сорока кубометров, а иногда и до девяноста кубометров почвы с гектара за один дождь. Ливни могут смыть с крутых склонов до шестисот — тысячи кубометров почвы. А содержание питательных веществ в десяти — пятнадцати кубометрах почвы достаточно для производства урожая пшеницы в тридцать центнеров с гектара, а свеклы — пятьсот центнеров.
Эрозия превращает окружающую нас территорию в пустыню. Овраги, врезаясь в поверхность земли, не только разрушают почвенный покров, они вскрывают водоносные слои, и в результате пересыхают колодцы и другие источники питьевой воды. А пресная вода уже сейчас стала дефицитом во многих районах земного шара, причем не только в засушливых. Нарушение целостности биогеоценоза приводит к нарушению круговорота влаги в природе. Связи внутри биогеоценоза и между биогеоценозами настолько разнообразны и так еще мало изучены, что в настоящее время трудно даже предсказать последствия нарушения этих связей в каком-нибудь месте. Возможно, что осушение болот где-нибудь на севере вызовет иссушение источников воды на юге. Поэтому от целостности почвенного покрова зависят не только урожаи, но и нормальный круговорот воды, следовательно, нормальная водообеспеченность территории.
Сильные нарушения в почвенном покрове часто связаны с резким изменением условий почвообразования. Например, в зоне многолетней, или, как ее совсем недавно называли, вечной, мерзлоты создался своеобразный водный режим, связанный с температурным режимом почв. Поступающее за весенний и летний периоды тепло прогревает почву до определенной глубины, и в оттаявшем слое развиваются корни растений. Мерзлая толща, подстилающая почву, насыщена водой и не пропускает талую воду вглубь. Поэтому даже в условиях небольшого количества осадков, как, например, в Якутии или на центральной Камчатке, на многолетней или длительно-сезонной мерзлоте почвы обеспечены водой, следовательно, воды хватает растениям, и там растут леса. Но, если температурный режим нарушится, например при сведении леса, сооружении водоема, даже при распашке почвы, возможны случаи быстрого оттаивания почвы и связанного с этим уплотнения бывшего мерзлотного водоносного горизонта. Образуется термокарст, провалы в почве, связанные с оттаиванием грунта. Эти нарушения приносят большой вред почве в районах многолетней мерзлоты.
В местах, где выпадает сравнительно много осадков, почве угрожает вынос питательных веществ. Этот процесс особенно развит на подзолистых почвах. Внесенные удобрения в этих почвах могут очень быстро вымыться из верхних горизонтов и попасть в грунтовые воды. Эти питательные вещества становятся бесполезными для растений, но могут стать вредными для человека и животных: накапливаясь в грунтовых водах, нитраты, соли азотной кислоты делают ее вредной для живых организмов, будь то человек или животное. Поэтому внесение удобрений, сама система удобрений требуют знания водного режима почв.
Вымытые из верхнего слоя почвы питательные вещества с грунтовыми водами выносятся в реки, а затем — в моря. И лишь отступление моря и выход донных отложений на поверхность суши снова включают эти питательные вещества в круговорот веществ. В этот большой, геологический, круговорот веществ, как назвал его академик В. Р. Вильяме, вмешивается малый, биологический, круговорот. Перехватывая различные соединения своими корнями, растения частично задерживают вынос веществ из почвы. Поэтому так называемые биогенные элементы, необходимые для жизни растений, — фосфор, азот, калий, магний и другие — накапливаются, концентрируются в гумусовых горизонтах почв.
Большое количество осадков, превышающее испарение из данных почв, и плохой отток воды из почвы с грунтовыми водами приводят к заболачиванию территории. Почва так пропитывается водой, что из нее вытесняется весь воздух и на ней могут развиваться лишь очень специфичные болотные растения. Заболачивание часто связано со сменой растительности и может охватить большие территории. В лесной зоне очень часто заболачиваются сплошные вырубки, причем восстановление леса на них может из-за этого идти очень медленно. Быстро заболачиваются в лесной зоне искусственные выемки вдоль железных дорог.
Заболачиванию в других зонах способствует неправильное орошение, неумеренная пастьба, приводящая к уплотнению почвы и застою в ней воды.
В засушливых районах почву подстерегают опасности прямо противоположного характера: накопление солей в верхних горизонтах почвы и их иссушение, или аридизация, как теперь часто говорят.
Засоление приводит к гибели растений уже при концентрации солей в количестве одного-двух процентов от веса почвы. Только солянки — немногочисленные виды растений, приспособившиеся к засолению, растут на засоленных почвах. Но значение их в жизни человека и природы невелико.
Иссушение почв в аридной зоне связано, как уже говорилось, с эрозией, с выходом на поверхность водонепроницаемых горизонтов почв, по которым вода осадков скатывается в балки и понижения. А иссушение почвы еще больше способствует развитию на них процессов эрозии.
В случае засоления и заболачивания мы имеем дело со «смертью» одного типа почв и «рождением» другого типа с худшими для сельскохозяйственного производства свойствами. Но необходимо оговориться. Возможно, что почва, которая не подходит для посева пшеницы или хлопчатника, подходит для других целей — для пастбища, сенокоса, как охотничье угодье, как основа инженерного сооружения. Задача человека — найти наиболее рациональное использование почвы, при этом учитывая не только нужды сегодняшнего, но и завтрашнего дня.
Высокие урожаи, получаемые теперь земледельцами, основаны на внесении удобрений, восполняющих потерю из почвы питательных элементов, увозимых с урожаем. Важное звено в получении урожая — правильная обработка почвы, создание у нее таких физических свойств, которые бы способствовали образованию подвижных для растений питательных веществ, сохраняли благоприятный водный режим. В любом случае состояние почвы необходимо постоянно контролировать.
В последнее время усилилось применение разных химических веществ для борьбы с насекомыми, сорняками, для подготовки растений к уборке (например, вносят вещества, чтобы ускорить сбрасывание листьев у хлопчатника для машинной уборки хлопка). К сожалению, увлечение этими средствами привело к противоположному эффекту и к неожиданным результатам. Так, неумеренное применение сернокислых и хлористых соединений калия и других аналогичных удобрений, повышая урожай растений, снижает в них содержание витаминов. Мышьяк, входящий в некоторые гербициды, стал накапливаться в садовых почвах, под которые его вносили постоянно, а затем увеличилось его содержание в плодах. Многие пестициды накапливаются в почве, и медленное их разложение препятствует их широкому использованию. Часто широкое применение инсектицидов (препаратов против насекомых) сокращает количество полезных птиц и насекомых, а вредные насекомые типа непарного шелкопряда после кратковременного угнетения размножаются еще энергичнее.
Таким образом, повышение концентраций отдельных веществ свыше допустимой нормы вызывает резкое ухудшение свойств почвы, а следовательно, ее плодородия и в ряде случаев представляет угрозу для человека. «Каждое вещество — яд или лекарство, все зависит от дозы», — говорил Парацельс, и он, безусловно, прав.
Мы уже отмечали, что почва играет роль санитара, многие болезнетворные микроорганизмы, попадая в почву, гибнут. Почва «убирает» трупы, переводя их в безвредные соединения. Все это, конечно, производит «население» почвы: микроорганизмы, простейшие, дождевые черви и другие беспозвоночные животные, грибы, главным образом микроскопические. Если вспомнить, что такие лечебные препараты, как, например, пенициллин и стрептомицин, добыты из почвенных грибов, которые очень широко распространены, то станет более понятным все значение почвы в жизни биосферы, регулирующей эту жизнь и в какой-то мере определяющей жизнь людей.
Поэтому отравление почвы нарушает тот круговорот жизни, который выработался за все время ее развития на нашей планете. Выбрасывание отходов химической и нефтяной промышленности тоже приводит к фактической смерти или длительной консервации почв. Эти отходы, не нарушая, казалось бы, сложения и морфологии почвы, убивают в ней живые организмы и тем самым убивают почву. Нередко около химических заводов и нефтяных вышек образуются безжизненные почвы, сохраняющие свое потенциальное плодородие, но лишенные эффективного плодородия. «Умирание» почвы неизбежно сопровождается отмиранием, уничтожением, гибелью биогеоценоза. Кроме того, такие почвы выпадают уже из сельскохозяйственного фонда и, несмотря на свое, может быть, очень высокое потенциальное плодородие, превращаются в техногенную пустыню.
Все сказанное свидетельствует об одном: деятельность человека достигла такого уровня, когда он способен менять и почву, и биосферу на огромных территориях. Он может нарушать привычные для данного участка биосферы природные связи, заменяя их новыми. Поэтому самое главное средство для сохранения биосферы — контроль за всеми, сегодня еще небольшими изменениями, которые завтра могут стать необратимыми или потребовать больших средств, чем сегодняшний контроль, для своего устранения.
В этом контроле мы должны опираться на те природные процессы, которые идут в почвах, учитывать характер изменения этих процессов под влиянием деятельности человека, последствия этих изменений и возможные способы регуляции их.
Принятая в 1982 г. в СССР Продовольственная программа основана на детальном научном анализе современного состояния производства сельского хозяйства в СССР. Она охватывает все стороны производства продуктов, учитывает наиболее эффективные пути развития нашего хозяйства, оценивает его перспективы.
В выполнении первой задачи этой программы — повышении валового производства продуктов питания — одно из важнейших значений отводится научному знанию почв. Учитывая новые требования, почвоведы должны провести инвентаризацию земельных ресурсов и дать прогноз их использования.
Знание особенностей почвенных процессов становится основой и природоохранных мероприятий на любом уровне их разработки.
