54. Соль биосферы Земли
Лимитирующий фактор жизни
Начало: (43), (44), (45), (46), (47), (48), (49), (50), (51), (52), (53)
12. Под властью травянистой растительности
Степь - прямая противоположность лесным формациям, и не только по форме, но и по существу рассматриваемой мною проблемы минерального питания биосферы. Если в лесах преобладает, как мы видели, надземная масса, то в степи наоборот. Степные травы имеют мощную, сильно разветвлённую корневую систему, стремящуюся к тому же далеко проникать в глубину. Яркая, разноцветная степь живёт, как это ни странно может показаться на первый взгляд, главным образом под землёй, где сосредоточено 60 - 85%, а иногда и более, всей её биомассы.
Корни травянистых растений, проникая в поисках воды и минеральной пищи в глубь субстрата, энергично всасывают и перекачивают рассеянные в нём элементы минерального питания в верхние горизонты. Это приводит с течением времени к повышенному содержанию в самом поверхностном слое коры выветривания кальция, калия, фосфора, серы, магния, натрия и др. С другой стороны, постепенно отмирая, корни обогащают субстрат органическим веществом. Подсчитано, что масса корней степных трав равна 1,5 - 1,7 кг/м3, а минеральной части субстрата, на которой они растут, - 1,6 - 1,7 т/м3. Казалось бы, значения несоизмеримы: масса корней меньше в тысячу раз. Но каждый год отмирает и нарастает примерно 1/6 часть корней. Следовательно, за 3000 лет количество корневой массы, которая изнутри насыщает и обогащает субстрат органическим веществом, будет соответствовать инертной минеральной массе.
Что же касается надземной части растительной формации, то в степи ежегодно происходит её полное обновление и, следовательно, растительный опад здесь равен ежегодному приросту (в лесных сообществах он всегда меньше прироста). Величина же годового прироста в степных травянистых формациях велика, в ряде случаев она бывает даже выше, чем в лесах, несмотря на несравненно большую их биомассу. Выросшие за лето степные травы к началу зимы начинают отмирать. Они пригибаются к земле и слёживаются. В результате их многолетних наслоений образуется степной войлок, который обладает рядом новых для земли полезных свойств: удерживает и сберегает влагу, защищает поверхность грунта от механического разрушения, ослабляет действие морозов и т.д. Но главное состоит в том, что войлок содержит в себе определённый запас минеральных веществ, которые в процессе его разложения постепенно освобождаются и, в конце концов, возвращаются туда, откуда они были взяты в начале вегетационного сезона, то есть к корням живых растений.
В засушливых степных районах вся атмосферная влага испаряется и поглощается растениями, поэтому почва не промывается. В отличие от лесов, воды здесь имеют щелочную реакцию, они содержат много катионов кальция, натрия, магния. В этих условиях при разложении мертвого органического вещества наряду с расщеплением крупных молекул попутно происходит синтез новых, очень сложно построенных соединений, в результате чего с течением времени создаётся сложное биохимическое образование - гумус. Среди веществ, из которых построен гумус, ведущую роль в степных условиях приобретают не растворимые и подвижные фульвокислоты (как это имеет место в лесных формациях), а гуминовые кислоты. Их соли - гуматы - слабо подвижны, с трудом вымываются и потому накапливаются в виде коллоидных сгустков, склеивающих мелкие минеральные частицы, образовавшиеся в процессе выветривания горных пород.
Именно в гумусе концентрируется и сохраняется на долгие годы основной резерв элементов минерального питания степных растений. В нём содержится много азота, фосфора, калия, серы, кальция и других элементов. Непосредственно высокомолекулярные гумусовые соединения, разумеется, не доступны для растений, но в результате микробиологической деятельности почвенной биоты происходит их разрушение с образованием соединений, которые могут усваиваться растениями.
Другое очень важное свойство гумуса состоит в его высокой обменно-поглотительной способности. Катионы, находящиеся в сорбированном состоянии на поверхности твёрдых частиц, настолько прочно связаны, что не могут вымываться просачивающимися водами. В то же время эти же катионы всегда могут перейти в раствор, будучи вытесненными ионами водорода. Поглощенные катионы обладают свойством замещаться другими, в зависимости от сложившихся конкретных обстоятельств. Благодаря этому минеральная среда приобретает свойства саморегулирующейся системы, поддерживающей своё стабильное состояние, несмотря на различного рода внешние химические воздействия, например, связанные с нарушением кислотно-щелочного равновесия. Возникает замечательное свойство буферности. В результате гумусированный субстрат приобретает и удерживает не кислую, а нейтральную и даже слабощелочную (рН от 6,5 до 7,5) реакцию, что весьма благоприятно как для удержания в нём элементов минерального питания, так и для самого произрастания растений.
Поверхностный слой коры выветривания, в котором степной травянистой растительностью созданы естественные условия для образования гуминовых кислот и гуматов, приобретает по мере накопления последних тёмный (вплоть до чёрного) цвет. С течением времени на поверхности коры выветривания появляется качественно новая в геохимическом отношении органо-минеральная («геобиологическая», по В.В. Докучаеву) система, которая всё более обособляется на общем геологическом фоне. В конечном итоге образуется чрезвычайно эффективный наземный банк плодородия - почвенный покров. Высшее выражение эта тенденция нашла в чернозёмных почвах, которые могут достигать особо большой мощности. Свидетельством тому, может служить, кстати, куб почвы воронежского чернозёма с двухметровыми гранями, который экспонировался в1889 году (по инициативе В.В. Докучаева) на выставке в Париже.
Наконец, следует особо отметить, что в генезисе степного почвообразовательного процесса крайне важное значение приобрёл ещё один фактор (теперь уже физико-механического порядка), который ранее был назван мною текстуральным (греч. texo - тку, сплетаю, лат. textum - ткань). Рыхлый поверхностный слой коры выветривания, склонный к разрушению воздушными и водными потоками, оказался переплетен корнями трав (изнутри) и покрыт степным войлоком (снаружи), вследствие чего он перешел в новое качество, приобретя черты и свойства волокнистого композита. Он стал подобен биологической ткани, в особенности коже. Армированная биогенными нитями, заключенная в их густую трехмерную сеть, почвенная масса вместе с содержащимся в ней гумусом получила необходимую устойчивость относительно разрушения со стороны воздушных и водных потоков. Только при наличии этого стабилизирующего фактора стало возможно создание на коре выветривания долгоживущих запасов складированного почвенного плодородия (по месту их первичного образования). В противном случае почвообразование прерывается и переходит уже в категорию геологических процессов.
В.В. Докучаев придавал особое значение зернистой структуре русских чернозёмов. Так вот с потерей текстуральной системы не только разрушается зернистая структура черноземов, но и сама почвенная масса, весь наземный банк плодородия размывается водой и выдувается ветром. В результате почвенный покров прекращает свое существование. Практика мирового земледелия даёт многочисленные (в том числе и грандиозные по своим масштабам) экспериментальные подтверждения принципиальной значимости текстурального фактора для существования почвенного покрова как физического тела. Освоение новых земель в Северной Америке в 19-м веке сопровождалось их массированной распашкой и, следовательно, разрушением почвенной текстуры, создаваемой дикой травянистой растительностью. Последовало такое изменение земной поверхности, подобного которому ещё не знала история. Миллионы гектаров почвенного покрова были оголены поверхностным смывом. Бесчисленные овраги изрезали ранее богатейшие земли. В начале 20-го века газеты США сообщали о страшных пыльных бурях, взметающих в атмосферу тысячи тонн почв на некогда благополучных целинных землях.
В середине 20-го столетия в результате широкомасштабной кампании (теперь уже в СССР) по распашке целинных и залежных земель в степях Казахстана и Южной Сибири была стремительно разрушена текстуральная система (в виде степного дёрна) на огромных пространствах (площадью 20 млн. га) высокоплодородных чернозёмных и каштановых почв. Результат: огромного масштаба техногенно-экологическая катастрофа, вызвавшая чёрные бури и, как следствие, - стремительное истощение плодородного гумусового слоя, вплоть до полной утраты почвенного покрова.
И в этой связи у меня вызывает сомнение правомерность квалификации почвы как «самостоятельного природного тела». Безусловно, почва - особое, весьма специфическое природное образование. Но отнюдь не самодостаточное. Реальное существование этого тела во времени и пространстве критически зависит от наличия в нём удерживающей от разрушения текстуральной системы.
И последнее. Обилие живого и мёртвого органического вещества в степном почвенном покрове способствовало тому, что он непосредственно стал специфической средой обитания разнообразных гетеротрофных организмов (вплоть до высших позвоночных животных), которые через свою специфическую жизнедеятельность интенсивно включились в почвообразовательный процесс и внесли в него свой весомый вклад. Лесные формации, несмотря на обилие биомассы, значительную часть органического вещества накапливают в непоедаемой животными части растений. В травянистых же сообществах в естественных условиях ничто не препятствует в принципе полной утилизации животными всего годичного прироста. Кроме того, в степных травах, как показывают специальные анализы, резко увеличивается содержание белков и возрастает зольность биомассы, в силу чего они приобретают более высокую пищевую ценность, чем деревья. Травянистая растительность степей и лугов ежегодно вовлекает в биологический круговорот 500 - 700, а иногда и 1000 - 1200 кг/га зольных веществ, тогда как хвойные леса, к примеру, всего лишь 70 - 100 кг/га. Всё это вместе взятое способствует (наряду с беспрепятственным перемещением в открытом пространстве) чрезвычайно интенсивному размножению в степных регионах различных животных, особенно травоядных млекопитающих.
Сформировавшиеся в степных условиях высокоплодородные почвы оказались также весьма благоприятными для земледелия и, что очень существенно, степные формации породили многие растения, в особенности хлебные злаки, впоследствии вошедшие в культуру. Степным просторам суждено было сыграть выдающуюся роль не только в истории биосферы, но и в судьбах человеческой цивилизации.