Почвенный покров — тончайшая пленка земной коры (всего не более 2–3 м), образовавшаяся в результате взаимодействия живого и неживого. Она в центре экосистемы, которая обеспечивает жизнь и накапливает энергию на нашей планете. Как сегодня изучают «кожу» Земли, нам рассказали Андрей Алексеев, директор Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН (ИФХиБПП РАН) и Людмила Плеханова, старший научный сотрудник этого института.
Формула почвы
Специалисты различают пять факторов почвообразования — это горная порода, климат, живые организмы, рельеф и время, в течение которого все происходило. Сегодня ученые выделяют еще и антропогенный фактор.
Почва — многокомпонентная система. Это твердая фаза, которая представлена как минеральными, так и органическими соединениями. Это живая фаза, которая заселена множеством микроорганизмов и почвообитающих животных, или вместе — мезофауна. 80% исследуемых микробиологических объектов — почвенные. Почва — это и корневые системы растений. Это и гумус, который формируется в процессе разложения опада и биогеохимических циклов. Считается, что гуминовые вещества — основа плодородия, хотя это не совсем так. Источником питания являются минеральные компоненты, которые формируются в результате выветривания горных пород и функционирования почв. Питательные вещества в гумусе находятся в недоступной для растений форме, но тем не менее без него нет и плодородия. Гумус называют «крестом и стыдом химиков» со времен Менделеева (лаборатория Дмитрия Ивановича занималась изучением гумуса), но его точная органическая формула до сих пор неизвестна.
Почва не формируется за один день. Если мы нарушаем почвенный покров, восстановить его бывает очень сложно. Сначала под действием ветра и воды миллионы лет образуется кора выветривания, каменная порода заселяется микроорганизмами, формируется почва. Граница между ними условная, потому что коры выветривания при участии биологического фактора фактически приближаются к почвам.
Людмила Плеханова, научный сотрудник ИФХиБПП РАН, автор книг по эволюции почв Урала и динамике климата голоцена в степной зоне:
— Почва — это устойчивая система, очень буферная, функционирующая как единое целое. Почвенный покров мощностью до 2 м, если смотреть сверху, напоминает мозаику из разных видов почв, а в разрезах имеет ярко выраженные генетические горизонты. Эти горизонты формируются в процессе почвообразования, они однородны и параллельны земной поверхности. Вместе составляют почвенный профиль и различаются между собой по форме, структуре, цвету. Генетическими эти горизонты называются потому, что образуются они в процессе генезиса, происхождения. В каждых условиях среды формируется свой тип почв. Он определяет продуктивность биоценоза, который на нем будет длительно существовать.
В разрезе видно, что почва — это слаженная система горизонтов, и в каждой местности этот набор уникален. Кроме горизонтов, неповторимой является и структура, агрегатное строение. Агрегаты — органоминеральные комплексы, между ними могут быть газ и вода. Все вместе они определяют почву, которую специалисты называют «биокосное природно-историческое тело».
Заселенность суши живыми организмами исчисляется миллиардами лет, и такой же возраст имеют первые примитивные почвы планеты. На каждом квадратном метре почвы средней полосы России можно встретить до 100 разных видов почвенных обитателей. Охранять «кожу» Земли надо как биологический вид, как растения или животных. В связи с этим, например, существует «Красная книга почв России».
Важнейшая основа жизни
Почва формирует пространство для роста растений и микроорганизмов, определяет возникновение и существование всей современной биосферы.
Почвенный покров является также зоной контакта атмосферы, гидросферы и литосферы. Находясь в центре соприкосновения и взаимодействия всех приповерхностных геосфер Земли, он оказывается пространством пересечения многих экологических связей, важнейшим звеном в биогеохимических циклах, обеспечивающих жизнь на планете.
Для литосферы, каменной оболочки Земли, почва является одним из важных условий изменения. Она участвует в биохимическом преобразовании верхних слоев скалистой породы, становится источником вещества для формирования многих минералов, пород и полезных ископаемых, защищает литосферу от эрозии. Через почву идет передача аккумулированной солнечной энергии и веществ атмосферы в недра Земли.
Нормальное функционирование водной оболочки, гидросферы, также тесно связано с почвенным покровом. Именно от почвы зависит, какая часть атмосферных осадков поступит в реки в виде поверхностного стока, а какая — в виде грунтового, что в значительной степени определяет равномерность питания рек. Она является фактором биопродуктивности водоемов, поскольку с почвенным раствором в них поступает значительное количество макро- и микроэлементов, которые активно используются разнообразными организмами, живущими в водной среде. Почва также выполняет роль барьера от загрязнений, сорбционного фильтра для акваторий.
Разрез погребенной почвы под каменистой насыпью эпохи бронзы, Южный Урал. Фото Людмилы Плехановой
Жизнь атмосферы существенно зависит от взаимодействия с почвенным покровом, поскольку почва участвует в поглощении и отражении солнечной радиации, в регулировании влагооборота атмосферы, является источником твердого вещества и микроорганизмов, попадающих в воздушный океан, в значительной мере определяет газовый состав атмосферы.
Особенно важное значение имеет связывание диоксида углерода. Эта связь двусторонняя: благодаря связыванию и возврату СО2 в недра Земли обновляется глубинный источник диоксида углерода, идущий на пополнение его содержания в атмосфере. Это позволяет поддерживать жизнь на Земле и формировать резерв СО2 путем накопления органического вещества и карбонатных пород.
Современная атмосфера сформировалась порядка 542 млн лет назад после развития континентальной биосферы — появления в ней сложноорганизованных биоценозов и почв. Она нестабильна по газовому составу, особенно в нижних слоях, где идут постоянные изменения. Благодаря расположению почвы на стыке с атмосферой, пористому сложению и активному продуцированию газов почвенной биотой газообмен между воздухом и почвой происходит очень интенсивно. За 1 час потребляется 1000–4000 л/га кислорода, в таких же примерно количествах выделяется углекислый газ. Диоксид углерода атмосферы примерно на 90% имеет почвенное происхождение. В то же время почва поглощает оксид углерода или угарный газ, который в большом количестве продуцируется промышленностью и транспортом.
Роль почвы в биогеохимических циклах. Дизайнер: Хавина Елена, пресс-служба МФТИ
Хранилище информации
Почвы являются памятью ландшафта. Более 500 млн лет назад первые растения вышли на сушу, начался процесс почвообразования, почва начала формироваться в том виде, в котором она существует сегодня. По смене свойств почвенного покрова можно проследить, как менялся климат. Это природная летопись, сходная с геологическими шкалами, но на меньший период времени. По последовательности типов почв видно, как на этой территории менялись климатические условия, биоценозы, антропогенные воздействия. Способность почвы как особой природной системы отражать и записывать особенности формировавших ее процессов и природной обстановки ученые назвали «памятью почв».
Курганы
В степной зоне России сохранилось много курганов — насыпей, созданных древними людьми за последние пять тысяч лет. Совместно с археологами в раскопках участвуют и почвоведы. Под насыпью кургана сохраняется в законсервированном виде почва, которая была в то время, так как ее развитие прервано этой самой насыпью. Ученые сравнивают хроносрез этой почвы с современной, расположенной поблизости, развитие которой не прерывалось. Накладывая хроносрез старой почвы на профиль современной, почвоведы выделяют реликтовые признаки, следы тех климатических условий, в которых формировалась древняя почва, и таким образом получают полную историю развития ландшафта на данной территории.
В твердой фазе почвы есть и оксиды железа, и глинистые минералы, которые формируются в определенных термодинамических условиях. Можно реконструировать условия, при которых они формировались или разрушались. Магнитные минералы, кристаллы меньше одного нанометра, формируются в почве тоже при определенных внешних условиях и при наличии конкретных почвенных микроорганизмов. Расшифровать память твердой фазы позволяет изучение минералов, магнитных свойств почвы, изотопии.
Органические вещества тоже формируются в зависимости от условий, имеют разные свойства и функциональные группы. Этот процесс связан с климатом в первую очередь. Поэтому память почв в ее значительной части представлена именно органическим веществом.
Наука выделяет еще и биологическую память. В палеопочвах частично сохраняются микроорганизмы, которые существовали в тот исторический период, когда формировалась древняя почва. Если создать благоприятные условия, поместив древних микробов в чашки Петри, они начинают расти и размножаться.
Ученые строят шкалы изменений свойств почв в зависимости от климатических условий. Это уже важно для прогнозов. Используя данные знания, можно построить сценарии изменения почвенного покрова при глобальных и локальных изменениях климата.
Андрей Алексеев, директор ИФХиБПП РАН, член-корреспондент РАН:
— Одно из ключевых направлений нашего института — изучение почв в геологическом и историческом прошлом Земли, археологическое почвоведение. Эти исследования позволяют нам реконструировать климат Европейской части России за последние 5 тысяч лет. Исследуя твердую фазу и органические вещества, являющиеся памятью почв, мы видим, в какой отрезок времени были резкие периоды засухи, повышение температур и уменьшение осадков. Например, четыре тысячи лет назад произошла катастрофическая засуха на большой территории: в наших степях и на Ближнем Востоке. Аккадское государство, существовавшее в XXIV — XXII веках до н. э. на месте современного Ирака, просто исчезло из-за изменившихся природных условий. Резкое опустынивание произошло и в Африке. Затем были периоды оптимальных условий в Средневековье, потом опять начинались изменения, часть из которых мы наблюдаем в настоящее время. Это природные планетарные циклы, и не всегда человек является определяющим фактором.
