О почвах естественных и почвенных конструкциях

НАУКИ О ЗЕМЛЕ О ПОЧВАХ ЕСТЕСТВЕННЫХ И ПОЧВЕННЫХ КОНСТРУКЦИЯХ Е. В. ШЕИН Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

ON NATURAL SOILS AND ARTIFICIAL SOIL CONSTRUCTIONS E. V. SHEIN

© Шеин Е.В., 2001

Soil is a unique natural formation incorporated into the lithosphere, atmosphere, hydrosphere and biosphere of our planet. Soil possesses stable fertility and could perform its fundamental functions in biosphere (health protection of humans and animals, maintaining biological diversity). On the other hand, artificial soil constructions can perform only certain specialized functions. This soil design is based on precise description of the physics of mass transport in soils and on the optimization/forecasting mathematical models. Почва – уникальное природное образование, входящее в литосферу , атмосферу , гидросферу и биосферу нашей планеты. Она обладает устойчивым плодородием и способна осуществлять основные функции в биосфере (защита здоровья животных и человека, поддержание биоразнообразия). Искусственные почвенные конструкции способны осуществлять лишь специализированные конкретные функции. Основа для такого конструирования – точное описание физических процессов переноса веществ и оптимизационные прогнозные математические модели.

www.issep.rssi.ru

ВВЕДЕНИЕ Человечество давно стоит перед проблемой накормить всех страждущих. А создать высокопродуктивное хозяйство можно лишь тремя путями, предполагающими: 1) выведение новых сортов и культур заметно повышенной урожайности, 2) развитие высокопродуктивного интенсивного производства и 3) освоение новых или бывших когда-то в использовании территорий (целинные и залежные земли). Первый путь реален, но долог и трудоемок, хотя селекционеры в некоторых случаях и высказывают сдержанный оптимизм. Что касается второго пути, то пока он не слишком удачно сочетается с экологическими проблемами, так как связан с высокими дозами удобрений, различных ядохимикатов, применением многообразной техники, интенсивной мелиорацией. Путь также долгий, весьма сложный, полный трудно предсказуемых рискованных ситуаций. Третий путь, казалось бы, наиболее реален и быстр. Однако, как выясняется, пригодных для сельского хозяйства земель уже почти нет, а для того, чтобы освоить новые малопригодные, нужны большие финансовые вложения в мелиорацию. А что, если нам создать искусственную почву? Сделать ее самим, регулировать в ней соотношения питательных веществ и воды так, как это необходимо растениям. В этом случае можно было бы получить максимум продукции, которого в реальных условиях, как правило, нельзя достигнуть из-за невозможности создать в природе весь комплекс оптимальных условий. Возможно это или нет? ГИДРОПОНИКА – ПРИМЕР ИСКУССТВЕННОЙ ПОЧВЕННОЙ КОНСТРУКЦИИ Одним из примеров создания почвоподобной искусственной конструкции для конкретной цели (производства растительной продукции) является гидропоника. Это специализированные инженерные сооружения в виде, например, широких лотков, заполненных гравием, иногда крупным песком или остатками какой-либо горной породы. Через эту среду пропускают питательный раствор, богатый минеральными веществами и кислородом. Казалось бы, все необходимое для растений есть: минеральные вещества (прежде всего азот, фосфор, калий), а также кислород, вода и солнечная

ШЕИН Е.В. О ПОЧВАХ ЕСТЕСТВЕННЫХ И ПОЧВЕННЫХ КОНСТРУКЦИЯХ

63

НАУКИ О ЗЕМЛЕ (или искусственная лучистая) энергия, обеспечивающие процесс фотосинтеза и построения растительной биомассы. Действительно, эти целевые конструкции в течение определенного времени дают хорошие урожаи. Однако через некоторое время, если не применять специальных приемов, урожай снижается. И дело здесь в причинах принципиального научного характера, связанных с процессом почвообразования, который начинает появляться даже на частицах гравия или крупного песка. Для того чтобы разобраться в этих причинах, необходимо хотя бы в основных чертах понять, что происходит в естественной почве, как она образуется и развивается. ПРОЦЕСС ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ В ПРИРОДЕ В природе почва рождается из геологической породы. В естественных условиях на эту породу воздействуют физические, химические, биологические факторы, разрушающие и трансформирующие ее строение и состав (рис. 1). Как видно из упрощенной схемы на рис. 1, вначале безжизненная горная порода разрушается, дробится под действием физических и химических факторов (стадия 1 ). Эта стадия выветривания горных пород по существу совпадает со стадией так называемого первичного почвообразовательного процесса (подробнее см. [5]). Затем эти процессы (выветривание и почвообразование) разделяются во времени и пространстве, и естественная почва образуется в верхней части коры

1

2

3

Рис. 1. Различные стадии формирования почвы: 1 – пропочва, образовавшаяся в результате физического и химического выветривания горных пород; 2 – эмбриональная почва, образовавшая в результате действия низших растений; 3 – зрелая почва с устойчивым плодородием

64

выветривания. В начале этого этапа включаются в работу низшие растения, преобразующие геологический материал в более мелкий, пористый (стадия 2 ). И наконец, после поселения на этой эмбриональной почве высших зеленых растений, образования в ней соответствующей ризосферной (то есть присущей корневой системе данных растений) биоты начинает развиваться истинная почва с характерным только для нее чередованием почвенных слоев, называемых горизонтами (стадия 3 ), с почвенной структурой в виде отдельных пластичных пористых комочков-агрегатов, со специфическим органическим веществом почвы, называемым гумусом. Что же характеризует истинную почву, начинающую свою самостоятельную жизнь в биосфере на второй стадии и выступающую как самостоятельное природное тело с третьего этапа. Прежде всего наличие в ней жизни, биологических процессов. Именно биологические процессы, осуществляемые почвенной биотой, флорой и фауной, приводят к накоплению многообразных, свойственных только почве органических веществ [1, 3, 4]. Эти вещества и почвенные организмы продолжают разрыхлять твердые частицы, формировать органо-минеральные коллоиды. И образуются следующие специфические качества почвы: высокая степень дисперсности, наличие почвенных частиц разного размера – от крупных (песок) до очень мелких (ил), высокопористых. Эти частицы в совокупности дают чрезвычайно высокую удельную поверхность (поверхность 1 г почвы может достигать 100–200 м2). Это одна из главных причин многих уникальных свойств почвы, таких, как большие буферность и сорбционная способность (способность до поры до времени поглощать различные вещества без видимых изменений), наличие обменных реакций, происходящих на поверхности этих илистых частиц. И наконец, за счет новообразованных органических соединений и освободившихся из горной породы минеральных веществ, а также за счет других процессов (во многом пока окончательно не изученных) образуется уникальная почвенная структура – наличие в почве пористых сложно организованных комочков, так называемых почвенных агрегатов (рис. 2). На этой упрощенной схеме показано, как отдельные минеральные частички кварца, полевых шпатов, других минералов соединяются друг с другом с помощью молекул того самого специфического органического вещества почвы и минеральных глинистых веществ. Этот медленный процесс с участием почвенной микрофлоры, гифов грибов, глинистых минералов, в некоторых случаях ионов железа, алюминия и приводит к образованию пористых, не распадающихся в воде почвенных агрегатов. Почвенные агрегаты – уникальные образования, имеющие свободный объем, занимаемый водой и воздухом. Как видно из рис. 2, органо-минеральные,

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 7 , № 9 , 2 0 0 1

НАУКИ О ЗЕМЛЕ

А

Б Полевой шпат

Кварц

А

Б

Рис. 2. Схема почвенного агрегата (по [1]): А – органическое вещество; Б – глинистые вещества

глинистые частицы, “мостики” между первичными минеральными осколками (кварц и полевые шпаты), весьма подвижны друг относительно друга. Эти агрегаты эластичны, способны быстро пропускать воздух и воду между собой, но за счет своей собственной пористости сохраняют в себе влагу, воздух, питательные вещества. Внутри этих агрегатов и проистекает основная почвенная жизнь: в них живет основная масса микроорганизмов, к ним стремятся корни высших растений. Именно на этой стадии почва начинает обладать уникальным качеством – стабильным, устойчивым и долговременным плодородием. Что же получилось или, точнее, не получилось с гидропоникой? Если снова обратиться к приведенной выше схеме, то гидропоника – это первая и вторая стадии развития, когда на осколках пород начинают поселяться микроорганизмы, водоросли, лишайники и вырабатывать вещества в виде специфических и довольно простых по составу кислот. Но плодородия здесь нет, стадия устойчивого почвенного плодородия пока еще не наступила. Создающаяся первичная почвенная биота со всем ее оригинальным обменом веществ и энергии еще чужда высшим растениям. А каким-либо образом отводить эти вещества, сорбировать и превращать их в другие эмбриональная, совсем молодая почва не может. У нее пока еще нет свойств дисперсной коллоидной системы в виде сорбции, поглотительной способности, большой удельной поверхности. Нет почвенных агрегатов со специфической почвенной биотой, со свойством длительно поддерживать условия плодородия. Гидропоника не смогла и никогда не сможет заменить естественную почву. Поэтому столько труда приходится затрачивать работникам теплиц, где в качестве почвы выступают искусственные среды, обычно торфяно-песчаные. Им приходится регулярно менять эти смеси, нередко их стерилизовать для уничтожения первичного биоценоза микроорганизмов, низших растений, которые только начинают готовить условия для высших растений. Получается, что быстро (в рамках

человеческого масштаба времени) искусственную почву со свойственным естественной почве стабильным, именно стабильным и устойчивым плодородием создать нельзя прежде всего потому, что мы не можем быстро создать работающую почвенную биоту с равновесным органическим веществом и пористой агрегатной структурой. Мы не в состоянии пока произвести искусственную почву, способную давать устойчивые и стабильные урожаи. И уж тем более спроектировать и создать почву, способную осуществлять специальные, присущие только почве функции в биосфере. Таких функций немало, и никакие природные тела, кроме естественной почвы, не способны их воспроизвести. Это функция стабильной биологической продуктивности, это очищающая и трансформирующая функции почвы – функция защиты природной среды и здоровья человека от циркулирующих вредных веществ, которые почва сорбирует, поглощает, это и функция сохранения биологического разнообразия. О сохранении биоразнообразия сейчас много говорят. Но не стоит забывать, что именно почва из-за особенностей своего строения, сложения и распространения в ландшафте (трещины, агрегаты, условия переувлажненные для анаэробов и гигрофитов и засушливые условия для аэробов и ксерофитов) представляет основу для развития разнообразных организмов на планете (подробнее см. [3]). В отличие от искусственных естественные почвы обладают множеством других биосферных функций вплоть до эстетической, когда вид и запах вспаханного поля нередко пробуждают разнообразные чувства, вдохновлявшие многих поэтов и философов. Итак, создать искусственную почву, способную проявлять свойство стабильной устойчивой продуктивности и осуществлять специальные биосферные функции, мы пока не в состоянии. Но уже воодушевляет тот факт, что мы знаем, почему сейчас это невозможно. И если нельзя создать такую многоплановую, полифункциональную природную систему, как почва, то, наверное, возможно создание целевых почвоподобных конструкций, которые выполняли бы временно отдельные почвенные функции: почвоподобные конструкции под газоны, спортивные площадки, древесные насаждения. В настоящее время возможно их создание и даже научно обоснованное проектирование и конструирование. Для этого надо знать физические законы передвижения воды, воздуха, других веществ и энергии в почве как основу для разработки целевой почвенной конструкции. ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ ПОЧВЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ Прежде всего необходимо четко уяснить целевое назначение конструкции и соответственно требуемые от конструкции свойства. Если мы хотим создать спор-

ШЕИН Е.В. О ПОЧВАХ ЕСТЕСТВЕННЫХ И ПОЧВЕННЫХ КОНСТРУКЦИЯХ

65

Например, как рассчитывают оптимальное строение почвенного покрова для спортивного газона. Рассмотрим принципы этой почвенной конструкции, приведенные на рис. 3. Вода попадает на поверхность поля в виде атмосферных осадков или искусственных поливов. Часть этой воды возвращается в атмосферу в виде испарения с поверхности почвы и транспирации с травяного покрова (слой I ). Как уже говорилось, одна из задач конструкции – корнеобитаемый слой (до 7–10 см) должен содержать оптимальное для растений количество воды. А воду сверх этого количества почвенная конструкция должна быстро сбрасывать в нижележащие слои (слои IV и V ), а затем в дрены (на рис. 3 изображены в виде светлых кружков). Вот первое противоречие, которое нужно разрешить: должно быть необходимое для растений количество воды в слое II, в то же время этот слой должен быстро пропускать через себя воду при интенсивных осадках. Увеличить влагозапасы можно добавлением мелких, пылеватых и илистых частиц, а условие высокой проницаемости для воды, напротив, достигается за счет крупных частиц песка. Второе противоречие – прочностное состояние верхнего слоя как механической подложки, с одной стороны, и наличие в

66

Осадки

тивный газон, то на нем должны расти растения, он должен быть в меру сухим, выдерживать определенные нагрузки. А начать следует с того, что необходимо задать оптимальное содержание воды и воздуха в корневой зоне растений. Этот оптимум достаточно хорошо известен: воды не должно быть слишком много, чтобы растения не страдали от недостатка воздуха (ведь и корням растений нужен воздух), но и не испытывали засухи. Верхние слои должны обладать повышенным водоудерживанием, а нижние – отводить избыток воды после дождей (дренировать корнеобитаемый слой). Это свойство высокой фильтрационной способности почвы почти целиком определяется дисперсностью составляющих почву частиц или ее гранулометрическим составом. Если установлена зависимость фильтрационных и водоудерживающих свойств от гранулометрического состава, то исходя из известного оптимума можно решить и обратную задачу – рассчитать состав смеси для корнеобитаемого и подстилающих слоев. Иначе говоря, подобрать определенное соотношение крупного и мелкого песка, тонкой пыли и совсем мелких илистых частиц, чтобы обеспечить оптимум удерживания и проведения воды и веществ в корнеобитаемом и подстилающих слоях. Основа таких расчетов – функции зависимости водоудерживаемости и водопроводимости почв от гранулометрического состава или так называемые педотрансферные функции (педо – почвенные, трансфер – перенос). Задача получения такого рода зависимостей – одна из важнейших для физиков почв всего мира. Для этой цели создаются специализированные базы данных во многих странах, в том числе и в России [2].

Испарение Транспирация

НАУКИ О ЗЕМЛЕ

I II III IV

V VI Рис. 3. Схема почвенной конструкции для газона футбольного поля. Цифрами обозначены: I – травяное покрытие, II – корнеобитаемый слой, III – подстилающий песчаный слой, IV – песчано-гравийный слой, быстро фильтрующий избыток влаги, V – песчано-гравийный слой, в котором расположены дрены (обозначены белыми кружочками), и VI – слой природного грунта

нем воды и воздуха для жизни растений – с другой. Оптимизация этих свойств, включая и механическую прочность слоя I, и долговременную обеспеченность растений водой и воздухом, также может быть достигнута благодаря регулированию соотношения крупных и мелких минеральных и органических частиц. Итак, проблема заключается прежде всего в том, чтобы подобрать оптимальный состав почвенной смеси для корнеобитаемой толщи (условие водоудержания, высокой проводимости и механической прочности), а затем и нижележащих слоев. Расчеты необходимо начинать с определения потоков влаги, изображенных стрелками на рис. 3. Для решения этой задачи мы имеем среднемноголетнее количество осадков, педотрансферные функции и математическую модель переноса влаги из слоя в слой. Задав начальное оптимальное количество воды во всем этом слоистом “почвенном пироге”, рассчитывают динамику влаги в различных почвенных слоях в течение всего вегетационного сезона. Если эта динамика влаги в указанных слоях не удовлетворяет оптимальному диапазону, необходимо изменить содержание частиц в смеси для различных слоев, соответственно изменятся и педотрансферные функции. А после этого нужно снова произвести расчеты движения воды и воздуха в почвенной конструкции с помощью прогнозной математической модели.

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 7 , № 9 , 2 0 0 1

НАУКИ О ЗЕМЛЕ В частности, в результате расчетов может оказаться, что величины влажности слоев I и II находятся не в диапазоне оптимальных значений, а, как это часто бывает после выпадения осадков, весьма велики. Это указывает на то, что вода застаивается в верхнем слое, а он хоть и хорошо удерживает воду, но плохо ее отдает. В результате слой I остается длительное время влажным и не выдержит механического воздействия во время футбольного матча. Следовательно, необходимо увеличить скорость отдачи влаги из этого слоя. В этом случае изменяют толщину слоев и состав песчано-глинистой смеси в модели, вводя в педотрансферные функции верхнего слоя больше крупных, песчаных частиц. Затем вновь рассчитывают режим влаги в корнеобитаемой толще и нижележащих слоях. И так до тех пор, пока не удастся достичь планируемого оптимума содержания воздуха и воды в слое I, хорошего дренажа, быстрого сброса избытка влаги во время дождей из поверхностных в нижележащие слои и дрены. Как мы убедились, в этом случае используют так называемые поливариантные расчеты: задав первоначальный состав корнеобитаемого и нижележащих слоев, рассчитывают передвижение влаги в почве и ее доступность растениям для различных по напряженности метеоусловий с помощью математической модели переноса влаги. Изменяя в модели состав смеси, толщину слоев и каждый раз рассчитывая перенос воды и воздуха, в конечном итоге можно подобрать оптимальный состав из глинистых, органических, песчаных, гравелистых частиц и толщину для слоев I–VI. Таким образом, с помощью физически обоснованной модели переноса влаги и педотрансферных функций можно сконструировать искусственную почвоподобную конструкцию, то есть подобрать состав, количество и размеры слагающих ее элементов (песок, пыль, глина), а также рассчитать толщину различных слоев искусственной почвы. Это является основным принципом. Его можно использовать и в расчетах почвенной конструкции для теплиц, декоративных растений, озеленения пустынной территории, в том числе и образовавшейся в результате человеческой деятельности, создания разнообразных газонов. Впрочем, через некоторое количество лет и этот созданный газон придется реконструировать. Все дело в том, что естественного процесса почвообразования не избежать. Даже в нашей искусственной почвоподобной конструкции начнется первичный почвообразовательный процесс. Начнется обязательно, так как почвообразовательный процесс – процесс общепланетарный, возникающий везде, где для этого есть условия и прежде всего жизнь. Вновь будут накапливаться новообразованные органические и органо-минеральные вещества, формироваться почвенные коллоиды, конструкция начнет постепенно заиливаться, медленнее проводить воду и уплотняться. Внести же все многообразие естест-

венных биосферных процессов в расчетные модели мы не можем: пока еще недостаточно хорошо знаем эти почвообразовательные процессы, чтобы описать их математически. Поэтому для нормального функционирования созданной искусственной конструкции ее обязательно надо будет вновь и вновь реконструировать. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Уникальные природные образования – почвы столь специфичны по структуре, почвенной биоте, органическому веществу, дисперсности минеральной части, что в данный момент (и в ближайшем будущем) не удастся создать искусственную почву. Только естественные почвы с их агрегатной структурой, большой удельной поверхностью, специфичностью условий для длительного поддержания почвенной биоты могут обеспечивать процессы, без которых невозможно функционирование биосферы. Однако можно создать искусственные почвенные конструкции целевого назначения, которые осуществляют какую-либо одну узкую почвенную функцию, да и то, как правило, конструкцию недолговечную. Для того чтобы создавать более устойчивые почвенные конструкции, необходимо больше знать о процессе почвообразования, и прежде всего о законах движения и удерживания воды, веществ, энергии в дисперсных, агрегированных и гетерогенных природных телах, таких, как естественные почвы. ЛИТЕРАТУРА 1. Воронин А.Д. Основы физики почв. М.: Изд-во МГУ, 1986. 243 с. 2. Воронин А.Д., Дембовецкий А.В., Шеин Е.В. Анализ основных структурно-функциональных зависимостей с использованием базы данных физических свойств и функций почв // Почвоведение. 1997. № 9. С. 1120–1123. 3. Добровольский Г.В., Никитин Е.Д. Функции почв в биосфере и экосистемах: (Экологическое значение почв). М.: Наука, 1990. 261 с. 4. Орлов Д.С. Цвет и диагностика почв // Соросовский Образовательный Журнал. 1997. № 4. С. 45–51. 5. Почвоведение. М.: Высш. шк., 1988. Ч. 1: Почва и почвообразование / Под ред. В.А. Ковды, Б.Г. Розанова. 400 с.

Рецензенты статьи О.С. Безуглова, Д.Ю. Пущаровский *** Евгений Викторович Шеин, доктор биологических наук, профессор, зав. кафедрой физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ. Область научных интересов – физика почв, термодинамика почвенной влаги, перенос веществ и энергии в ландшафте, пространственная изменчивость почвенных свойств. Автор более 150 публикаций, учебных пособий.

ШЕИН Е.В. О ПОЧВАХ ЕСТЕСТВЕННЫХ И ПОЧВЕННЫХ КОНСТРУКЦИЯХ

67