Почва — это в разной степени плодородный, имеющий разную мощность верхний слой Земли, на котором произрастает большинство растений. Без знаний о почве невозможно успешное выращивание растений. Сведения о почве — это показатели, характеризующие ее структуру (мощность горизонтов, величина почвенных частичек — агрегатов), водно-воздушный, плотность (объемный вес), (гранулометрический) состав и другие физические свойства. Важны и агрохимические показатели почвы: реакция почвенного раствора (рН), содержание гумуса (органических веществ) и минеральных веществ, являющихся элементами питания растений. Есть еще целый ряд специфических показателей — характеристик почвы. Все эти данные и определяют почву как экологический фактор.
Главные сведения о конкретной почве отражаются в ее названии — типе почвы. Подробные показатели данной почвы получают, вскрывая почвенный профиль, — выкапывая яму, по глубине охватывающую все почвенные горизонты. Из такого раскопа отбирают почвенные образцы для химического анализа и определения физических и химических характеристик почвы. Все это требует времени и средств, специалистов и лабораторий. Значительную помощь при первоначальном обследовании участков для строительства усадеб, дач, стадионов, разбивки парков, возделывания различных растений оказывают растения, населяющие интересующую нас территорию. Важны сведения об их экологических характеристиках. Дело в том, что растения очень тесно связаны с конкретными почвенными условиями и по наличию тех или иных растений можно дать вполне объективную характеристику почвам данного местообитания. Такая характеристика будет достаточно точной, не хуже чем характеристика, полученная посредством анализов почвенных образцов. Составляют ее быстро и на любом по размерам объекте. Иногда используют самолет для облета больших площадей. Приходилось принимать участие в такой экспедиционной работе, летая с коллегами над тундрой целый рабочий день, — на известном АН-2 на высоте 200 м. Были хорошо различимы по цвету фоновые, преобладающие растения в разных местах тундры; при смене условий, особенно увлажнения, менялась и растительность, а с нею менялся и цвет на разных участках — цвет растительного покрова.»
Специалисты — геоботаники и экологи растений — способны предварительно оценить условия местности и почвы на ней даже осенью и зимой, определяя виды растений по остаткам стеблей, кустов и другим признакам, когда уже опали листья и выпал снег. В таких случаях растения выполняют индикаторную роль — их присутствие в разных местах указывает на те или иные особенности почв.
Чем больше встречаются в данном местообитании индикаторные растения, тем в большей степени здесь проявляется признак, с которым и связано конкретное растение. Если же такие растения присутствуют единично, местами, небольшими группами, индицируемый ими признак (например, переувлажнение) проявляется неярко, кратковременно. По присутствию индикаторных растений можно определить тип почвы, уровень ее плодородия, водно-воздушный режим, механический состав, реакцию почвенного раствора и др.
Плодородие почвы определяется запасами питательных веществ для растений, количеством влаги, , реакцией почвенной среды, степенью засоренности сорными растениями (и их семенами), общим уровнем. В плодородных почвах большие запасы органических веществ (гумуса) и минеральных веществ, непосредственно потребляемых растениями. Минеральные соединения образуются в почве благодаря деятельности почвенной микрофлоры, разлагающей ежегодно в теплое время года часть органических веществ почвы. Каждый элемент питания важен для растений (является отдельным почвенным экологическим фактором), но элементы потребляются в разных количествах: есть макро-, микро- и в почве и в растениях.
Можно получить представление о различном потреблении элементов питания, рассмотрев пример из книги норвежских исследователей: они показали, сколько тех или иных элементов питания получили из почвы растения пшеницы, сформировав хороший урожай 5 т зерна с 1 га, при влажности зерна 20%.
Очевидно, что но количественному потреблению и по участию в основных процессах в растениях на первом месте стоит азот с его минеральными соединениями. У разных растений эти количественные показатели заметно различаются, например, у луговых злаков потребление азота в нескольких урожаях, получаемых за один вегетационный сезон, может в сумме составить 200-300 кг на 1 га.
Экологические типы растений (разделение по отношению к уровням плодородия почв):
• эутрофы — растения богатых, плодородных почв;
• мезотрофы — растения почв среднего уровня плодородия;
• олиготрофы — растения бедных почв.
Разделение растений на экологические типы по отношению к водному режиму было представлено выше.
Экологические типы растений (разделение по отношению к реакции почвенного раствора):
• кальцефилы — растения нейтральных почв;
• мезофилы — растения слабокислых почв;
• ацидофилы, или оксилофилы, — растения кислых почв. Оптимальные реакции почвенного раствора для большинства
растений лесолуговой зоны: нейтральная (рН 6-7) и приемлемая для многих растений слабокислая (рН 5-5,5). Некоторые растения хорошо растут в условиях кислой среды (рН 4-4,5), а ряд видов — при особенно кислой среде (рН 3-3,5), обычной на верховых болотах.
Различаются растения и по отношению к тому или иному гранулометрическому составу почвы (ранее почвоведы называли его механическим составом): растения легких почв называют псаммофитами, средних — суглинистых — мезофитами. Такие условия и предпочитает подавляющее большинство видов растений. Некоторые растения-мезофиты могут произрастать и в условиях тяжелых глинистых почв (отдельного типа растений для этих почв не существует).
А за примерами поспешим в леса, на поляны, на луга — на взгорки и в поймы, к дюнам па побережье залива, а то и на болота. Заглянем для сравнения и в соседние природные зоны.
На дерново-подзолистых почвах произрастает большинство видов растений разных жизненных форм, так как эти типичные почвы занимают до 80% территории северо-западной зоны. Наиболее распространенные здесь растения и надо считать индикаторами зональных почв. Это прежде всего береза, осина, тополь черный, липа, клен, многие виды кустарников: лещина, калина, крушина, бересклет, сирень, различные виды луговых растений.
Для более бедных — подзолистых — почв характерны сосна обыкновенная, вереск обыкновенный, брусника, толокнянка, овсяница овечья, колосок душистый, луговик извилистый, наземный, белоус торчащий, кошачья лапка, ястребинка волосистая. Все эти и некоторые другие растения растут обычно на почвах малоплодородных, бедных.
Средний и высокий уровни плодородия дерново-карбонатных почв, особенно нейтральный характер среды в них, определяют следующие растения: дубы разных видов, ясени, каштаны, липы — обычно значительно больших размеров, чем на дерново-подзолистых почвах. Кроме того, часто на дерново-карбонатных почвах растет можжевельник обыкновенный (также достигая значительной высоты и пышности), из травянистых растений: цикорий обыкновенный, люцерны изменчивая, желтая, хмелевидная, первоцвет весенний, маргаритка многолетняя, козелец-скорцонера.
На лучшие зональные условия (богатство почв, большое количество тепла) заметно реагируют деревья: на юге лесолуговой зоны, в лесостепной и степной зонах они крупнее, выше, с мощными стволами, пышными кронами, что делает их более декоративными.
Травянистые растения внешне довольно сходны в лесолуговой и более южных зонах при сравнении одинаковых видов. На более плодородных почвах других типов (например, дерновых пойменных, а южнее — черноземных) встречаются лабазник вязолистный, купырь лесной, крапива двудомная, сныть, ежа сборная, райграс многолетний, различные виды костреца и другие травянистые растения.
При систематическом дефиците влаги приспособились произрастать сосна обыкновенная, разные виды шиповника, спиреи, из трав: овсяница овечья, колосняк песчаный, райграс высокий, вейник наземный, овес заячий (овсец луговой), клевер пашенный, короставник полевой, ястребинки разных видов, василек шероховатый. Чаще они встречаются на почвах легкого механического состава. Есть эти растения и в более южных зонах. Характерен, например, колосняк песчаный, или гигантский, — крупный злак, растущий на чистых песках, на дюнах. Его большие кусты с жесткими побегами, крупными колосьями и необычного сизо-голубоватого цвета листьями встречаются у нас по берегам озер, на песчаных холмах рядом с Финским заливом. Распространен этот злак и в южных зонах, до полупустыни. Много растет на просторах песчаных полупустынь в Волгоградской и Астраханской областях, Коллеги-биологи из Волгоградского сельскохозяйственного института рассказывали мне, что раньше зерно (крупное, как у культурных зерновых) собирали ямщики для скармливания лошадям. Экологически интересно то, что такое крупное растение (побеги до 90-100 см высотой образуют объемный куст) обходится очень небольшим количеством воды, потребляя ее из слоев песка, где она конденсируется в виде росы в ночные часы благодаря перепадам температур днем и ночью.
При средних, как их часто определяют, «нормальных» условиях увлажнения (в лесолуговой зоне), слабокислой реакции почвенной среды и на средних по механическому составу почвах часто встречаются дубы, березы, липы, сирень, садовый жасмин (чубушник), боярышники, а на лугах — клевер луговой, чина луговая, горошек заборный, клевер ползучий, колокольчик скученный, нивяник обыкновенный, зверобой продырявленный, тмин обыкновенный, герань луговая, тимофеевка луговая, овсяница луговая, мятлик луговой, подорожники.
В сильно кислой среде произрастают растения верховых и переходных болот. Особенно высокую кислотность выдерживают растения верховых болот: сфагны, мох кукушкин лен, пушицы, клюква четырехлепестная, подбел разнолистный. На слабокислых почвах широко распространены луговые и болотные злаки: щучка (луговик дернистый), голубая, полевица собачья,; многие осоки.
Бобовые растения (различные виды клевера, люцерны, донника, чины и др.), как правило, произрастают на почвах со слабокислой реакцией среды или на нейтральных почвах. Для нейтральных, карбонатных, почв из кустарников особенно характерен можжевельник обыкновенный. Иногда он встречается в лесу или на лугу в виде некрупных единичных экземпляров, но это определенный сигнал: здесь хотя бы местами, пятнами, есть нейтральные условия почвенной среды. На типичных карбонатных почвах можжевельник растет группами, иногда формируя леса, обычно в сочетании с сосной обыкновенной: в таких лесах высокие кусты можжевельника красиво перемежаются с не менее красивой сосной. Привелось видеть такие варианты можжевельниковых зарослей и лесов при посещении острова Сааремаа на Балтике с коллегами-ботаниками. Весь остров представляет собой мощную карбонатную плиту, на нем есть и каменоломни, где из этой плиты вырезают полосы и красивого строительного материала (некоторые станции метро в Санкт — Петербурге отделаны этим камнем — местами в нем видны древние ракушки).
Ценные сведения о взаимосвязи условий и растений, об индикаторной роли растений содержатся в интересной книге петербургского геоботаника Е. П. Матвеевой (1967). О распространении определенных типов лесов в связи с преобладанием разных типов почв на Северо-Западе и в Прибалтике она пишет следующее. Фронт широколиственных лесов расширяется в направлении с северо-востока на юго-запад в точном соответствии с распространением известняковых пород и дерново-карбонатных почв с нейтральной реакцией среды. Это совпадает и с определенным смягчением климата в том же направлении. В Европе широколиственные леса также связаны с дерново-карбонатными и бурыми лесными почвами, но не заходят на бедные и кислые дерново-подзолистые и подзолистые почвы.
На мощных дерново-карбонатных почвах типичны хвойно-широколиственные леса: дубовые, еловые и сосновые с дубом, кленом и другими породами, с подлеском из орешника-лещины. В Калининградской области встречаются значительные массивы чистых дубрав, липняков, (леса с грабом), и даже есть в двух местах буковины (леса с буком). В Ленинградской области широколиственных лесов почти не сохранилось. Группы деревьев дуба и отдельные его экземпляры встречаются на Ордовикском плато (запад области), где распространены дерново-карбонатные почвы. В смешанных и еловых лесах на выщелоченных дерново-карбонатных почвах встречаются как примесь клен, липа, дуб, ясень, местами ильм (вяз).
По мере обеднения почв питательными веществами и кальцием ; (дерново-подзолистые и подзолистые почвы) увеличивается примесь к широколиственным породам ели, появляются участки хвойно-мелколиственных и мелколиственных лесов из осины, березы, ольхи серой и др.
На самых бедных, мало подзолистых и дерново-подзолистых, почвах легкого механического состава коренными растительными группировками становятся сосняки.
Геоботаники и экологи объективно считают, что существуют определенные климатические границы распространения и оптимального развития конкретных типов почв и сообществ растений. Вот еще несколько примеров из книги Е. П. Матвеевой. Ель в Калининградской области находится на западной границе своего естественного ареала, на дренированных равнинах. На западе, в Европе, ель оттесняется широколиственными породами в горы, а на равнинах ее нет. Ареал распространения бука лесного, наоборот, имеет восточную границу в той же Калининградской области и восточнее в природных условиях не встречается; соответственно, к западу, в Европе бук широко распространен. Граб обыкновенный не растет в естественных насаждениях севернее Латвии, а в Европе, например, в Германии, леса с заметным участием граба — не редкость. Добавлю, что это — характерные экологические закономерности, но вместе с тем в разных местообитаниях встречаются и переходные типы лесов или их фрагменты, вклинивающиеся один в другой или сменяющие друг друга на вполне сходных местообитаниях. Так, среди сосняков местами могут встретиться ограниченные площади ельников или отдельные экземпляры ели, березы, осины и других пород. Также среди соснового леса, типичного, например, на Карельском перешейке в условиях бедных песчаных (подзолистых и дерново-подзолистых) почв, наблюдается примесь небольшого числа или единичных экземпляров дуба, можжевельника и других видов. В таких случаях проявляются внутренние взаимодействия в растительных сообществах, конкурентные и благоприятные воздействия растений разных видов, разного возраста и разного размера.
Еще пример, связанный с кажущимся на первый взгляд неожиданным господством ели среди сосновых лесов: недалеко от поселка Сосново в 2005 г. открыт новый горнолыжный комплекс «Игора». Для него была выбрана самая высокая в округе точка: 209 м над уровнем моря. С этой холмистой местности хорошо видны простирающиеся до горизонта сосновые леса, типичные для Карельского перешейка. А на территории комплекса господствует лес из ели, темный, состоящий из крупных деревьев, — почти чистый, одновидовой еловый лес в окружении сосняков. На этом «лобном» месте почвы явно плодороднее, чем вокруг. Это пример сложных взаимоотношений в природе, не только влияния экологических факторов, но и влияния растений друг на друга. Внутренняя жизнь фитоценозов имеет не только познавательное значение — результаты сложной и специфичной жизнедеятельности при совместном произрастании рядом растений разных видов заметно проявляются внешне, что выражается в изменении структуры и состава фитоценоза, даже в смене одного фитоценоза другим. Иногда под влиянием таких природных процессов сменяются и типы растительности в тех или иных местообитаниях: на месте леса может сформироваться луг, на месте луга — болото, на месте болота — вновь лес и т. д. Конечно, на подобные смены сильное влияние оказывает деятельность людей, но об этом — в специальном разделе книги.
Завершая разговор о почвенных экологических факторах, уместно остановиться на характеристике основных типов почв лесолуговой зоны (ее еще называют таежно-лесной) и нашего Северо-запада России.
Верхний плодородный слой почв на Земле не очень мощный — порядка 20-25 см, в диапазоне от 5-10 см до 80-100 см и в отдельных случаях — больше. Почвы и различаются в первую очередь мощностью этого верхнего, плодородного, гумусового горизонта. За счет такого слоя живут растения и кормится человечество на Земле.
В почвоведении почвы классифицируются по типам, подтипам, родам, видам, разновидностям и разрядам.
Основные типы почв лесолуговой зоны:
• подзолистые почвы;
• дерново-подзолистые,
• дерново-подзолистые глеевые;
• дерново-глеевые;
• дерново-карбонатные;
• дерновые;
• болотные (они представлены ранее).
В северной части зоны под лесами формируются подзолистые почвы. Это бедные почвы: гумуса в них содержится только 0,3-0,5% (показываем содержание гумуса только для верхнего гумусового горизонта почв). Показатель кислотности pH равен 3-4, то есть это кислые почвы. Верхний горизонт их небольшой мощности — от 3-5 до 10-12 см, но местами имеются и окультуренные подзолистые’ почвы.
Дерново-подзолистые почвы сформировались под лугами. Гумусовый их горизонт содержит 3-7% гумуса (это довольно высокий уровень), мощность этого горизонта — от 7-12 до 15-18 см, а при хорошей окультуренности мощность его доходит до 20-22 см. С позиций научной агрономии, плодородный слой в почвах должен быть оптимально 25-30 см.
Именно хорошо окультуренные дерново-подзолистые почвы содержат в гумусом слое до 5-7% гумуса, что составляет 60-75 т на 1 га (в целинных почвах — 43-47 т), азота — 3-3,5 т на 1 га (в целинных почвах — 2,5-2,6 т). Показатель pH — 5,5-6,5, то есть это слабокислые почвы. Выделяют еще огородные, окультуренные в особенно сильной степени, почвы. В них содержится до 10% гумуса, мощность гумусового горизонта доведена культурой земледелия за многие годы до 40-60 см и даже более. Почвоведы называют такие почвы антропозёмами, улучшенными человеком.
Тяжелые и среднетяжелые окультуренные дерново-подзолистые почвы на покровных суглинках (глинистые и суглинистые почвы) содержат в пахотном слое 80-85 т гумуса и в нем 5-6 т азота на 1 га; показатель pH — 5,5-6. Значительно беднее дерново-подзолистые песчаные почвы: они содержат только 0,5-1,5% гумуса.
В европейской части России встречаются местами (составляя от 5 до 7% территории) дерново-карбонатные типичные и выщелоченные почвы. Это некислые, с нейтральной реакцией среды, почвы, сформировавшиеся на известняковых материнских породах. Обычно типичные дерново-карбонатные почвы высокоплодородны: их дерновый горизонт богат гумусом — до 4-6%, а при хорошей окультуренное™ — до 12%, в них содержится много азота и других питательных элементов, насыщенность основаниями тоже высокая — 90-95, иногда до 98%. Эти почвы сформировались также под луговой растительностью.
Выщелоченные дерново-карбонатные почвы тоже достаточно плодородны: гумусовый горизонт имеет слабокислую реакцию (pH 5,5-6,5), насыщен основаниями — до 90-95%, содержит 4% гумуса и более. Но вскипают от соляной кислоты (показатель содержания карбонатов — Ca) эти почвы ниже гумусового горизонта, чаще с глубины 40-60 см; типичные дерново-карбонатные почвы вскипают с поверхности.
Дерново-карбонатные почвы отличаются слабой водоудерживающей способностью, они хорошо проницаемы для воды, поэтому в жаркие периоды иссушаются.
Дерновые (аллювиальные — наносные) почвы прирусловой и центральной частей пойм рек сформировались под влиянием наносов, приносимых полыми водами. Непосредственное влияние на их формирование оказывала луговая растительность пойм. Это почвы, наиболее богатые питательными веществами, плодородные, с мощностью верхнего темноцветного (гумусового) горизонта 35-50 см, а на некоторых поймах и до 80-100 см. Такие почвы особенно характерны для центральной части поймы, на которой формируется оптимальный режим увлажнения для луговых растений начиная с весны и в течение всего вегетационного сезона. Соответственно, в центральной части поймы произрастают сообщества из наиболее крупных и урожайных луговых растений. В верхнем горизонте в этих почвах может содержаться до 3-7% гумуса, реакция среды в них — слабокислая, почти нейтральная (рН 5-6). В целом, по ценности и богатству аллювиальные дерновые суглинистые почвы центральной части пойм могут быть сравнены (образно или условно) с черноземами. Такое богатство под лугами в поймах рек!
В прирусловой части пойм развиваются специфические дерновые почвы: аллювиальные слоистые. В них слои песка, периодически наносимого водами реки, перемежаются слоями, содержащими органические вещества. Происходит это потому, что половодья, или разливы рек (особенно крупных) различаются по интенсивности в разные годы. В прирусловой зоне поймы наносами откладываются слои крупных песчаных частиц. Такие места постепенно приподнимаются над остальной поймой, на 2-3, иногда до 5 м: вдоль течения реки образуются песчаные гряды, подобия вытянутых дюн. В некоторые годы они бывают почти без растительного покрова, но через несколько лет зарастают розеточными растениями и корневищными луговыми злаками. Слоистые почвы пойм — естественно, легкие, (содержание гумуса — 1-2%). Кроме травянистой растительности на прирусловой части пойм встречаются кустарники и деревья. Здесь произрастают, образуя полосы вдоль берегов, пойменные леса из дуба, липы, березы, но чаще — из различных видов ив и ольхи.