Мощность (глубина) почвы является важным ее свойством, оказывающим большое влияние на плодородие.
Растения, особенно древесные, крайне нуждаются в том, чтобы почва предоставила им возможность широко и глубоко укореняться, обеспечила им достаточный объем водного и минерального питания, ветроустойчивость, а в пойменных условиях также и механическую устойчивость по отношению к водным (аллювиальным) потокам.
Иногда специфическую роль мощности почвы пытаются определить путем отнесения ее к разряду «косвенных факторов». Однако нот логический прием не разъясняет важнейших особенностей влияния мощности почвы на свойства леса и является столь же ошибочным, как и вся «теория» прямых и косвенных факторов. Между тем мощность почвы существенно отражается на составе лесных насаждений, их производительности, устойчивости и других свойствах. Способы оценки этого фактора, как и всякого другого, можно проиллюстрировать на примерах, показывающих изменения лесорастительного эффекта, вызванные им одним, т. е. с помощью методов сравнительной экологии.
Насаждения влажных и особенно сырых боров, суборей, сураменей, раменей и даже сырых дубрав отличаются пониженной ветроустойчивостью, а также, вследствие главным образом этого обстоятельства, пониженной долговечностью. Для этих типов леса характерен микрорельеф корневых выворотов, т. е. чередование углублений с холмиками-бугорками, представляющих собой следы старого ветровала. Подобный микрорельеф ярко свидетельствует о том, что насаждения упомянутых типов леса заканчивают свою жизнь ветровалом, возникающим из-за недостаточно глубокого укоренения. Ветровал происходит в зрелом возрасте, когда деревья, вследствие большой мощности их стволов, высокого расположения широких и тяжелых крон, слабой заякоренности корневых систем в мелкой почве, достигают так называемого «опрокидывающего момента» и падают, оставляя после своего падения углубление, откуда была вырвана корневая система с частью почвы, и рядом расположенный холмик, который образуется в результате осыпания почвы, увлеченной вырванными корнями.
Описанный случай как раз и является иллюстрацией качественного влияния мощности почвы на лесорастительный эффект: малая мощность почвы (укороченность ризосферы) ограничивает долговечность насаждений во влажных, сырых и заболоченных типах леса.
Сторонники «прямых и косвенных факторов» могут нам возразить в том духе, что-де все объясняется «прямым фактором», в качестве одного из которых в данном случае выступает ветер, а не укороченная ризосфера. Возможно и другое возражение, указывающее на то, что прямым фактором является «тяжесть дерева» и т. п. Вообще, становящийся на точку зрения «прямых и косвенных факторов» попадает в царство схоластики, где возможен любой вывод, но зато исключается правильное объяснение явлений.
Приведенный случай относится к тем, когда ограничителем ризосферы выступает уровень грунтовых вод или верхний край их капиллярной каймы. Гигрофиты — ольха, многие виды тополей и некоторые другие породы — распространяют свои корни в капиллярном горизонте; мезофиты и ксерофиты, например сосна, — только в верхней его части. Но ограничителями ризосферы зачастую выступают также плотные кристаллические, реже — осадочные горные породы, крайне уплотненные глины, засоленные горизонты, а также глубокие горизонты мощных песчаных отложений.
Разные древесные породы по-разному относятся к упомянутым препятствиям. Так, корни тополей, березы и дуба обладают большой проходимостью в отношении плотных глин и глубоких, песков. Сосна способна в относительно короткие сроки укореняться даже на мелах и известняках, в трещинах карбонатной горной породы, прокладывая в них, при помощи выделяемых кислот, глубокие и широкие вертикальные ниши («органные трубы»), заполняемые глинистыми продуктами выветривания карбонатной породы. Но та же сосна не способна преодолевать сопротивление нижних горизонтов однородных (лишенных прослоек) кварцевых песков. На таких песках она развивает только неглубокие, зачастую поверхностные корневые системы, идущие не глубже 1,5 м.
Как мы уже частично отмечали при рассмотрении борового ряда, мощность почвы является важным условием ее плодородия. Для влагоемких глинистых, суглинистых и супесчаных почв, если грунтовые воды далеки или отсутствуют, свойственна следующая закономерность: чем мельче почвы, тем они беднее и суше; чем почти глубже, тем они богаче и влажнее. Эта закономерность особенно характерна для горных стран и вообще для склонов, на которых мощность почвенного горизонта, подстилаемого твердой горной породой, непроницаемой для корней, колеблется в пределах одного метра.
Мелкие почвы горных склонов не благоприятствуют ветровалу, так как древесные корни прочно заякориваются в трещинах горной породы, обрастают вокруг крупных каменистых обломков, уменьшив тем самым «опрокидывающий момент». Кроме того, на мелких почвах соседние деревья одной и той же породы легко срастаются корневыми системами, а чистые (однопородные) насаждении образуют общую сплошную корневую сеть на протяжении всего склона. Немаловажное значение при этом имеет также и отсутствие переувлажнения почвы, которое способствует ветровалу во влажных в сырых типах леса.
Колебания мощности почв на горных склонах отражаются на количестве влаги и питательных веществ в них, а это вызывает изменение типов леса. Однако сама по себе глубина еще не дает только для нее характерных качественных отражений в лесорастительном эффекте. Например, в горах Крыма и Северного Кавказа при увеличении мощности почвы на склонах от 5—10 см до 1—1,5 м сухие боры (А0) переходят последовательно в субори, сначала простые (B0-1), затем сложные (C1-2) и, наконец, в дубравы (D1-2) на южных склонах или в бучины (D2-3) на северных. Подобные же изменения мы наблюдаем и на глубоких почвах при переходе от песков к суглинкам. Следовательно, фактор глубины почвы не является экологически специфичным для горных условий. Он только меняет плодородие и увлажнение местообитаний.
О том же свидетельствуют другие факты. Например, глубоко укореняющийся дуб создает устойчивые естественные леса на мелких скелетных почвах крутых горных склонов (Карпаты, Крым, Кавказ); мелко укореняющаяся ель лучше всего растет на глубоких почвах (типы свежей и влажной рамени с мощностью ризосферы в 1—2 м и более). Иными словами, нет древесных пород и вообще видов растений, которые были бы привязаны к какой-либо определенной глубине почвы как к условию, им необходимому. Вывод проф. В. З. Гулисашвили (1951) о том, что осина на мелких почвах не растет, опровергается ее хорошим ростом в сырых суборях, дубравах и раменях. Если она не растет на мелких почвах горных склонов, то не из-за малой их мощности, а из-за сухости, как главной и ближайшей причины.
Широко известно старое (XVIII ст.) лесоводственное представление о том, что на мелких почвах деревья растут хорошо лишь до тех пор, пока корни не достигнут непроницаемой для них горной породы; после этого рост деревьев в высоту приостанавливается. Но в упомянутой постановке это правило является ошибочным, так как корни осваивают ризосферу и достигают ее нижних пределов намного раньше, чем начинается падение или притупление роста стволов в высоту. Давность существования упоминаемого представления, его распространенность и живучесть объясняются неотразимым впечатлением от ранней кульминации прироста деревьев на мелких почвах. Но ранняя кульминация обязана прежде всего сухости и бедности мелких почв, а не упомянутым соотношениям между глубиной распространения корней и их ростом в высоту, данным в виде такого примитивного представления.
Упомянем об установленных проф. Е. В. Алексеевым (1925) и детально изученных нами (1929) закономерностях плодородия двучленных наносов и песков с различной толщиной и глубиной залегания глинистых прослоек. Эти закономерности относятся в основном к почвам и лесам Полесья, но они отвечают также и условиям других географических областей.
При достаточной мощности песчаные почвы могут быть самого различного плодородия — от боров (А) до дубрав (D). Так, в случае двучленного наноса «песок на суглинке» к борам относятся однородные («однофазные») пески без каких-либо прослоек до глубины 2,5—3 м. При наличии тонких (0,5—1 см) и редко чередующихся супесчано-суглинистых прослоек глубокие пески относятся к простым суборям (В), а при несколько большем их количестве и большей толщине — к влажным суборям (С). Подобные же изменения могут быть вызваны в глубоких песках и при отсутствии прослоек, но при условии, что количество пылеватой фракции в песчаной почве нарастает или когда подстилающий глинистый нанос приближается к дневной поверхности, а мощность вышележащего песчаного наноса уменьшается до 2 (субори, В) или до 1,0—1,5 м (сложные субори, С). При дальнейшем уменьшении мощности песчаного наноса (0,5 м и меньше), когда подстилающий суглинок интенсивно осваивается древесными корнями, почва по плодородию переходит в разряд дубравных (D).
Все указанные взаимоотношения характерны лишь для сухого (1) и свежего (2) рядов типа леса. Во влажном (3), а особенно в сыром (4) ряду упомянутые «нормы» для достижения тех же уровней плодородия увеличиваются. Очевидно, что при ухудшении аэрации и укорачивании ризосферы, вызываемом подъемом грунтовых вод, более высокая степень плодородия может быть достигнута лишь при условии, когда на единицу почвенного объема будет дано большее количество основных носителей почвенного плодородия — глинистых (коллоидных) частиц почвы.
Хотя мы еще очень далеки от того, чтобы упомянутые связи представить в виде строгой математической зависимости, однако в целях наглядности их можно выразить в виде такой проблематической формулы: А = а·Н, где А — общее количество глинистых (коллоидных) частиц в почве, а — количество глинистых (коллоидных) частиц в единице объема или веса почвы, Н — мощность ризосферы. Иными словами, глубина ризосферы в простейшем случае является лишь множителем по отношению к запасу питательных веществ в единице объема или веса почвы. Чем глубже в песчаном наносе залегает глинистая прослойка, тем ниже при прочих равных условиях ее ценность с точки зрения плодородия.
Что касается влияния глубины залегания прослоек на увлажнение песка, то зависимость в этом случае носит более сложный и пестрый характер. Чаще имеет место обратная зависимость: чем ниже в пределах ризосферы залегает прослойка, тем больше полезной (для растений) влаги она накопляет, замедляя инфильтрацию атмосферных осадков.
Обсуждая вопросы мощности ризосферы с точки зрения почвенного плодородия, следует указать еще и на такой существенный фактор, снижающий плодородие и увлажнение почвы, как содержание в ней почвенного скелета — песка, хряща и камней. Чем больше скелета в почве, тем при прочих равных условиях в ней меньше мелкозема, т. е. той влагоемкой части почвы, которая является главным носителем плодородия, в частности — основой для жизнедеятельности почвенной микрофлоры.
Возможны случаи, когда глубокие и глинистые по внешнему облику почвы, будучи переполнены крупными камнями (например, валунные глины в поясе конечных морен), дают низкий по плодородию лесорастительный эффект: не дубрав или раменей, как следовало бы ожидать, исходя из глинистых свойств субстрата, а всего лишь суборей или даже боров. Что же касается горных почв, особенно мелких, то их низкий лесорастительный эффект связан не только с малой глубиной почвы, но и с ее скелетностью, влияющей в том же направлении — снижения плодородия и увлажнения.
Общее количество мелкозема в ризосфере — важнейший фактор лесного почвенного плодородия. В исследованных нами горноскелетных почвах Черноморского побережья Кавказа (глинистых но составу мелкозема) количество поглощенных катионов, рассчитанное на объем мелкозема в ризосфере, близко равнялось аналогичным показателям, полученным для глубоких нескелетных равнинных почв. Как в горных, так и в равнинных условиях боры имеют 0,25—0,5, субори — 0,5—1, сугрудки — 1—2, дубравы — более 2 т-экв/га поглощенных оснований в корнедоступном слое. Иными словами, мелкие глинистые горноскелетные почвы оказываются экологически равноценными глубоким песчаным и супесчаным почвам равнин.
Еще раз сделаем оговорку, что наши попытки приблизиться к некоторым общим количественным показателям химических условий почвенного плодородия дали сугубо ориентировочные результаты, которые необходимы лишь постольку, поскольку речь идет о такой мощной растительной формации, как лес, захватывающий в сферу своего корневого питания большой объем почвы и связывающий в биологическом круговороте на долгое время значительное количество зольных элементов. Источником почвенного питания для леса чаще всего является не только почва, но и материнская горная порода, так как корневые системы обычно проникают в нее. Поэтому термин «почва» чаще всего применяется нами в широком смысле, соответствующем понятию «ризосфера» Г. Н. Высоцкого.
Оговоримся также, что рассматриваемые закономерности правильнее было бы относить не к глубине, а к объему почвы. Понятие объема обычно заменяют понятием «глубина» только потому, что горизонтальный параметр почвы принято считать бесконечным. Однако есть почвы, для которых это последнее представление непригодно, например, самые сухие, бедные почвы и субстраты, особенно если они лишены почвенного слоя (сильноэродированные склоны и молодые эоловые пески). В таких условиях корневые системы большинства растений горизонтальны, и вопрос об обеспечении их влагой и питательными веществами разрешается не столько за счет освоения корнями глубинных горизонтов, сколько за счет увеличения в верхнем горизонте (за счет расширения площади питания и влагосбора) объема субстрата для каждого дерева. «Сухой бор» со свойственной ему нормально пониженной густотой древостоя является убедительной иллюстрацией правильности этого положения.
В свое время мы поставили вопрос о важности глубинной ризосферы в песчаных почвах, причем было обращено внимание на тот факт, что дигрессия (усыхание полное или частичное) сосновых жердняков зачастую связана с утратой глубинных корневых ходов после слишком длительного пребывания вырубок в состоянии необлесившихся пустырей. Практический наш вывод заключался в том, что возобновление в сосняках свежих боров и суборей должно следовать тотчас же за рубкой материнского насаждения с той целью, чтобы молодое поколение леса успевало освоить глубинные корневые ходы до их «затворения», т. е. до заплывания или засыпания песком сверху или из боковых стенок.
Утрата глубинной ризосферы в почвах свежих боров, где уровень капиллярной каймы грунтовых вод находится на глубине 2—3 м, закрывает корневым системам сосняка путь к этому важному источнику водоснабжения и переводит его на бюджет атмосферного питания, что во многих случаях равноценно превращению свежих боров в сухие. Подобное же явление свойственно и свежим суборям, где затворение корневых ходов ограничивает или даже исключает для последующего поколения возможность снабжаться влагой из нижележащих горизонтов слоистого песка (в этих последних благодаря прослойкам влага задерживается в количествах, намного превышающих ничтожную полевую влагоемкость песка). В обоих случаях — и для свежих боров и для свежих суборей — становится актуальным горизонтальный почвенный параметр, т. е. расширение площади питания, особенно к возрасту жердняка, когда влагопотребление становится максимальным.
В случае, когда глубинная ризосфера утрачена, упомянутая постановка вопроса ведет к двум возможным решениям задачи поднятия производительности и жизнестойкости сосновых молодняков и жердняков:
1) путем их своевременного изреживания с целью расширения площади (объема) влагоснабжения сосен;
2) путем искусственного углубления ризосферы (бурение скважин до капиллярной каймы и заполнение их влагоемким материалом, например торфом).
Ввиду трудоемкости и дороговизны второго способа, особенно при глубине грунтовых вод более 2—3 м, эффективным является только первый из них. К нему же в конце жизни пришел и выдающийся знаток сосновых культур проф. А. П. Тольский (1940), долгое время считавший, что вопрос устойчивости лесных культур в пристепных борах может решаться только за счет глубокого роста корней. Таковым и должно быть решение данного вопроса для первичных сухих боров с далеким уровнем грунтовых вод.
Однако восстановление утраченной глубинной ризосферы возможно и с помощью разведения лиственных пород, обладающих более сильным ростом корней, чем сосна, и способных быть ее проводниками в глубину, т. е. до капиллярной каймы грунтовых вод или, по крайней мере, до влагонакопляющих глинистых прослоек. Таковыми являются тополи, рекомендованные для пристепных боров Годневым, и береза, рекомендованная нами для пустырей в свежих борах, утративших глубинную ризосферу. В процессе отмирания корней березы и тополей сосна использует проложенные ими корневые ходы для роста в глубину. По-видимому, это и есть самый доступный путь для превращения вторичных сухих боров и суборей в категорию свежих, восстановления ими своей прежней производительности, утраченной из-за сокращения ризосферы во время длительного пребывания в стадии пустыря.