Торфообразование следует рассматривать как биохимический процесс, энергично происходящий в верхнем торфогенном (торфообразующем) слое и медленно в более глубоких слоях залежи.
В этом сложном процессе различают: 1) прирост растений-торфообразователей (линейный рост и прирост растительной массы); 2) собственно процесс торфообразования и 3) прирост торфяника в целом (увеличение мощности торфяного слоя).
Предварительно приведем краткие сведения о растениях-торфообразователях основных типов болот.
На верховых болотах преобладают сфагновые мхи. Сфагновый мох называют часто белым мхом из-за присущей большинству его видов в подсушенном состоянии беловатой окраски.
Различные виды сфагновых мхов, растущие совместно, нередко образуют сплошной ковер различной окраски — пурпурно-фиолетовой, коричневой, желтой и зеленой. Одни из них занимают повышенные места — кочки, бугры, основания стволов деревьев, другие предпочитают понижения, часто обводненные.
Из-за особенностей своего анатомического строения сфагновые мхи способны всасывать и сравнительно долго удерживать большое количество воды (больше своего сухого веса в 20 раз и более). Они обладают кислой реакцией клеточных оболочек и способны сами подкислять окружающую внешнюю среду.
Ежегодное нарастание сфагновых мхов — основных растений-торфообразователей — при постепенном отмирании и оторфовывании их снизу, а также особые условия питания (избыток воды и кислая реакция среды) препятствуют развитию на верховых болотах большинства цветковых растений.
Кроме сфагновых и некоторых зеленых мхов, на верховых болотах распространены кустарнички — голубика, водяника, клюква, багульник, Кассандра, подбел, вереск; из древесных пород—низкорослая корявая болотная сосна, кедр и лиственница (последние два вида — в Сибири); травянистые растения — морошка, пушица, очеретник, шейхцерия, росянка, иногда топяная осока.
Эти растения-торфообразователи при отмирании и неполном разложении образуют верховой тип торфа.
На низинных болотах произрастают растения, требовательные к минеральному питанию. Здесь распространены зеленые мхи, низинные сфагновые мхи, осока, камыш, тростник, вейник, хвощ, вахта, изредка пушица, шейхцерия; из древесных пород — береза, ольха, сосна, ель и др.
Зелеными (бурыми) называют мхи, у которых в отличие от белых сфагновых мхов преобладает зеленая (иногда бурая) окраска. Для болотных зеленых мхов употребляется также название гипновых, в связи с тем что большинство из них относится к семейству гипновых.
Болотные зеленые мхи — растения небольшой величины (5—20 см, реже до 40 см) они часто смыкаются в сплошной ровный, однообразный покров болота. Зеленые мхи не имеют корней и прикрепляются к почве ризоидами — многоклеточными волосковидными образованиями, часто сплетающимися в виде бурого или серого войлочка. В коробочках мхов, сидящих на ножках, развиваются споры. Эти растения-торфообразователи дают низинный тип торфа.
На переходных болотах растут сфагновые и зеленые мхи (низинные и верховые), осока, пушица, шейхцерия, очеретник, багульник, ива, береза, сосна и др., которые дают переходный тип торфа.
Прирост растений-торфообразователей изучен главным образом на верховых торфяниках. Так, прирост сфагновых мхов — основных торфообразователей верховых болот — хорошо прослеживается по приросту зеленой части сфагновых мхов, по росту росянки и некоторых других травянистых растений.
Средний ежегодный прирост сфагновых мхов в центральной части лесной зоны составляет приблизительно 20—25 мм, причем колеблется в зависимости от широтного положения (к северу уменьшается, к югу возрастает) и типа растительной ассоциации (по В. Н. Сукачеву, от 8 до 45 мм).
Разработка метода определения годового линейного прироста сфагновых мхов дала возможность перейти к учету весового прироста всей растительной массы на данном участке за год.
Так, средняя годовая урожайность растений-торфообразователей на верховом болоте Галицкий мох в Московской области (сосново-сфагновый фитоценоз) была следующей: общий урожай абсолютно сухой массы — 2 т/га, из них на долю сфагновых мхов приходилось 68,9%, пушицы — 12,4%, кустарничков, кукушкина льна и хвои сосны — 18,7%.
По приросту живого сфагнового покрова нельзя судить о приросте торфяника в целом. Нарастание торфяника в высоту идет очень медленно. Объясняется это постепенным уплотнением отлагающихся на поверхности растительных остатков и их гумификацией.
Существует несколько методов определения прироста торфяников: метод сосны, метод повторного нивелирования, метод пыльцы и метод пограничного горизонта.
Из них чаще всего прибегают к первому методу. Сущность его сводится к тому, что измеряют толщину торфо-мохового слоя над корневой шейкой нескольких болотных сосен (разной крупности); далее определяют по годичным кольцам стволов возраст этих деревьев (срезы стволов делают по возможности ближе к корневой шейке); разделив высоту погребенной части ствола (в сантиметрах) на период роста сосны (в годах), получают средний годовой прирост данного торфяника.
Данные многократных проверок этого метода на соснах различного возраста показали, что величины определений по более молодым соснам значительно выше величин, полученных по относительно старым соснам. Так, по данным определений в центральных областях РСФСР, ежегодный прирост торфяника, определенный по соснам 21—30-летнего возраста, равнялся 13,3 мм, а по соснам 90—100-летнего возраста этот прирост составлял лишь 4,9 мм.
По многочисленным определениям А. Д. Дубаха нарастания верховых болот БССР методом сосны были получены следующие средние величины: за 20 лет — около 20 см, за 50 лет — 40 см и за 100 лет — 50 см.
Для верховых болот Ленинградской, Новгородской и Псковской областей, по данным М. М. Юрьева, прирост торфяников с крупной сосной был: за 20—30 лет — 24—40 см, за 50—60 лет — 41—48 см.
Уменьшение прироста верховых болот по мере увеличения периода их существования объясняется прежде всего постепенной гумификацией отмерших растительных остатков (главным образом сфагновых мхов) в поверхностных слоях торфяника, а также возрастающим уплотнением торфа в залежи.
При методе повторного нивелирования по ранее заложенным реперам на Шатурском верховом болоте (Ивановская область) А. Д. Брудастов установил, что прирост торфяника за последние 40 лет равнялся 40 см, то есть в среднем 1 см за год.
Процесс торфообразования заключается в отмирании живой, органической массы растений-торфообразователей и в превращении этой массы в результате сложных биохимических процессов, происходящих в ней, в новое образование — торф.
В торфе различают составные части: гумус торфа, растительное волокно (остатки растений) и минеральные включения (соли минеральных кислот и механические минеральные примеси). Соотношение между гумусом и растительным волокном определяет одно из основных качеств торфа — степень его разложения.
Условно считают, что содержание минеральных солей и механических минеральных примесей в торфе не должно превышать 40%. При большем их содержании основные свойства торфа меняются.
Гумус торфа — это бесструктурное вещество, которое придает торфу коричневатую или черную окраску, пластичность и обусловливает его коллоидные свойства. Гумус сложен по химическому составу, который зависит от исходного материала и условий образования торфа и постоянно меняется в процессе дальнейших превращений (С. Н. Тюремнов).
Вопрос о процессе образования гумуса и его природе в основных типах почв вообще и при торфообразовании в частности очень сложный и еще недостаточно изученный. Вследствие специфичности условий гумусообразования на основных типах болот и особого состава растений-торфообразователей вопросы образования, химического состава и превращений гумуса торфа требуют дальнейших специальных исследований.
Исследования Н. М. Жмако показали, что растения-торфообразователи содержат от 5 до 17% нерастворимых органических кислот, образующих после отмирания растений более значительную, чем из лигнина, часть гуминового комплекса торфа, так как содержание лигнина в торфообразователях невелико (4—7%). Главный химический признак торфообразовательного процесса — накопление органических, главным образом гуминовых, кислот, нерастворимых и растворимых в воде. Так, в торфе различных типов неосвоенных болот (Кемь, Архангельск, БССР) содержание органических кислот колеблется от 26,7 до 55%.
Данными исследований последнего времени было установлено, что «гуминовые вещества — это коллоидальные поликонденсаты кислотной природы. Основу их составляют ароматические комплексы и азотные компоненты, состоящие в основном из аминокислотных остатков» (из доклада И. М. Курбатова на Международном конгрессе по торфу, 1963). При торфообразовании главным ароматическим компонентом гумуса является лигнин; аминокислотные комплексы обязаны своим происхождением плазме отмирающих микроорганизмов. Насыщенный основаниями и богатый азотом гуминовых кислот, гумус низинного торфа сходен с гумусом черноземов.
Неспецифические органические вещества (компоненты разлагающихся растительных и животных остатков, продукты их разложения и др.) представлены разнообразными азотсодержащими и безазотистыми соединениями: белками и продуктами их разложения; углеводами, жирами, лигнином, смолами и терпенами, дубильными веществами, органическими кислотами, спиртами и др. В сумме они на подзолистых, дерново-подзолистых, дерново-аллювиальных почвах и черноземах составляют не более 10—20% общего запаса органических веществ; на торфяных почвах количество их может быть гораздо большим, часто преобладающим.
Происхождение и свойства специфических почвенных органических веществ (продуктов сложных биохимических превращений) еще не вполне выяснены, но общие методы их выделения (по отношению к растворителям и окраске) из почв, гниющих растительных остатков, торфа и других природных образований являются основанием для объединения их в особую группу так называемых гумусовых веществ.
Сейчас выделяют лишь две группы гумусовых веществ: гуминовые и креновые (или апокреновые) кислоты. По имеющимся данным (М. М. Кононова), креновые и апокреновые кислоты ведут себя как низшие (более простые по составу) группы гуминовых кислот.
Гуминовые кислоты извлекаются из почвы щелочными растворами в форме гуматов натрия, калия и аммония и осаждаются кислотами в виде аморфного осадка.
Выделяемые наряду с этим гумины (нерастворимые в щелочных растворах гумусовые вещества), по мнению того же автора, не представляют собой особую группу гумусовых веществ, а являются гуминовыми кислотами, прочно связанными с минеральной частью почвы.
Как показывают последние исследования, гуминовые кислоты неидентичны и неравноценны на разных типах почв. При переходе от подзолистых почв к черноземам гуминовые кислоты по своему элементарному составу и свойствам (оптическим, степени дисперсности) становятся более сложными. В сильноподзолистых почвах и красноземах гуминовые кислоты по своим функциям ближе к креновым, чем к гуминовым кислотам дерново-подзолистых, особенно черноземных почв (М. М. Кононова). В связи с этим в различных типах торфа и в различных природных зонах также можно предположить неоднородность входящих в их состав гуминовых кислот и их комплексов с другими органическими и неорганическими веществами. Вопросы образования гумусовых веществ, их превращения и свойства, а также комплексность с минеральными и органическими веществами неспецифической природы требуют проведения дальнейших исследований.
Раньше считали, что степень разложения торфа в естественных болотах находится в прямой зависимости от их возраста, то есть что степень разложения торфа с глубиной увеличивается. Однако многочисленные исследования последнего времени показали, что в верховых болотах слои торфа по степени разложения распределены неравномерно. Обычно в верхнем двухметровом слое торфяных залежей залегают 2—3 прослойки торфа, разложившиеся лучше нижележащих слоев.
Скачкообразный характер изменения степени разложения торфяных залежей верховых болот в вертикальном разрезе объясняется тем, что процесс торфообразования биохимический, на него влияет климат и некоторые другие условия. В различные периоды болотообразования климат «был неодинаков: при потеплении отлагались более разложившиеся слои торфа.
По И. М. Курбатову (1937), в торфяных залежах верховых болот в условиях естественного залегания отмирающие растения-торфообразователи энергично разрушаются в поверхностном слое грибными микроорганизмами. В нижележащих слоях ухудшается аэрация, грибы уступают место дрожжевым грибкам и анаэробным бактериям, поселяющимся на полуразрушенных растительных остатках. С увеличением степени разложения в торфянике возрастает количество битумов и гумуса. Распад углеводов (клетчатки и гемицеллюлозы) сопровождается увеличением гуминовых веществ. Общее содержание лигнина возрастает, по-видимому, в результате накопления его при распаде углеводного комплекса.
Наиболее энергично торфообразование происходит только в поверхностном, так называемом торфогенном слое. В более глубоких слоях торфообразование замедлено и растительные остатки, не разрушившиеся в торфогенном слое, сохраняются долго, так как развитие биологических процессов тормозится высокой кислотностью торфа.
На низинных болотах, находящихся в более благоприятных условиях водного и минерального питания, колебания климата отражаются меньше и распределение торфа по степени разложения редко носит скачкообразный характер.
В низинных торфяниках условия для бактериальной деятельности более благоприятны из-за обильного минерального питания и слабокислой или близкой к нейтральной реакции почвы. Поэтому углеводы быстро разрушаются; частично они расщепляются до конечных минеральных продуктов разложения, частично ассимилируются бактериями и обогащают торф азотом.
Гуминовые вещества и сохранившийся в значительной части лигнин в нижележащих слоях торфяника не распадаются из-за усиливающихся анаэробных условий.
Торфогенный слой с богатой и разнообразной микрофлорой в низинных залежах находится у поверхности болота, и его мощность незначительна.