Лесоводы издавна придавали важное значение физическим свойствам почв — скважности, влагоемкости, аэрации, а также гидротермическому режиму. Особенно важным принято считать физическое состояние и свойства верхнего почвенного слоя, лежащего непосредственно под подстилкой, поскольку в нем располагается обычно около половины, а нередко и более всех мелких всасывающих корешков деревьев в лесных условиях. Этот же горизонт чаще всего является восприемником опадающих на почву лесных семян, и от его физического состояния зависит успех естественного возобновления леса.
Лесоводами для определения физических свойств почв, особенно верхнего их горизонта, был применен почвенный зонд-плотномер, которым определяли рыхлость почвы по глубине вхождения в почву металлического стержня, падающего вертикально с высоты 1 м. Этим простым прибором получены очень интересные и важные данные Пенчука (1931) о влиянии древесных пород на плотность почв, где было установлено рыхляющее влияние лиственницы и уплотняющее — ели.
Особенно важны для лесоводственной оценки почв показатели скважности почв: общей, капиллярной и некапиллярной. Общеизвестную методику швейцарского лесовода Г. Бургера (1922), широко применяемую для учета общей, капиллярной и некапиллярной скважности, водопроницаемости почвы, первоначально предложил чешский лесовод-почвовед А. Копецкий (1912). Исследования проводили при помощи стального цилиндра для взятия образцов с ненарушенной структурой емкостью 1000 см3, примененного впоследствии Г. Бургером.
Цилиндр Копецкого, называемый также цилиндром Бургера, имеет высоту 100 мм и внутренний диаметр 11,3 см. Внутри он чуть суживается от верхнего края к нижнему для того, чтобы уменьшить трение вырезаемого нижним его острым краем образца при вдавливании цилиндра в почву, Толщину стенок цилиндра применяют разную, обычно около 2—3 мм. Нижний конец, как было сказано, заостряется, но только по внешней стороне, верхний же остается тупым и используется как площадка для упора давящего на нее сверху приспособления, в простейшем случае — деревянной планки.
Как показывает опыт, цилиндр Копецкого имеет большое преимущество для лесных почв, так как у него большой, литровый объем. Верхние горизонты лесных почв изобилуют пустыми каналами дождевых червей, насекомых, мелких и крупных корней, животных, оставляющих после себя ходы крупного размера, — землероек, мышей, кротов и других. Применение цилиндров и других приборов малого размера (100—250 см3) для взятия образцов почвы с ненарушенной структурой требует при исследовании лесных почв, особенно верхних их горизонтов, многократной повторности, до 30—60 образцов в одном горизонте, чтобы получить надежное среднее. При пользовании литровыми цилиндрами вполне достаточно, как показал Бургер и как это подтверждено в работах П. К. Фальковского (1928 и 1929), трех повторностей. В горизонте 0—10 см нераспаханных черноземов степного заповедника «Михайловская целина» 3-кратное взятие проб по Бургеру дает среднее с отклонением ±8%, а 5-кратное ±2—3%. В нижних же горизонтах чернозема 2-кратное дает ±2%. 3-кратное ±1—2%, 5-кратное ±1%, т. е. в нижних горизонтах можно прибегать к 2-кратной повторности.
Для определения физических свойств почв по Г. Бургеру необходимо определить влажность образцов в момент их взятия, отдельно учесть крупнозем — крупный песок, камни, вес и объем которых затем присчитывается к весу остальной твердой фазы. Затем цилиндр, закрытый с нижней стороны крышкой из мелкой (0,5 мм) латунной сетки, погружается на сутки в обычную воду для насыщения. Затем он вынимается из воды и после стенания капель снова взвешивается. В нашем варианте мы вели насыщение образцов снизу, погружая их нижний край на 1 см и подвергая затоплению лишь после смачивания капиллярной водой всей почвы в цилиндре. Скелет, корешки и органические остатки отбирают и взвешивают отдельно, при разборке почвы. Все расчеты по этому методу ведут на литровый объем почвы в состоянии полной влагоемкости. С этой целью после насыщения влагой срезают излишек почвы, выступающей над верхним краем цилиндра, и игнорируют его вес во всех дальнейших измерениях и расчетах.
Удельный вес твердой фазы определяют по образцу, взятому в качестве среднего после насыщения.
Техника описываемого метода была упрощена нами с помощью применения жестяных воротников размером 10—45 см из листового оцинкованного железа. Воротники, формируемые в виде цилиндров, надевают на круглую деревянную болванку диаметром 11 см. Взятый литровым цилиндром образец выталкивается той же болванкой осторожно в воротничок, где на нижний его край надевают крышку-сеточку для насыщения почвы влагой, как было указано выше. Применяя этот вариант, можно ограничиться одним стальным цилиндром, но зато брать с собой много десятков портативных жестяных воротничков и крышечек к ним. Усложнением является необходимость определять для каждого горизонта линейный прирост набухания в состоянии полной влагоемкости, необходимый для вычисления показателей объемного веса и скважности в насыщенном состоянии.
В таблице приведены показатели физических свойств лесных почв, определенные по Бургеру в 3-кратной повторности. Обращает внимание высокая общая скважность верхних почвенных горизонтов в 0—5 и 0—10 см, нарастающая от песка к суглинку, и падающая в ту же сторону некапиллярная скважность («воздухоемкость»).
Физические свойства лесных почв, определенные по Бургеру при 3-кратной повторности
Впрочем, для песчаных и супесчаных почв первых трех участков характерна низкая влагоемкость. Она несколько увеличивается в направлении от бора к судубраве, благодаря нарастанию примеси глинистых и гумусовых частиц. В субори и сугрудке, в нижних горизонтах их профиля, появляется валунный суглинок, что, однако, не увеличивает ни общей скважности, ни капиллярной влагоемкости, ни воздухоемкости (последняя представлена некапиллярной скважностью, указывающей на общий объем крупных пор, занятых чаше всего воздухом). Но зато в морене (участок 3 — глубина 80—90 и 130—140 см); влажность значительно повышается. Низкая скважность, свойственная глубинным горизонтам песка, ограничивает укоренение древесных пород и разветвленность корней в этих уплотненных горизонтах.
В нижних горизонтах песков и в валунных глинах общая скважность может упасть ниже 30%, а некапиллярная — до 3,7—5,1%. Плотность этих горизонтов предельная. Она обусловлена совершенной упакованностью почвенных частиц, достигаемой под влиянием смен увлажнения, уплотняющим влиянием тяжести лежащих выше горизонтов и клеящей силы водных менисков. Максимум последней осуществляется при наличии воды только в связанной форме, при некоторой средней влажности почвы (песок — 3—5%), суглинок — 10—15%.
Как мы уже упоминали, сосновые корни не идут в нижние горизонты песков глубже чем на 2—2,5 м. Поэтому для них зачастую бывает недоступной капиллярная кайма грунтовых вод, если она лежит ниже 2,5 м. Причина — упомянутая большая механическая сопротивляемость нижних песчаных горизонтов по отношению к росту корней. Внешне она проявляется искривлением корней, их штопорным ростом, разрастанием исключительно по старым корневым ходам.
Пескам не свойственны трещины первичного происхождения и другие черты, глубинной почвенной тектоники, типичной для связных глинистых почв. Именно это обстоятельство и делает глубокие горизонты песков непроницаемыми для корней. Что касается глинистых наносов, то по системе свойственных им трещин, распространяющихся на всю их мощность, корни проходят без труда. По вертикальным трещинам корни достигают капиллярной каймы грунтовых вод, лежащей даже на 10 м от дневной поверхности (например, корни дуба, люцерны, верблюжьей колючки и других глубокоукореняющихся растений).
Неоднородность сложения почвы, вызванная трещинами и полостями первоначального не биологического происхождения, носит название архитектоники. Система свободных ходов в почве, пустых или заполненных отмирающими корнями и другим субстатом биогенного происхождения, распространенная в почвах и грунтах разного механического состава, носит название биотектоники или, если она является продуктом только деятельности корней, — ризотектоники. Эта последняя имеет наибольшую ценность для быстрого освоения корнями глубоких горизонтов песчаных почв и субстратов, где корневые ходы представляют во многих случаях единственную в их условиях возможность для освоения подпочвы. В суглинистых почвах и наносах, имеющих первичные трещины, ризотектоника уже не имеет решающего значения для свободного роста корней. Тем не менее, образуясь в результате деятельности землероев и корней растений, в значительной мере благодаря расширению трещин неорганического происхождения, так называемых «водяных трещин», ризотектоника создает в плотных глинистых породах большие преимущества для растений, намного увеличивая структурность, рыхлость, общую и некапиллярную скважность субстрата, а также проходимость его для корней по вертикали вниз.
В естественном сосновом лесу на песке ризотектоника с возрастом расширяется и углубляется, обеспечивая всякий раз лучшее питание и водоснабжение сосняков и даже последовательный переход типов леса от боров к суборям, в ряде случаев — к судубравам. Это осуществляется быстрее в тех случаях, когда, углубляя ризосферу, корни достигают более богатых минеральными элементами питания глинистых слоев и грунтовых вод, увеличивая за их счет свое питание и водоснабжение.
Нижняя часть (1— 2 м) почвенного разреза борового песка. Постепенный переход горизонтальных прослоек в волнистые псевдофибры. Становление ризотектоники: П — псевдофибры; Г — горизонтальные прослойки бурого цвета; К — корневой след; Г. С. — горизонтальные перемычки между прослойками в корневых следах, прогибающиеся книзу, частично составленные из кусочков; f — участки неизменной материнской породы в горизонте С2; F — материнская порода
Однако ризотектоника песков неустойчива. Она полностью сохраняется лишь при естественной смене поколений леса, когда каждое последующее поколение формируется «на плечах предшествующего», наследуя от него полностью систему корневых ходов в нижних плотных горизонтах. Для сохранности ризотектоники необходимо, чтобы отмершие корни не истлевали до тех пор, пока их не заселят корни молодой сосны, чтобы оба эти процесса шли одновременно, параллельно. В противном случае глубинные пустоты заплывают песком, «затворяются».
Иными словами, преемственность поколений гарантирует сохранение глубинных корневых ходов — результат длительной, во многих случаях тысячелетней жизнедеятельности корневых систем леса в почве. В противном случае, при опоздании с облесением всего на 3—5 лет, мелкие глубинные корни старого леса, особенно их вертикальные корневые окончания толщиной 1—2 см, проходящие часто на 1—2—3 м вниз, сгнивают, пустоты заплывают песком, исключаются из ризосферы; через 10—15 лет заплывут и те из них, которые заняты крупными корнями. Корневая система молодых сосняков в этом случае не растет вниз, становится поверхностной. В возрасте жердняка, когда потребность во влаге и питательных веществах резко возрастает, сосняки на песках, утративших глубинную ризосферу, страдают от засухи и недостатка питания. Преждевременно падает их прирост, они изреживаются, становятся объектом нападения со стороны грибов и насекомых. Корни сосны заселяет корневая губка — Fomes annosus, кроны — вершинный лубоед, ствол — подкорный клоп и другие вредители.
Подобное явление еще в начале прошлого века сделалось обычным для сосновых лесов Германии, так как к тому времени естественные леса были вырублены на большой площади, а на их месте возникли лесные культуры, созданные посевом или посадкой. Отмирание сосны получило у немецких лесоводов название «Ackertanne», что означает «сосна на пахоти». Это были расстроенные корневой губкой искусственные сосняки, созданные на месте срубленных здоровых насаждений, после раскорчевки и временного сельскохозяйственного пользования на лесосеках.
Не было ничего удивительного в том, что причину столь распространенного и убыточного явления как «сосна на пахоти», лесоводы того времени были склонны видеть непосредственно в раскорчевке, или в сельскохозяйственном пользовании, или только в корневой губке, или, наконец, в комплексе этих трех явлений. Между тем корчевка и сельскохозяйственное пользование — предшествующие явления, а корневая губка — последующее по отношению к главной причине — утрате почвой ее глубинной ризотектоники.
Краткосрочное сельскохозяйственное пользование, если оно ограничивается междурядьями культур, и раскорчевка, если она сводится только к изъятию пней и горизонтальных корней, не могут быть причиной описываемого явления, поскольку корневые ходы в этих условиях не утрачиваются, а сохраняются. Корневая губка развивается на деревьях ослабленных, плохо растущих. Поселяясь первично на мертвых соснах, она проникает в здоровые через места сращения здоровых корней с корнями зараженных губкой отмирающих или мертвых сосен (Т. Гартиг, 1862).
В сосняках с преобладающим разрастанием корней срастания происходят чаще и расширение очагов корневой губки идет интенсивнее.
Важнейший вывод для производства из сказанного выше — не следует допускать опозданий с возобновлением вырубок вообще и особенно в сухих и свежих борах и суборях. Следует шире и смелее применять естественное возобновление, посев и посадку сосны группами вокруг старых сосновых пней. Что касается пустырей, почвы которых утратили глубинную ризотектонику, то на них могут быть намечены два важнейших пути:
- в борах следует применять искусственное восстановление ризотектоники с помощью вертикальных кротовин, заполняемых влагоемким материалом: торфом, компостом, бурым углем, древесными опилками;
- в борах и в суборях может быть эффективна смена сосны на березу или осину, корни которых способны преодолевать значительно большие сопротивления, чем корни сосны, и поэтому служить для последней полезными предшественниками — восстановителями ризотектоники, проводниками сосны на старые пустыри, образовавшиеся на месте сосняков.
- на давно обезлесенных и слежавшихся песках в целях повышения приживаемости посадок полезна глубокая безотвальная пахота — рыхление (способ П. А. Скрипки и А. Ф. Кошелева).