Ґрунтотворний процес — це складний комплект притаманних винятково приповерхневим горизонтам земної суші явищ, реакцій, взаємодій, ініційованих у біосфері земним екзогенезом і космічною енергією Сонця, трансформованою фотосинтезом у біоенергію «живої речовини», а в подальшому — в органо-мінеральні сполуки ґрунту. Його характеристику розпочнемо з моделей ґрунтогенезу та породжених ним ґрунтів.
Ґрунт як підсистема біосфери
Геоекологічна модель репрезентує ґрунт гетерогенним, анізотропним, органо-мінеральним, біокосним утворенням, ієрархічно вмонтованим разом з фітоценозами суші в природно-антропогенні ландшафти, біогеоценози (БГЦ), біосферу загалом. У такій моделі концентрується уявлення про ґрунт як природно-історичне тіло, породжене екзогенним розвитком земної суші, завдяки енергетичному підживлюванню від Сонця його трансформованою біоенергією. Екзогенез постійно «шліфує» найвпливовішу з підсистем біосфери, якою є ґрунт; віддзеркалюючи її ландшафти, він є найважливішим засобом суспільного виробництва (в сільському господарстві — незамінний).
Загальноприйнято моделювати ґрунт у вигляді чотирифазної екологічної системи (системою умовно вважатимемо певне тіло визначених розмірів) — тверда, рідка, газова фази (є в літосферному царстві порід і мінералів) і біофаза — специфічна, організована, біогенна фаза, «жива речовина» (В.І. Вернадський), яка, крім ґрунту — ґрунтосфери планети, трапляється також в її акваторіях (гідросфері). Фазовий склад ґрунту, виходячи з правила фаз Гіббса, є надзвичайно багатим і різноманітним. Фаза є однорідною частиною ґрунту, яка виділяється з його найближчого оточення різкою зміною властивостей на межі з іншими фазами. Фаз у ґрунті значно більше від умовних чотирьох, і всі вони надзвичайно тісно взаємодіють між собою. Серед них найбільший (близько 50%) об’єм займають тверді фази, які вважають матрицею (каркасом) ґрунту, яка багато в чому визначає властивості та габітус його профілю й окремих генетичних горизонтів, суттєво впливає на властивості газової, рідкої та біогенної фаз.
Твердофазні продукти ґрунтогенезу складаються з органічної (горючої) та неорганічної (мінеральної) частин. Остання займає в ґрунті приблизно 90 — 97% за масою або 50% за об’ємом (і навіть більше — у піщаних ґрунтах). Дрібноземиста гетерогенна мінеральна маса ґрунту суттєво відрізняється від монолітно-однорідної (гомогенної) геологічної породи (граніту, базальту, мармуру, вапняку, крейди, кварциту). Відомі також і випадки, коли, навпаки, кількість мінеральних речовин знижується до 10% в низинних, а то й до 1 — 2% у верхових малозольних сфагнових торф’яниках, але загалом констатується факт абсолютної масової переваги мінеральних речовин над органічними в більшості ґрунтів України та інших держав.
Рідкофазні компоненти ґрунту представлені ґрунтовим розчином органічних, мінеральних, органо-мінеральних сполук, кількість яких залежить від типу ґрунтогенезу (ґрунтовий розчин чорноземів, підзолів, солонців, червоноземів, інших ґрунтів якісно відрізняються).
Газова фаза ґрунту є набором різних газів, які надходять з атмосфери та утворюються під впливом ґрунтогенезу.
Біофаза — це сукупність «живої речовини», сформованої в результаті життєдіяльності вищих рослин та макро-, мезо-, мікро-, нанофауни ґрунтів.
Ще одна віртуальна модель логічно доповнюється уявленням про термодинамічну відкритість ґрунту (як і самої біосфери та ландшафтної сфери Землі, яким він ієрархічно підпорядковується), класично структурованого в три взаємопов’язані на земній поверхні блоки: речовина + енергія + інформація.
Речовинний блок ґрунту комплектується з неживої (косної), живої (біоорганічної) і біокосної речовин. Суто ґрунтова унікальність такого комплекту зумовлена не його елементним складом, а генетично (еволюційно) відшліфованими пропорціями між хімічними елементами. Для рослин -ґрунтотворників вони задаються фотосинтетично — фізіобіохімічною вибірковістю, а для самого ґрунту — біогеохімією ґрунтогенезу.
Енергетичний блок ґрунту формується за рахунок:
- сонячної радіації (основна частина її витрачається на випаровування води і на формування клімату, а 0,5 — 5,0% засвоюється фотосинтезуючими організмами і через їх посередництво надходить у ґрунт);
- гравітаційної енергії рельєфу;
- енергії радіоізотопного розпаду (ендогенного тепла);
- енергії мінеральної частини ґрунту, з її колосальною поверхнею;
- технохемогенної енергії (в окультурюваних ґрунтах).
Унікальність ґрунтової енергії полягає у тому, що її кількість, потрібна для нормального функціонування екосистем і підтримання біогеохімічного кругообігу речовин, зосереджена в гумусі — універсальному земному акумуляторі вкрай необхідної для життєпроявів біоенергії.
Інформаційний блок ґрунту (і самого ґрунтогенезу) ще не досить досліджений, але не менш суттєвий за попередні. Ґрунтогенна інформація є «записаною» на мінеральній матриці материнських порід, завдяки дії абіотичних, а головне — біотичних чинників ґрунтотворення. Інформацією тут є сенс вважати порушене одноманіття, або, що те саме — відбиток різноманіття, у нашому випадку — ґрунтово-екологічних режимів, ґрунтовоценотичне біорізноманіття, пам’ять ґрунту (загалом геоекоінформацію).
Матрична модель ґрунту виводиться, виходячи з уявлення Л.О. Карпачевського про ґрунт, як пограничне тіло, сформоване екзогенезом (В.О. Таргульян) під час взаємодії матричних твердих поверхонь літосфери з повітрям, водою, фітобіотою. Поверхневий шар ґрунтових частинок (з притаманною йому неврівноваженістю молекулярних зарядів і наявністю на верхніх шарах кристалічних решіток туманоподібного згустку протиіонів) вимірюється ангстремами (десятими частками нанометра) і має співвідношення своєї товщини до діаметра колоїдів 1 : 104 (106). Відповідність цієї величини співвідношенню ґрунтосфера : літосфера (1 : 106) дає всі підстави називати поверхневий шар частинок ґрунту ґрунтовою мінеральною матрицею — (М.К. Крупський, Д.Г. Тихоненко, Л.О. Карпачевський, А.П. Травлєєв). Л.О. Карпачевський приписує матричним процесам роль постійно діючого в живій та неживій (абіотичній) природі тоталізатора (авт.), який змушує будь-яке тверде тіло або його фрагмент формувати в цілком певній орієнтації адсорбований шар речовини, в якому і виявляються всі найбільш виразні властивості самої матриці. Максимальний (100%) матричний ефект виявляється при продукуванні ДНК і клітин у живому організмі, проте і в більшості інших випадків він продовжує залишатися достатньою мірою високим. Наприклад, при лабораторних імітаціях ґрунтових процесів він всього лише на 10 — 20% перекривається впливом сторонніх (позаматричних) чинників, а в разі розростання кристалів вплив матриці також не знижується за межі 60 — 80%, коригуючись передусім впливом температури та інших чинників ґрунтогенезу.
Ґрунтова мінеральна матриця визначає вологоємність, ємність вбирання, склад обмінно-увібраних катіонів, взаємодію ґрунту з водою, форму та міцність структурних агрегатів та багато інших дуже суттєвих властивостей ґрунту.
Органічна матриця ґрунту представлена гумусом, детритом, ферментами та іншими речовинами, які взаємодіють з мінеральною матрицею, формуючи суто ґрунтову органо-мінеральну матрицю на основі мінеральної, з якою постійно реагує органічна матриця, набуваючи притаманних лише їй специфічних рис (винятково завдяки матричному ефекту мінералів ґрунту). Ділянки мінеральної матриці, які взаємодіють з органічними речовинами, називаються активними центрами, або кластерами, роль яких виконують атоми, іони, різні функціональні групи, молекули, особливо показові в новоутворюваних на поверхні ґрунтових мінералів феро- та парамагнетиків, оксидів, гідрооксидів, солей тощо.
Свого часу В.В. Докучаєв встановив, що ґрунтогенез має межу в оформленні багатьох його властивостей. Так, верхні горизонти підзолистих ґрунтів не накопичують більше ніж 1,5 — 3,0% гумусу, чорноземи — 5 — 12, сіроземи — 1,0 — 3,5%. Ця межа якраз і задається розмірами матриці — в ґрунтах з повноцінною матрицею вміст гумусу завжди більший. Формування гумусу відбувається на ґрунтовій матриці з участю мінеральних каталізаторів (різних металів, силікатів, глинистих мінералів тощо). Вплив матриці простежується також в утворенні адсорбційних шарів і структур, адгезії мікроорганізмів на твердих ґрунтових частинках, іммобілізації ферментів, формуванні в профілі новоутворень та матричного гумусу, його старінні (О.Н. Соколовський), каталітичних реакціях, структуроутворенні (зерниста, горіхувата, призматична, пластинчаста типи структур — це є наслідок матричних взаємодій, зумовлених розмаїтим спектром активних центрів). Матричні взаємодії стимулюють також і утворення позаматричних кластерів — в адсорбційному шарі це сполуки заліза, фосфору, солей. Промивання останніх сприяє виділенню сольових кластерів з поверхонь ґрунтових частинок, залишаючи там лише суто матричні кластери (їх взаємодія з водою відбувається зовсім не так, як із сольовими кластерами).
Матрична модель ґрунтогенезу враховує визначальну роль матриці у гумусоутворенні, оструктурюванні, іммобілізації ферментів, а загалом — усіх біосферно значущих екологічних функцій ґрунту (передусім у формуванні екологічних ніш — порового простору). Через це матричну модель ґрунтогенезу слід вважати перспективним об’єктом дослідження молекулярного ґрунтознавства (Sparks Donald L., Л.О. Карпачевський), яке вивчає роль мікропроцесів (взаємодій на рівні молекул та іонів) у формуванні мікровластивостей, які потім виявляються на макрорівні (наприклад, механічна міцність агрегатів залежить від кількості активних центрів на мінеральній матриці, яка є базовою для агрегатоутворення).
Модель ґрунту як екологічної ніші біосфери враховує його мешканців:
- рослини — типові автотрофи-фотопродуценти з ризо- та філосферою, яка забезпечує біоциклічність кругообігу N, O, CO2, H2O тощо;
- мікробні ценози — редуценти (авто- і гетеротрофи) з ферментними системами;
- тваринний світ гетеротрофів — споживачів фотосинтезованої продукції (у тому числі ентомофауна, найчисленніший його загін) без ґрунту існувати не може.
Така модель тісно пов’язана з поняттям біому, яким Ф. Клементс позначив сукупність біоценозів великих територій (зона, область, регіон). Цей термін має неоднозначне смислове наповнення і трактування у різних авторів. Біом, за Ю. Одумом, — це велика регіональна або субконтинентальна екосистема з певним основним типом рослинності, ґрунтогенезу (авт.) або іншою специфічною рисою ландшафту. Основною ознакою, яка об’єктивує розмежування й діагностику біомів, є фізіономічно виражена життєва форма рослин кліматичного (зонального) клімаксу (трава, чагарник, листопадне чи шпилькове дерево тощо), а також його едафічні складові — стадії розвитку рослинності, в яких домінують значущі для ґрунтогенезу інші її життєві форми, а також (що не менш суттєво) тварини. За цими ознаками розрізняють такі наземні біоми:
- тундра (арктична та альпійська);
- бореальні шпилькові ліси;
- листопадний ліс суббореального (помірного) клімату;
- степ злаковий помірної зони;
- тропічний грасленд і савана;
- чапараль (зимоводощові та сухолітні регіони);
- пустеля (трав’яна та чагарникова);
- тропічний напіввічнозелений тропічний ліс (з вологим і сухим сезонами);
- тропічний вічнозелений дощовий ліс.
До них додають прісноводні (озера, ставки, ріки та інші потоки, болота і болотисті ліси та морські екосистеми, в тому числі важливі для ґрунтогенезу води естуаріїв, прибережних бухт, проток, річкових гирл, солоних маршів). Територіальне розташування означених біомних екосистем з притаманними їм структурами ґрунтового покриву чітко корелює із загальнопланетарним розподілом середньорічних температур і суми опадів. У вітчизняній науковій літературі біом синонімізується з природною (фізико-географічною) зоною притаманною їй складною взаємодією клімату, живих організмів ґрунтів. Це біоми тундри, степу, мішаних лісів, середземноморських (склерофільних) лісів, а також складні гірські біомні екосистеми тощо. При цьому, як зауважує М.А. Голубець, вживання терміна «біом» зазвичай супроводиться позначенням ним лише територіальної сукупності живих істот (рослинних і тваринних організмів — біоти) при ігноруванні її (сукупності) біогеохімічної (у тому числі ґрунтогенної), трансформаційної, матеріально-енергетичної, екоінформаційної (авт.) сутності. Цей недолік усувається в екосистемній дефініції біому.
Біом є сукупністю провінційних екосистем — комплектом ландшафтних екосистем у межах фізико-географічної провінції, тобто екологічною системою, просторово адекватною межам провінції, яка територіально збігається з фізико-географічною зоною, залежить від інтенсивності надходження сонячної радіації до земної поверхні (макроклімат) і характеризується певним клімаксовим типом рослинності (деревним, чагарниковим, трав’яним) та сформованим під її впливом ґрунтовим покривом.
За природним статусом біомні екосистеми є ієрархічно найвищими формуваннями біосфери, які мають глобальний прояв своїх ґрунтово-екологічних функцій і такий самий глобальний вплив на функціональну організацію цієї унікальної і неповторної ЕКОСИСТЕМИ з найскладнішою будовою, не потребуючи виділення в їх межах менших структурних блоків, роль яких тут стає неістотною.
Біомна диференціація біогеоценотичного (з ґрунтами) покриву планети та її біосфери однозначно задається відомою сферичною (геоїдною, кардоїдною) формою Землі та її розташуванням щодо Сонця при різному куті надходження сонячних променів до земної поверхні та різною інтенсивністю сонячної радіації на різних географічних широтах. Горизонтальні межі біомних екосистем збігаються з фізико-географічними зонами, їх верхня межа — з межею тропосфери, де формується їх гідротермічний режим, а нижня — проходить по глибоких горизонтах підземних вод. Рівнинна частина України розподілена між трьома біомними екосистемами (мішаних лісів, лісостепової та степової рослинності), а її висотні зони (пояси кліматів, ґрунтів, біоти) не є тотожними широтній зональності, а генетично, еволюційно та просторово пов’язані з тими біомами, в межах яких розташовані Карпатська, Кримська, а поза Україною — Альпійська, Кавказька, Памірська, Гімалайська та інші гірськокраїнні екосистеми. Основною функцією біомних екосистем є збереження зональної специфіки і просторової структури екологічних комплексів відповідно до широтного розподілу енергетичних ресурсів, а також зональної ґрунтовоценотичної біорозманітності, внутрішньобіомного та міжбіомного речовинноенергетично-інформаційного обміну, від якого, власне, й залежать цілісність і стабільність біосфери з її ландшафтами, ґрунтами, БГЦ тощо.
Катенарна модель ґрунту. Розмаїття кліматів, біоти, літогенетичних чинників, рельєфу, віковий диктат, антропогенна корекція зумовлюють неймовірно велику різноманітність ґрунтів на Землі. Географічні закономірності розподілу цього ґрунтовоекологічного (загалом ландшафтно-біокліматичного) розмаїття виявляються горизонтальній і вертикальній зональності ґрунтів. Зміни ж ґрунтів на невеликих територіях пов’язані з впливом на ґрунтовий клімат і рослинність (а отже, і ґрунтотворення) рельєфу і літогенетичним впливом пов’язаних з ним гірських порід. Найбільш типовою комбінацією ґрунтів виявляється катена, компоненти якої, хоч і називаються в різних країнах порізному, є однаковим рядом переходів, зумовлених зміною ступеня дренованості, а відповідно, і гідротермічного режиму (С.О. Захаров, В.А. Ковда, М.А. Глазовська, Д.Г. Тихоненко та ін.). Зауважимо, що метод порівняльного вивчен-ня місцезростань Г.М. Висоцького, який Б.О. Келер назвав методом екологічних рядів, використовується у ґрунтознавстві порівняно недавно саме як метод вивчення катен (Milne G.).
Ґрунтова (початкова) ланка екологічного ланцюга трофності моделюється етапами біогеохімічної міграції хімічних елементів, живильним середовищем для рослин. Для людини ґрунт є базисом існування, з яким пов’язано зародження великих світових цивілізацій — на основі використання родючості — унікальної біосферної функції ґрунту. Екологічно чистий ґрунт є запорукою здоров’я і чистоти в людському суспільстві, яке не має права забруднювати ґрунти, ландшафти, біосферу в цілому. Ґрунтовий покрив, найтонша з геосфер, є транзитною ланкою життєво важливих потоків речовини, енергії та інформації, які пов’язують в єдине біосферне ціле літосферу, гідросферу і соціосферу. Ґрунти накопичили за багато тисячоліть багатющі запаси біоенергії та біогенних елементів, створивши цим репродукційну першооснову біоресурсів планети. Без ґрунту не може стабільно функціонувати біосфера та її зонально-регіональні підсистеми, у тому числі й агроценози. Саме тому спад родючості ґрунту через його забруднення та деградацію в разі неправильного господарювання викликає занепокоєння суспільства і спонукає до пошуку шляхів раціонального, екологічно орієнтованого використання цього головного національного багатства.
У 70-х роках XX ст. після публікації праць В.І. Вернадського, лекцій М.В. Тимофеєва-Ресовського, ініціатив Римського клубу та ЮНЕСКО Обчислювальним центом АН СРСР активно розробляла-ся модель «Гея» з метою вирішення проблем глобального масштабу (у тому числі ґрунтово-екологічних, аграрних, продовольчих, можливих станів біосфери тощо). До того ж моделями є й періодична таблиця хімічних елементів Д.І. Менделєєва і вперше запропонована В.В. Докучаєвим тріада індексів АВС для генетичного профілю ґрунту тощо. Такі моделі не мають тієї суворості, яка притаманна математичним моделям, однак вони наділені навдивовижу яскравою прогностичністю, оскільки мобілізують такі методи пізнання ґрунтово-екологічної реальності, як логіка, асоціації, аналогії тощо.
Система будь-яких моделей, у тому числі й наведених тут, ніколи не досягає завершеності, постійно виявляючи на певному етапі свою недосконалість. Проте саме робота над подібними моделями є одним з найважливіших етапів розвитку будь-якої теорії, яка в такий спосіб здатна «зазирнути за горизонт», попередити про можливість існування екоситуацій, про які ми ще навіть не здогадуємося (спад родючості ґрунту внаслідок його антропогенного забруднення та деградації, загроза голоду тощо), вказати на «фатальну риску» — міру екологічно дозволеного, за межею якого імперативно діє закон екологічного табу. Створюючи вербальні, віртуальні та математичні моделі й опрацьовуючи на них сценарії ноосферного майбуття біосфери з недеградованими ґрунтами та високоврожайними агрофітоценозами, ми не наражаємося при цьому на той ризик, що супроводжує, зокрема, осушувальні, зрошувальні, хімічні та інші невдалі меліорації тощо.
Вивчення закономірностей перетворення абіогенних геологічних порід на родючий ґрунт (тобто його генезис, походження) традицій-но розпочинається з докучаєвського вчення про чинники ґрунтогенезу, взаємодія яких під час ґрунтогенезу формує профіль ґрунту та його властивості, серед яких родючість є найважливішою загально-біосферною, генетичною та агроекологічною сутністю.