Выветривание высококислой магматической породы с большим содержанием кварца дает остаточную почву с большим содержанием кварца. Выветривание основной магматической породы без кварца дает глинистую почву без кварца, которая может быть богата железом. Там, где дезинтеграция была значительной, почва содержит обилие исходных силикатов породы и меньше измененных минералов.
Образование почвы из осадочных пород включает те же процессы, что и изменение магматических пород; но, начиная с пород разного состава, результат, конечно, в некоторых отношениях иной. Песчаники при выветривании дают только песчаную почву. Известняки теряют свой карбонат кальция в результате растворения, оставляя в качестве примесей только глину с фрагментами кварца или черта. Фут почвы может представлять собой результат выветривания сотни футов известняка. Сланцы могут выветриваться в продукты, более похожие на те, что образуются при выветривании магматических пород. Силикаты в сланцах разрушаются, образуя глину, которая смешивается с оксидом железа и кварцем.
В некоторых местностях почва может накапливаться до значительной глубины, позволяя процессам выветривания дойти до крайности; в других процессах они могут прерываться эрозией, которая сметает выветрелые продукты на промежуточных стадиях разложения и может оставить очень тонкую и слабо разложившуюся почву.
Почвы, образованные выветриванием, могут оставаться на месте в виде остаточных почв, либо они могут быть перенесены, отсортированы и переотложены, либо на суше, либо под водой. По оценкам Бюро почв Соединенных Штатов [14], более 90 процентов почв Соединенных Штатов, которые были до сих пор нанесены на карту, обязаны своим появлением и распределением транспортировке движущейся водой, воздухом и льдом (ледниками), и менее 10 процентов остались на месте над своей материнской породой. Ледники могут перемещать продукты выветривания или измельчать свежие горные породы в порошок, называемый «каменной мукой», и таким образом формировать почвы, имеющие химический состав, более близкий к составу неизмененных пород. Ледниковые почвы обычно довольно плохо отсортированы, в то время как почвы, перенесенные ветром и водой, скорее всего, демонстрируют высокую степень сортировки.
Характер перенесенной почвы менее тесно связан с материнской породой, чем характер остаточной почвы, поскольку процессы сортировки и смешивания материалов из разных источников вмешиваются, чтобы развить отложения, по природе совершенно отличные от остаточных почв; но даже перенесенную почву иногда можно проследить до известного материнского происхождения.
При отложении под водой почвенные материалы могут быть подняты над водой в результате физико-географических изменений и обнажены на поверхности в состоянии, пригодном для немедленного использования. Либо они могут быть погребены другими отложениями и не обнажаться снова до тех пор, пока не будут довольно хорошо затвердевшими и сцементированными, — в этом случае они должны снова пройти процессы размягчения при выветривании, прежде чем станут пригодными для использования. Там, где почвы погребаются под другими породами и затвердевают, они классифицируются как осадочные породы и составляют часть геологической летописи. Многие остаточные и перенесенные почвы можно распознать в геологической колонке; фактически, большое количество осадочных пород, с которыми обычно имеют дело в стратиграфической геологии, на самом деле являются перенесенными почвами.
Развитие почв в результате выветривания не следует рассматривать как особый процесс изменения горных пород, не связанный с процессами, производящими другие минеральные продукты. Точно те же процессы, которые производят почвы, могут давать важные месторождения железной руды, бокситов и глины, а также вызывать вторичное обогащение многих месторождений металлических минералов. Например, выветривание сиенитовой породы, не содержащей кварца, при определенных условиях, как в Арканзасе, приводит к образованию крупных месторождений бокситов, которые являются истинными почвами и полезны в качестве таковых, — но которые оказываются более ценными из-за содержания в них боксита. Выветривание основной магматической породы, как на Кубе, может привести к образованию важных остаточных месторождений железной руды, которые также используются в качестве почв. Выветривание железистого известняка может привести к образованию остаточных железных и марганцевых руд в глинистых почвах.
Состав почв и рост растений
Минеральные ингредиенты в почвах, необходимые для роста растений, включают воду, поташ, известь, магнезию, нитраты, серу и фосфорную кислоту — все они по количеству уступают обычным продуктам выветривания (стр. 20-22, 23-24). Из этих компонентов магнезия почти всегда присутствует в достаточном количестве; в то время как поташ, нитраты, известь, сера и фосфорная кислота, хотя часто достаточно обильны в целинной почве, при извлечении из почв в результате роста растений подвержены истощению при обычных методах возделывания и могут нуждаться в пополнении удобрениями (глава VII). Некоторые почвы могут быть чрезмерно богаты кремнеземом, железом или другими компонентами, так что оставшиеся компоненты присутствуют в слишком малых количествах для успешного роста растений.
Даже там, где почвы изначально имеют достаточно всех необходимых химических элементов, одна почва может поддерживать рост растений, а другая — нет, по той причине, что необходимые компоненты растворимы и, следовательно, доступны для корней растений в одном случае и нерастворимы в другом. Очевидно, что минеральные комбинации, в которых встречаются различные элементы, являются важными факторами, делающими их доступными для использования растениями. Аналогичным образом, почва определенного химического и минералогического состава может быть плодородной при одном наборе климатических условий, а почва аналогичного состава может быть бесплодной в другой местности — что указывает на то, что доступность компонентов также определяется климатическими и другими условиями выветривания. Даже при одинаковом химическом составе и одинаковых климатических условиях могут существовать такие различия в текстуре между различными почвами, что они будут сильно различаться по урожайности.
Единицей классификации почв является «тип почвы», который представляет собой почву, обладающую сельскохозяйственным единством, определяемым текстурой, химическим характером, топографией и климатом. Обычно называемые типы: глина, глинистый суглинок, иловатый суглинок, суглинок, мелкопесчаный суглинок, песчаный суглинок, мелкий песок и песок. В целом почвенные материалы настолько неоднородны и настолько далеки от специфического происхождения из горных пород, что в такой классификации геологический фактор происхождения не принимается во внимание. В более широком смысле почвы могут быть классифицированы по провинциям на основе географии, сходных физико-географических условий и сходства материнских пород; например, почвы провинции плато Пидмонт, засушливого юго-западного региона, ледниковой и лёссовой провинции и т. д. В такой классификации геологические факторы более важны. Почвы внутри провинции могут быть подразделены на «почвенные серии» на основе общих типов подпочв, рельефа, дренажа и происхождения.
Использование геологии в изучении почв
Хотя желательность конкретных почв в широком смысле связана с характером материнских пород, и хотя благодаря геологическим знаниям можно заранее предсказать, что некоторые территории более благоприятны, чем другие, для развития хороших почв, в вопрос вмешивается так много других факторов, что геологический фактор может быть второстепенным. Почвовед находит знания геологии полезными в качестве основы для широкого изучения своего предмета; но при исследовании его тонкостей он уделяет внимание главным образом другим факторам, таким как доступность обычных компонентов для использования растениями, наличие и доступность мельчайших количеств материалов, обычно не рассматриваемых геологом как важные, климатические условия и текстура. Поскольку многие геологические факторы сравнительно просты, большая часть экспертной работы по почвам требует лишь элементарных и эмпирических знаний геологии. Геолог, хотя он может полностью понимать происхождение почв и может указывать на некоторые широкие особенности, должен приобрести обширную технику, не тесно связанную с геологией, прежде чем станет эффективным в работе по почвенному картированию и диагностике.
По этим причинам картирование и классификация почв, хотя часто и начинались геологами государственных или федеральных служб, в своем техническом развитии и применении теперь перешли в значительной степени в руки почвоведов в специальных почвенных службах, аффилированных с Министерством сельского хозяйства США и сельскохозяйственными колледжами.
СНОСКИ:
[13] Хорошее резюме по этой теме можно найти в книге «Инженерная геология» Г. Риса и Т. Л. Уотсона, издательство Wiley and Sons, 2-е изд., 1915 г.
[14] Марбат, Кертис Ф., Почвы Соединенных Штатов: Бюл. 96, Бюро почв, 1913 г., стр. 10.
ГЛАВА VII
ГРУППА МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ
ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ
Почвы — это выветрелая горная порода, более или менее смешанная с органическим материалом. Процессы выветривания, формирующие почвы, находятся в области геологических исследований, но изучение почв в связи с сельским хозяйством требует внимания к текстуре и к нескольким их очень второстепенным компонентам, которые имеют мало геологического значения. Поэтому изучение почв стало узкоспециализированным и техническим предметом, для которого необходим геологический фон, но который обычно выходит за рамки компетенции геолога. Однако для восполнения веществ, дефицитных в почвах, требуется добыча, разработка карьеров или извлечение важных минеральных ресурсов, и в этой части почвенной проблемы геолог особенно заинтересован.
Почвы могут изначально испытывать дефицит нитратов, фосфатов или поташа; или постоянное возделывание почв может извлекать эти материалы быстрее, чем их поставляют естественные природные процессы. В некоторых почвах достаточно фосфатов и поташа, чтобы удовлетворять все потребности растений бесконечно; но процессы выветривания и изменения, благодаря которым эти материалы становятся растворимыми и доступными для жизни растений, в большинстве случаев не успевают за истощением, вызванным возделыванием. Тонна пшеницы извлекает из почвы в среднем 47 фунтов азота, 18 фунтов фосфорной кислоты, 12 фунтов поташа. На старых почвах в Европе было признано необходимым использовать в среднем 200 фунтов смешанных минеральных удобрений ежегодно на акр. На более новых почвах Соединенных Штатов средний показатель, использованный до сих пор, составлял менее одной седьмой от этого количества. Таким образом, Соединенные Штаты до сих пор расходовали исходные материалы, накопленные в почве природой, но их было недостаточно, чтобы получить что-то похожее на урожайность с акра более высокоудобренных почв Европы.
В дополнение к нитратам, фосфатам и калийным солям, в связи с почвами используются значительные количества извести и серной кислоты, а также некоторое количество гипса. Известь получается из дробленого известняка (стр. 82-83) и используется главным образом для нейтрализации кислотности или «закисления» почвы; поэтому она лишь косвенно связана с удобрениями. Серная кислота используется для обработки фосфоритов, чтобы сделать их более растворимыми и доступными для жизни растений. Это требует добычи пирита и серы. Гипс под названием «земельный гипс» применяется к почвам, испытывающим дефицит серы, необходимой для жизни растений; увеличение его использования в будущем представляется вероятным. Существуют также значительные количества инертных минеральных веществ, которые используются в качестве наполнителей в удобрениях для придания объема продукту, но не имеют сельскохозяйственной ценности. Пропорции веществ удобрений, используемых в Соединенных Штатах, грубо суммированы на рисунке 4.
Соединенные Штаты обладают обильными запасами двух основных минеральных веществ, входящих в состав коммерческих удобрений, — фосфоритов и серосодержащих материалов, необходимых для их обработки. В отношении поташа Соединенные Штаты зависят от Европы, если только отечественная промышленность не будет очень сильно поощряться протекционистскими тарифами. В отношении минеральных нитратов Соединенные Штаты зависели от Чили, и из-за дешевизны поставок, несомненно, будут продолжать активно использовать этот источник. Однако из-за развития внутри страны заводов по фиксации азота из воздуха, извлечения азота из угля в побочных процессах и использования азотсодержащих растений, Соединенным Штатам, вероятно, потребуется все меньше минеральных нитратов из Чили.
Индустрия удобрений в Соединенных Штатах все еще находится в зачаточном состоянии и, вероятно, будет иметь большой рост. Более того, многое еще предстоит узнать о смешивании удобрений, а также о количествах и видах используемых материалов. Важность серы как питательного вещества для растений была осознана сравнительно недавно. Использование удобрений в Соединенных Штатах пришло частично через образование и деятельность сельскохозяйственных школ, а частично через рекламу компаний-производителей удобрений. Увеличение использования поташа было в значительной степени обусловлено пропагандой немецких торговых агентов. Изучение карты, показывающей распределение использования удобрений по стране, очень четко указывает на беспорядочное распределение эффектов этой различной деятельности. Одна местность может использовать большие количества, в то время как соседняя территория с аналогичными физическими условиями использует мало. Внезапное прекращение поставок удобрений на период трех или четырех лет во время войны имело очень пагубные последствия в некоторых местностях, но не было столь катастрофическим, как ожидалось, в других, — подчеркивая тот факт, что использование удобрений было частично случайным и не было точно приспособлено к конкретным потребностям.
Рис. 4. СИТУАЦИЯ С УДОБРЕНИЯМИ В СОЕДИНЕННЫХ ШТАТАХ. СМИТСОНОВСКИЙ ИНСТИТУТ — НАЦИОНАЛЬНЫЙ МУЗЕЙ СОЕДИНЕННЫХ ШТАТОВ
НИТРАТЫ
Экономические особенности
Существует несколько источников азота для целей удобрения: минеральные нитраты, азот, извлекаемый из воздуха определенными растениями с помощью бактерий и запахиваемый в почву, азот, извлекаемый непосредственно из воздуха путем объединения атомов азота и кислорода в электрической дуге или путем объединения азота и водорода для образования аммиака, азот, извлекаемый из воздуха для создания соединения кальция, углерода и азота (цианамид), азот, сохраняемый из угля в форме аммиака как побочный продукт производства кокса, и азот из различных органических отходов. Азот в форме аммиака также является одним из потенциальных продуктов нефтеносных сланцев (стр. 150). Хотя основное использование азотистых материалов — в качестве удобрений, дополнительные важные количества используются в аммиаке для холодильных установок и в форме азотной кислоты в большом количестве химических производств. Во время войны использование нитратов было в значительной степени перенаправлено на производство взрывчатых веществ. Геолог интересуется главным образом минеральными нитратами как минеральным ресурсом, но другие источники азота, особенно его извлечение из угля, также затрагивают его область.
Почти единственным источником минеральных нитратов для мира в настоящее время является Чили, где имеются месторождения нитрата натрия или чилийской селитры, содержащие незначительные количества нитрата калия. Около двух третей чилийского материала обычно идет в Европу и около одной четверти — в Соединенные Штаты. Поставки коммерчески контролировались главным образом Великобританией и чилийскими компаниями, поддерживаемыми британским и немецким капиталом.
Зависимость мира от Чили стала болезненно очевидной во время войны. Германия была единственной нацией, которая в значительной степени развила другие источники азотистых материалов. Другие нации в очень большой степени зависели от минеральных нитратов как для удобрений, так и для целей производства боеприпасов. Общие потребности намного превышали общий объем производства из Чили, что требовало международного соглашения о распределении продукции между нациями. Поток из нескольких сотен судов, перевозящих нитраты из Чили, был одной из жизненно важных военных артерий. Эта ситуация привела к напряженным усилиям в воюющих странах по развитию других источников азота. Соединенные Штаты, по правительственным ассигнованиям, начали строительство обширных заводов по фиксации азота из воздуха, и строительство коксовых печей с улавливанием побочных продуктов вместо старых расточительных печей ульевого типа было ускорено. Германия до войны уже далеко продвинулась в обоих этих направлениях, не только в своих границах, но и в строительстве заводов по фиксации в Скандинавии и Швейцарии. Военные условия потребовали дальнейшего развития этих процессов в Германии, в результате чего эта страна вскоре стала полностью самодостаточной в этом отношении. Одним из эффектов стало почти полное исключение в Германии всего, кроме процесса коксования угля с улавливанием побочных продуктов.
Военное развитие азотной промышленности в Соединенных Штатах для целей производства боеприпасов довело внутреннее производство почти до довоенных потребностей только для удобрений. С растущим спросом на удобрения и дешевизной чилийских поставок натуральных нитратов, вероятно, что Соединенные Штаты будут продолжать в течение многих лет импортировать значительные количества чилийских нитратов. Можно отметить, что, хотя эта страна обычно потребляет около одной четверти чилийского продукта, американские интересы коммерчески контролируют менее одной двадцатой части выпуска. По-видимому, если не для других целей, то хотя бы для будущей защиты, будут предприняты усилия по развитию отечественной промышленности до такой степени, чтобы в кризисной ситуации Соединенные Штаты могли быть независимы от Чили. В частности, можно ожидать увеличения выпуска аммиака как побочного продукта коксохимического производства (см. также стр. 118-119), поскольку азотистый материал, произведенный таким образом, не должен нести фиксированную часть производственных затрат и не требует протекционистских тарифов.