На настоящем лугу корневищные злаки сменяются злаками рыхлокустовыми, имеющими более глубокую корневую систему. В этой фазе развития почвы прогрессивно и бурно возрастает ее плодородие. В верхнем дерновом горизонте накапливается много перегноя, а рыхлокустовые злаки и некоторые другие растения интенсивно переносят в верхний горизонт элементы зольной пищи из рухлякового горизонта, в котором они накопились еще под пологом леса. В дерновом горизонте накапливается много перегноя, причем разложение органического вещества идет здесь двумя путями: весной, когда почва обогащена водой и бедна воздухом, преобладает анаэробное разложение, летом с усилением высыхания и аэрации большое значение приобретает аэробный процесс. «Свежий перегной», образовавшийся в результате деятельности анаэробных бактерий, — ульминовая кислота — обладает эффективной способностью склеивать почву в комочки — агрегаты, создавать комковатую почвенную структуру. Структура на лугах отличается очень большой водопрочностью, то-есть не размокает, не превращается при обилии воды в бесструктурную, слитную массу. Это обусловлено значительным накоплением в верхнем горизонте кальция, который придает большую прочность комочкам почвы, склеенным свежим перегноем.

Под влиянием кальция, обладающего положительным зарядом, отрицательно заряженные органические вещества почвы свертываются «необратимо» — в этом и кроется причина высокой прочности почвенной структуры во время протекания луговой стадии дернового периода почвообразования. В связи со всеми этими причинами почва в этой стадии характеризуется «бурным прогрессивным развитием водного и пищевого режима дернового горизонта». В почве все больше накапливается мертвое органическое вещество, которое постепенно забивает все промежутки между структурными комками. Почва делается бесструктурной, ее верхний горизонт становится очень влагоемким, но воду пропускает медленно. Так луговая стадия дернового периода переходит в болотную, резко изменяется и уровень почвенного плодородия. Здесь последовательно сменяют друг друга группировки растений, все менее и менее требовательные к условиям жизни, и в конце концов устанавливается господство сфагновых мхов.

Но так процесс почвообразования идет не на всех материнских породах. Легче и быстрее всего болота образуются на породах кислых — бедных элементами пищи. На породах, более богатых элементами пищи и особенно кальцием, процесс идет по-иному, и луговая почва, минуя болотную стадию, эволюционирует в чернозем. Это — связано с тем, что на таких породах создаются лучшие условия для разложения органического вещества, и оно не накапливается в таком количестве, как в болотах. Наступление черноземной стадии дернового периода вызывает резкое изменение всей физико-географической обстановки. Происходит почти полное уничтожение леса и постепенное обособление элементов степного климата.

«Оно ярче всего выражается, — говорил Вильямс, — в прогрессирующей неравномерности увлажнения — огромная влагоемкость почвы, переполненной органическими веществами, мешает быстрому проникновению в нее осадков, стекающих по поверхности и размывающих ее. Вместе с тем мощный растительный покров луговой степи быстро расходует запас воды, и постепенно обособляется период летней засухи».

Под влиянием этих изменений природной обстановки начинают постепенно вымирать луговые растения и все более усиливается степная флора. Степные травянистые растения, в отличие от луговых, отмирают не осенью, когда в почве много влаги, а летом, с наступлением периода засухи. В это время отмершие остатки растений подвергаются бурному аэробному разложению, в это разрушение вовлекается и ранее накопленное почвой органическое вещество. Комковатая структура мощных и обыкновенных черноземов разрушается, начинается деградация типичных черноземов, превращение их в черноземы южные, а затем и в каштановые почвы, свойственные очень сухим степям. В связи с ухудшением структуры почв делается иным их водный режим: преобладавшие ранее нисходящие токи воды сменяются на восходящие, начинается прогрессивное засоление, приводящее к образованию различных видов засоленных почв. Меняется не только водный режим почвы, но и понижается уровень грунтовых вод. Бурное снеготаяние и плохое впитывание воды почвой вызывает энергичный поверхностный сток воды в течение короткого весеннего периода. «Реки обращаются в балки, обладающие всеми признаками реликтных речных долин… Остаются лишь реки, истоки которых лежат в областях современных ледников или в областях, несущих покров лесов, водораздельных болот и структурных почв».

Изменение климата в пределах каждой природной зоны Вильямс считал возможным объяснить воздействием изменяющегося растительного и почвенного покровов. Но смещение зон, их переход друг в друга во времени он объяснял историко-геологическими причинами — повторяемостью оледенений во всех геологических эпохах, начиная с очень древних.

В своем докладе Вильямс указал, что, помимо движения Земли вокруг своей оси, она совершает еще одно вращательное движение. Вследствие этого движения каждая точка поверхности Земли поочередно пройдет через полярные области холода в направлении с северо-северо-запада к юго-юго-востоку, что «создаст иллюзию наступления и отступления материкового льда в направлении, обратном истинному движению массы Земли». Наступившее оледенение как бы омолаживает территорию, и после ухода ледника на ней начинается новый цикл проявления единого почвообразовательного процесса от тундры до пустыни[40].

Так Вильямс попытался объяснить исключительно важное явление смещения зон в геологической истории Земли. Но Вильямс считал, что и его гипотеза является лишь первым приближением. Он говорил:

«Такая концепция вполне удовлетворительно в первом приближении объясняет и повторяемость этих оледенений, начиная с того времени, когда состояние термических условий земной поверхности могло допустить обособление климатических зон».

Обобщая свой взгляд на характер почвообразования, Вильямс говорил:

«Таким образом сложилось воззрение на почвообразовательный процесс, как на единый, грандиозный по протяженности во времени и пространстве процесс воздействия на материнскую породу биологических элементов суши, в правильной ритмической повторяемости, проходящей по всей территории земной суши от полюса до полюса. Современные почвенные зоны представляют как бы диалектические скачки, в которых с наибольшей отчетливостью выявляются отдельные моменты апогея напряжения какой-либо стадии процесса, которые далее затухают в переходной зоне, в которой одновременно накапливаются мельчайшие количественные изменения, слагающиеся в прогрессивно нарастающий качественный скачок хронологически следующей зоны. Таким образом, ближайшие причины, обусловившие комплекс свойств и морфологических признаков почв каждой зоны, надо искать путем диалектического анализа процессов хронологически предыдущей зоны».

Это было открытием принципиального значения, требовавшим пересмотра прежнего взгляда на особенности каждой почвенной зоны. Отстаивая эти положения, Вильямс боролся с теми почвоведами, которые, называя себя докучаевцами, по существу, пренебрегли заветами Докучаева и изучали свойства почвы не в развитии, а в статическом состоянии.

Раскрытие общих закономерностей почвообразования Вильямс подкреплял данными своих экспериментальных работ по изучению органических веществ почвы.

В почвообразовательном процессе первостепенную роль играют противоречия между двумя группами организмов, из которых одна создает органическое вещество, а другая разрушает его. На фоне взаимодействия этих двух процессов протекает создание почвенного перегноя.

Что такое почвенный перегной? Многие исследователи считали, что гумус — перегной почвы — представляет собой простую совокупность промежуточных продуктов распада органического вещества, созданного зелеными растениями. Эти же ученые, исследуя химический характер почвенных перегнойных веществ, приходили к выводу, что они принадлежат к наиболее молекулярно сложным веществам, более сложным, чем сложнейшие продукты жизнедеятельности зеленых растений.