Химия почв (Орлов Д.С.) - часть 1

Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Агрохимия и почвоведение»

В учебнике последовательно излагаются вопросы истории химии почв, ее использования в практике сельского хозяйства, химические свойства и состав главнейших типов почв, ведущие химические процессы и химические равновесия в почвах, фундаментальные законы ионообменной способности почв, формирования кислотности и щелочности, окислительно-восстановительных режимов. Изложены основы строения и формирования специфических гумусовых веществ и глинистых минералов. Рассматриваются прикладные проблемы химической мелиорации почв и охраны почв от техногенных нагрузок.

ОТ АВТОРА

Химия почвы является разделом почвоведения, изучающим химические основы почвообразования и плодородия почв. Химические свойства почв и показатели химического состояния почв используются почвоведами всех направлений, независимо от их узкой специализации, для решений вопросов генезиса, классификации почв, бонитировки почв, при разработке мелиоративных мероприятий и рекомендаций по химизации земледелия. В последние годы исключительно актуальной стала новая задача — разработка теоретических основ и методов охраны почв от химического загрязнения. Решение практически всех задач химии почв основывается на использовании законов почвоведения, современной теоретической химии и инструментальных экспрессных методов химического исследования и анализа почв.

В'современной химии почв можно выделить четыре главных направления: учение о почвенной массе, химия почвообразовательных процессов, химические основы плодородия и аналитическая химия почв. Все эти направления освещены в настоящем учебнике, хотя из-за ограниченного объема многие положения обсуждаются только на отдельных примерах.

В двух первых главах дан краткий очерк истории химии почвы и рассмотрены фундаментальные понятия об элементном и фазовом составах почвы. В последующих главах обсуждаются роль и функции отдельных элементов и их соединений в формировании свойств почв и их генезисе. Химические элементы рассматриваются последовательно в соответствии с их положением в периодической системе Д. И. Менделеева. Специфические свойства почв, такие как ионообменная способность, почвенная кислотность, окислительно-восстановительный потенциал, гумусное состояние и др., обсуждаются после той группы химических элементов, которая играет наиболее важную роль в проявлении данного свойства. Такое расположение материала позволяет более четко выявить функции элементов каждой группы и связать их с общими химическими свойствами элементов.

Следует обратить внимание, что формы соединений химических элементов и химическая характеристика почв даются преимущественно на примере почв бореальных, суббореальных и некоторых субтропических поясов; почвы полярных и тропических поясов почти не затрагиваются, хотя общие закономерности химии почв могут быть распространены и на эти почвы.

В основу учебника положен курс лекций, который автор читает много лет на факультете почвоведения Московского университета. Настоящий учебник может быть также использован как учебное пособие

для студентов ряда специальностей географических и биологических факультетов университетов, почвенно-агрохимических факультетов сельскохозяйственных вузов, а также для аспирантов и слушателей ФПК.

Автор глубоко благодарит за ценные советы и замечания при подготовке рукописи профессора С. В Зонна, профессора А. Д. Фокина, профессора В. И. Савича, профессора Т. А. Соколову, доцента JT. А. Воробьеву. Автор выражает благодарность сотрудникам кафедры химии почв факультета почвоведения МГУ, оказавшим неоценимую помощь при подготовке рукописи к печати: Я. М. Аммосовой, О. Н. Бирюковой,, Г. И. Глебовой, Е. И. Горшковой, М. И. Зарубовой, Е. Ю. Милановско-му, Г. В. Мотузовой, Н. Н. Осиповой, Н. И. Сухановой, а также студентам М. Вечерской и С. Орлову.

ГЛАВА 1
КРАТКИЙ ОЧЕРК ИСТОРИИ И ЗАДАЧИ ХИМИИ ПОЧВ

Знакомство с историей науки позволяет понять диалектику ее развития, оценить причины успехов и неудач, выявить движущие силы, ее связь с развитием общества в целом. Изучение прошлого необходимо для понимания настоящего; как отмечал В. И. Вернадский, именно в старом таятся и подготавливаются элементы нового, часто проявляющиеся сразу и внезапно. Ближайшую и дальние перспективы развития науки легче увидеть и, следовательно, легче ее правильно планировать, когда известны закономерности, определявшие движение науки в прошлом; сколько ошибок и ненужных повторений можно было бы избежать на той же основе.

Полная история химии почв еще не написана, и ниже освещены только главные этапы ее развития.

Развитие химии почв, как и многих наук, началось в глубоком прошлом. Первый этап — по сути предыстория химии почв — заключался в накоплении коллективного опыта, знаний об особенностях почв, их свойствах по мере развития сельскохозяйственного производства. Среди большого набора свойств почв, которые еще земледельцы древности различали и учитывали, отчетливо прослеживаются и те, которые в настоящее время мы называем химическими свойствами. В практике земледелия применялись и химические средства улучшения почв. Ведущий почвовед-историограф И. А. Крупеников приводит данные о том, что еще в начале II тыс. до н. э. в Ассирии, Вавилоне, Шумере применялись способы борьбы с вторичным засолением почв. Примерно в тот же период народы Центральной Америки использовали мергель, снижавший кислотность почвы. Засоленные почвы были хорошо известны земледельцам и философам античного Рима. П. Вергилий (70— 19 гг. до н. э.) в знаменитой поэме о земледелии, садоводстве, скотоводстве и пчеловодстве «Георгики» писал: «Почва соленая есть, она называется «горькой». Нехороша для хлебов (она не смягчается вспашкой)», и даже описал способ определения солености почвы по вкусу водной вытяжки (цит. по Крупеникову, 1981). Древнегреческий ботаник Феофраст (примерно 372—287 гг. до н. э.) наряду с глинистыми, песчаными и т. п. выделяет также соленые почвы.

Хорошо известна была и способность почв поглощать и удерживать различные химические вещества, получившая впоследствии название поглотительной способности почв. Об опреснении морской воды после ее соприкосновения с почвой писал древнегреческий философ Аристотель (384—322 гг. до н. э.), а позже очень образно охарактеризовал

это явление в поэме «О природе вещей» римский философ-материалист Тит Лукреций Кар (99—55 гг. до н. э.):

«Влага морская становится сладкой и пресной по вкусу Там, где сквозь толщу земли проникает она в водоемы,

Там под землей свои горькие части вода оставляет,

Так как последним легко зацепиться в неровности почвы».

Конечно, это описание выглядит сейчас несколько наивным, но если мысль Тита Лукреция Кара выразить современными терминами, то окажется, что она неплохо выражает существующие представления о механизме ионного обмена. Ионообменная способность почв реально использовалась жителями северо-западной Африки для опреснения морской воды.

В земледельческой практике издавна различали кислые почвы и умели улучшать их качество. Мел, мергель и карбонатную глину в Англии использовали в качестве удобрений более 2000 лет назад, а первые документальные упоминания об известковании почв на Британских островах встречаются в «Естественной истории» римского писателя и натуралиста Плиния Старшего (24—79 гг.). Он описал шесть типов мергеля, использование которых должно соответствовать особенностям почвы. Песчаный мергель он рекомендует для влажных почв, «жирный» мергель — для сухих и упоминает о необходимости одновременного внесения навоза. Сохранились старые законы и арендные договоры XII—XIII вв., которые регламентируют условия добывания и применения мергеля в сельском хозяйстве Англии. Известкованию придавали значение и в других странах. Эдикт императора Италии Карла Лысого (824 г.) запрещал крестьянам отказываться возить мергель на поля (Крупенников, 1981).

В XV—-XVI вв. начинают формироваться более определенные представления о химических свойствах почв, появляется сельскохозяйственная литература, в которой делаются попытки систематизации накопленных знаний и приводятся сведения о первых экспериментах по изучению химических свойств почв. В 1580 г. во Франции вышла книга Б. Палисси «Как находить и распознавать землю, называемую мергелем», в которой не только описаны разные типы мергелей и их месторождения, но приведены инструкции по разведке месторождений, добыче мергеля и внесения на поля. Заметный вклад в изучение почвы внес английский философ-материалист и государственный деятель Ф. Бэкон (1561—1626), которого К- Маркс назвал родоначальником английского материализма и всей опытной науки новейшего времени. Опираясь на народный опыт, Ф. Бэкон поставил специальные опыты и добился опреснения морской воды, пропустив ее через 20 сосудов с почвой. Как отмечает И. А. Крупенников, это было первое экспериментальное исследование поглотительной способности почв.

Развитие химии почв в XVIII—XIX вв.

Начало систематических исследований химических свойств почвы и составляющих ее веществ относится к XVIII в. Многие исследования конца XVIII — начала XIX в. оказали решающее влияние на ход дальнейшего развития науки. Главное значение имели исследования трех важнейших проблем: 1) почвенного гумуса; 2) поглотительной способности почв; 3) теории минерального питания растений.

В числе важнейших следует назвать работу Ф. Ахарда (1786), который действием раствора щелочи на почву и на торф получил темно-

бурый раствор. Прибавление к щелочному экстракту серной кислоты вызвало выпадение темного, почти черного, осадка. Это вещество позже получило название гуминовой кислоты, а способ ее выделения, использованный Ахардом, с некоторыми модификациями сохранился до наших дней. Десятью годами позже Л. Вокелен выделил аналогичное вещество из ствола старого вяза, из щелочного экстракта камеди, выделенной старым вязом. Т. Томсон в 1807 г. назвал это вещество ульмином (от ulmus — вяз).

Постановка экспериментальных работ по выделению и анализу специфических темноокрашенных органических веществ из почвы в той или иной мере была связана с гумусовой теорией питания растений, которую очень четко сформулировал шведский ученый И. Валлериус в книге «Основы сельскохозяйственной химии» (1761). Он считал, что главным питательным веществом для растений является гумус, тогда как прочие составные части почвы только создают благоприятные условия для поглощения гумуса растениями. Эту теорию сформулировал и широко пропагандировал профессор Берлинского университета А. Тэер (1752—1828), но после исследований Ж- Б. Буссенго во Франции и Ю. Либиха в Германии возможность прямого усвоения растениями сложных органических веществ почвы была практически отвергнута агрохимиками, хотя в середине XX в. эта проблема вновь приобретает дискуссионный характер. Исследования 60—70-х гг. XX в. с применением гумусовых веществ, меченых 14С, подтвердили возможность поступления высокомолекулярных гумусовых кислот в растения через корневые системы, хотя размеры такого поступления и его реальная роль в естественных или агробиоценозах остаются невыясненными.

Исследования Ахарда и его современников имели не только агрономическое, но и самостоятельное почвенно-химическое значение. Уже с начала XIX в. появляется целая серия экспериментальных исследований своеобразных, не известных в то время, органических соединений — гумусовых кислот, которые извлекали из почв или природных вод.

Подробные исследования состава, растворимости, взаимодействия гумусовых кислот с солями и аммиаком были выполнены И. Дёберей-нером (1822), К. Шпренгелем (1826), И. Я. Берцелиусом (1833), а в период с 1840 до 1860 г. — Г. Мульдером и русским исследователем Р. Германом. Одновременно делаются попытки получения искусственных гуминовых кислот (Булле, Малагути и др.).

Следует подчеркнуть, что в XVIII и XIX вв. вопросы сельскохозяйственной химии, и химии почв в частности, находились в центре внимания многих великих химиков. В их числе был И. Я- Берцелиус, детально исследовавший свойства гумусовых кислот.

Йенс Якоб Берцелиус (1779—1848), великий шведский ученый, был одним из лучших химиков своего времени. Он был членом многих академий, в том числе иностранным членом Петербургской Академии наук. Берцелиус создал электрохимическую теорию химических соединений, с высокой точностью определил атомные веса около 50 элементов, подтвердил закон постоянных и кратных отношений, создал таблицу атомных масс, открыл ряд новых элементов, разработал новые методы анализа и оборудование для химических работ (промывалка, химические стаканы и др.). Им была создана номенклатура, предложены символы химических элементов и способы начертания химических формул, используемые с небольшими изменениями и до настоящего времени. Для химии почв наибольший интерес представляют его исследования минералов. Берцелиус впервые ввел термин «силикаты» для кремнийсодержащих минералов и установил, что соотношение окислов металлов и

кремния в силикатах различное и составляет 1:1, 1:2 и 1:3. Это позволило разделить силикаты на три большие группы. Разработанный им способ выражения состава минералов по числу входящих в них окислов не утратил своего значения и теперь. Второе важнейшее для почвоведения направление в работах Берцелиуса — изучение гумусовых кислот. Из природных вод он выделил два новых вещества и предложил для них названия «креновая» и «апокреновая» кислоты, а из разлагающейся древесины выделил гуминовую кислоту. В «Учебнике химии» (1839) Берцелиус отводит большой раздел химии гумусовых веществ. Он рассматривает процессы превращения растительных остатков в перегной, описывает свойства выделенных им гумусовых кислот и их соединений с калием, натрием, аммонием, барием, кальцием, магнием, глиноземом, марганцем, железом, свинцом, медью, ртутью, серебром. В современных учебниках химии важнейшему классу природных органических соединений — гумусовым кислотам —не уделяется, к сожалению, практически никакого внимания.

Второй важнейший этап в развитии экспериментальной химии почв связан с изучением явления катионообменной способности почв. Английский фермер Г. С. Томпсон установил, что если промывать колонку с почвой, к которой предварительно добавлен (NH*)S04, водой, то в вытекающем из колонки растворе появляется CaS04. Результаты опытов были опубликованы в 1850 г. Одновременно Томпсон сообщил о своих опытах химику Королевского сельскохозяйственного общества Дж. Т. Уэю, который немедленно развернул экспериментальные исследования и в 1850 и 1852 гг. опубликовал полученные результаты. Уэй сделал следующие важнейшие выводы.

1. Катионы Na+, К+, NH4+, добавленные к почве в виде солей сильных кислот, поглощаются почвой, и вместо них в растворе появляются эквивалентные количества кальциевых солей, т. е. происходит реакция, описываемая уравнением:

2. Катионы в виде гидроксидов или карбонатов поглощаются почвой полностью без вытеснения из почвы кальция или анионов.

3. Кальциевые соли сильных кислот (нитраты, хлориды и сульфаты) почвой не поглощаются.

4. Поглощение катионов осуществляется глинистыми частицами почвы, тогда как песок и органическое вещество не играют существенной роли.

5. Нагревание почвы или обработка ее кислотой нарушают способность почвы поглощать катионы.

6. Поглощение происходит очень быстро, практически мгновенно.

7. Увеличение концентрации добавленной соли повышает количество поглощенных почвой катионов.

8. Поглощение катионов происходит необратимо.

9. Почвы способны поглощать фосфаты.

Далеко не все выводы Уэя были впоследствии подтверждены; явно ошибочным было заключение о роли органического вещества, о неспособности почвы поглощать кальций. В реакциях обмена, очевидно, участвовали ионы водорода, что могло создать впечатление о полном поглощении карбонатов и гидроксидов без сопутствующей обменной реакции. Несмотря на это, основные положения остаются справедливыми и в наши дни, а выполненные Томпсоном и Уэем эксперименты послужили отправной точкой для развития нового научного направления, которое в настоящее время представлено не только учением о поглоти-

тельной способности почвы, но и широким применением в различных отраслях науки и производства методов и технологических процессов с применением ионообменников. Значение работ Уэя для последующего развития науки оказалось столь большим, что профессор университета штата Кентукки (США) Г. Томас назвал его «отцом химии почв».

Открытие ионного обмена в почвах не сразу и далеко не полностью было оценено современниками. Даже такой опытный и эрудированный химик, как Ю. Либих, отказался признать эксперименты правильными, а затем потребовалось около 30 лет для того, чтобы сделать новый шаг в изучении закономерностей обмена. Только в период 1877—1888 гг. Ван Бем мелен показал, что и другие катионы, кроме Са2+, могут быть вытеснены из почв растворами солей.

Якоб-Мартен ван Беммелен (1830—1911) — знаменитый голландский химик, один из основателей учения об адсорбции. Он провел обширные исследования химии природных тел, изучал почвы и природные воды. Особое значение в формировании поглотительной способности почв Беммелен придавал физическому состоянию почвенного мелкозема, опираясь на свойства коллоидных систем вообще. В почвах, по его мнению, содержатся коллоидные аморфные вещества, которые дают соединения переменного состава, не подчиняющиеся стехиометрическим законам. Такого рода соединения он назвал «адсорбционными соединениями». В качестве конкретных носителей поглотительной способности почв Беммелен указывал на цеолитоподобные силикаты, коллоидную кремнекислоту, гидроокиси железа, гумус, остатки организмов.

К началу XIX в. относится и развитие представлений о кислотноосновных свойствах почв. В 1813 г. вышла книга крупнейшего английского химика Гемфри Дэви (1778—1829), впоследствии президента Лондонского Королевского общества, «Основы сельскохозяйственной химии». В этой книге подчеркивалась особая роль извести, которая, по Дэви, растворяет твердый растительный материал и тем самым улучшает условия питания растений и способствует созданию хорошей структуры почвы. Он предложил метод определения карбоната кальция в почве путем обработки почвы кислотой и последующего определения в кислотной вытяжке кальция (методом осаждения) или по объему выделившейся двуокиси углерода. Американский исследователь Э. Руффин попытался применить метод Дэви к американским почвам и в результате специальных опытов пришел к выводу, что задача известкования заключается в нейтрализации почвенной кислотности. Книга Руффина «Этюды об известковых удобрениях» вышла в 1832 г., но только к началу XX в. были продолжены исследования почвенной кислотности.

Развитие третьего направления в химии почв — теории минерального питания растений — связано с именем Ю. Либиха. Юстус фон Либих (1803—1873) сыграл очень большую роль в развитии теоретической и экспериментальной химии почв. Интересы Либиха были весьма разносторонними; его часто относят к специалистам в области органической химии, и считается, что его вклад в развитие органической химии сравним лишь со значением работ Берцелиуса в неорганической химии. Вместе с тем трудно переоценить значение его работ для развития физиологической химии, биохимии и агрохимии. Либих провел многочисленные анализы растений и опыты по влиянию калийных и фосфатных солей на развитие культурных растений на песчаной почве. В книге «Органическая химия в приложении к земледелию и физиологии» 1840 он показал, что растения нуждаются не только в углероде, кислороде, водороде и азоте, но также в фосфоре, калии, кальции, сере,

магнии, железе и даже кремнии. Изучая вопросы агрохимии, Либих не ограничился только решением теоретических вопросов, но на основе расплавов карбоната калия и натрия приготовил искусственное удобрение. Первые фабричные удобрения, правда, оказались не эффективными. Было бы неверно, однако, сводить значение трудов Либиха в области агрономической химии только к проблеме минерального питания растений и внесения удобрений. Работы Либиха повлияли на последующее развитие проблем доступности элементов минерального питания растениям, их подвижности в почвах и, как следствие, проблемы химических равновесий минеральных компонентов в системе почва — почвенный раствор.

Работы по химии почв в России в XVIII—XIX вв.

В России уже к XV в. был накоплен большой народный опыт в оценке свойств почв, и в материалах XV—XVII вв. можно найти немало рекомендаций по органическим удобрениям; упоминаются такие почвы, как солончаки, соленые озера. Стоит сказать и о том, что в Древней Руси накопленные в области земледелия знания систематизировались и фиксировались. Известен, в частности, сельскохозяйственный календарь IV в. — глиняный кувшин, на поверхности которого пиктографическим способом нанесены основные этапы сельскохозяйственных работ и благоприятные для них погодные условия.

Быстрым развитием знаний о свойствах почв характеризуется Россия XVIII в., когда издаются сочинения М. И. Афонина, И. И. Комова, А. Т. Болотова, В. Н. Татищева, А. Н. Радищева и др. Особенная роль в изучении почв принадлежит, как известно, М. В. Ломоносову (1711— 1765), который ввел в научную литературу термин «чернозем», используя его не только для обозначения определенных почв, но и как синоним термина «перегной». М. В. Ломоносов дал объяснение образованию перегноя и обрисовал условия его накопления; наряду с органическим веществом почв он уделял внимание соленонакоплению в почвах и влиянию солей на плодородие. В 1755 г. был открыт Московский университет, созданный по замыслу и плану М. В. Ломоносова; видимо, не случайно начало почвенно-агрономических исследований в Московском университете датируется уже 1770 г. когда был организован первый курс «сельскохозяйственного домоводства», который читал профессор М. И. Афонин (1739—1810). М. И. Афонин немало внимания уделял химическим свойствам почв; он высказал представления о происхождении гумуса из остатков «трав и растений» под влиянием воды, атмосферного воздуха и населяющих почву живых организмов. Классифицируя «черноземы», он выделяет почвы с повышенной кислотностью и указывает, что зола сожженного торфа может служить хорошим удобрением.

В начале XIX в., практически одновременно с западноевропейскими исследователями, а зачастую и опережая их, в России развиваются взгляды на гумусовое и минеральное питание растений, начинаются экспериментальные работы по химии почв. В 1825 г. профессор Московского университета М. Г. Павлов (1793—1840) издает книгу «Земледельческая химия», а в 1837 г. выходит его «Курс сельского хозяйства».

Первые глубокие исследования химии гумуса принадлежат, видимо, московскому химику Р. Герману, который сделал значительный шаг вперед по сравнению со своими предшественниками и современниками Берцелиусом, Мульдером и др. Он внес важные усовершенствования в методику химического исследования почв, в частности заменил высушивание гумусовых веществ при 195° С, что вызывало их деструкцию, на

сушку при 100° С; для характеристики гумуса черноземных почв он использовал водную вытяжку («чернозем был настоен с перегнанной водой и потом пропущен через цедилку») и вытяжку раствором углекислого натрия; кроме того, он определял содержание углерода в нераство-рившемся остатке почвы. Эти приемы близки к современным методам изучения качественного состава гумуса. В числе теоретических выводов Германа следует отметить установление многообразия видов гумусовых веществ, что отвечает современным представлениям о групповом составе гумуса, и довольно стройную классификацию гумифицированных органических веществ, которая включала три обширных класса соединений: продукты гниения, продукты процесса углеобразования и продукты воздействия вулканического пепла на растительные остатки. Продукты гниения были подразделены на ряд групп, различающихся по растворимости в щелочах, минеральных кислотах и уксусной кислоте. Р. Герману принадлежит также идея о конституционной роли азота в гумусовых веществах, причем если Мульдер считал, что азот входит в состав гумусовых веществ только в аммонийной форме (т. е. образуется гуминовокислый аммоний), то, по Герману, азот замещает кислород, образуя, следовательно, ковалентные связи. Особенность исследований Германа состояла еще и в практической направленности; он выяснил причины снижения плодородия длительно распахиваемых почв и установил, что содержание перегноя в пахотных черноземах по сравнению с целинными снижается на 17—25%. О приемах химической характеристики почв в этот период свидетельствует перечень анализов чернозема, выполненных Германом. Кроме изучения органического вещества он определял в черноземе содержание кремнезема, глинозема, окиси железа, из^ -и, магнезии, воды и фосфорной кислоты.

Во второй половине XIX в. внимание к химическим свойствам и химической характеристике почв возрастает. Кафедра сельского хозяйства в Московском университете заменяется в 1863 г. кафедрой агрономической химии, которой с 1872 по 1890 г. заведовал профессор Н. Е. Ля-сковский. В этот период при кафедре была создана почвенно-химическая лаборатория. Идеи химии все больше проникают в описание генезиса и классификации почв.

Необходимо подчеркнуть, что Д. Й. Менделеев проявлял большой интерес к проблемам сельского хозяйства. Это выражалось не только в многочисленных и разнообразных химических анализах сельскохозяйственных объектов и постановке опытов, но и в критике концепции Мальтуса, а также в активной поддержке предложений В. В. Докучаева об открытии специальных кафедр почвоведения. Характерно, что в трудах Докучаева можно встретить десятки ссылок на результаты работ Менделеева. Много занимаясь химическими анализами почв, Менделеев указывал, что тщательный анализ почвы составляет очень сложную процедуру, при которой всегда можно ожидать разнообразных случайностей.

Для понимания свойств и генезиса почв во второй половине XIX в. уже становится недостаточным знание только валового химического состава почв, и В. В. Докучаев использует подразделение ряда элементов по формам их соединений в почвах, различая, например, кремнезем, растворимый в горячем растворе едкого натра, разлагаемый 33%-ной HF, и остаток (кварцевый песок), нерастворимый в HF.

В. В. Докучаев дал интереснейший анализ процесса гумификации как функции биоклиматических (экологических) условий, и сформированные им принципы лежат в основе современных представлений. Закономерности гумусообразования Докучаев рассматривает как средство для раскрытия генезиса чернозема и границ его распространения, исходя при этом из двух основных положений: условий произрастания растений как фактора накопления биомассы для гумификации, с одной стороны, и условий разложения (трансформации) органических остатков и закрепления гумуса в почве, с другой стороны. Очень четко эти положения сформулированы, например, в связи с выяснением причин отсутствия черноземов на песках: «... пески ... являются плохой почвой для растительности; следовательно, на почвах песчаных, при всех остальных одинаковых условиях растительности, всегда будет скопляться меньше гумуса, чем, например, на суглинках. Мало того, и тот гумус, который попал в песчаную породу, имеет сравнительно немного шансов, чтобы сохраниться там: во-первых, здесь гумусу не с чем соединяться, а во-вторых, благодаря пористости песков, он скорее сгорит на воздухе и даст конечные продукты гниения» (Докучаев. Избр. соч., 1949, т. 3, с. 103—104). Докучаев отмечает, что для накопления гумуса не столь важны видовые различия растений, сколько их масса, размеры годового прироста и условия перегнивания, причем как на воздухе, так и в самой почве. Отсутствие чернозема в северной части России, малогу-мусность северных почв он объясняет следующими причинами: меньшее количество растительных остатков, низкие температуры и излишек воды в почве при слабом доступе воздуха. При таких условиях конечные продукты гниения существенно отличаются от продуктов разложения органических остатков в черноземах. Опираясь на работы предшественников, Докучаев указывает, что при неблагоприятных условиях гниение приводит к образованию болотного газа и свободного азота, тогда как при доступе воздуха образуются благоприятные для растений азотная и угольная кислоты и аммиак. В южных и юго-восточных районах образованию чернозема (накоплению гумуса) препятствуют скудная растительность, недостаток влаги, особенный характер ее выпадения, избыток света и теплоты; в таких условиях растительные остатки окисляются на воздухе или разносятся суховеями. Эта очень четкая концепция лежит в основе последующих гипотез гумусообразования в зональном ряду почв, хотя новейшие работы и отличаются значительной конкретизацией и детализацией химических механизмов гумификации. Интересна и такая оценка Докучаевым природы гумуса: «Прежде всего здесь следует помнить, что перегной не есть какое-либо определенное тело, которое можно было бы выразить постоянною формулой; как известно, под гумусом разумеют смесь химически малоисследованных продуктов разложения организмов...» (Докучаев. Избр. соч., 1949, т. 3, с. 210)’.

Наряду с глубоким использованием химических показателей для характеристики почв и решением генетических проблем Докучаев четко сформулировал свои представления о принципах отбора проб для химического анализа. Изучая характер географического распространения чернозема, он, в частности, показал неоднородность почвенного по-крова как функцию рельефа — на вершинах холмов встречаются «почвы красноватые каменистые, редко — слабые следы чернозема», в низинках — чернозем толще нормального. В связи с этим он писал: «... можно сделать десятки анализов почв, собранных на черноземной полосе России, можно строить на них самые остроумные и логические выводы о черноземе и в практическом и теоретическом отношении, но все это может оказаться напрасной, бесцельной работой, так как данный образчик, может быть, ничего общего с нормальным черноземом и не имеет. Только анализ здорового организма, только признаки не-искалеченного животного, только исследование нормально построенного и нормально залегающего чернозема могут и должны лечь в основу и их определения, и их классификации, и, наконец, их правильного утилизирования. Сколько времени, труда и остроумия было бы сохранено, 'если бы исследователи чернозема не забывали этого простого правила!» (Докучаев. Избр. соч., 1949, т. 3, с. 99).

Несмотря на расширение химических знаний о почвах на протяжении XIX в. и на большой объем экспериментальных исследований, химия почв как самостоятельная дисциплина в этот период еще не сформировалась. Химические исследования почв выполнялись для решения генетических, классификационных или агрономических проблем, а собственно задачи химии почв, как правило, не ставились. Исключение составляют исследование катионного обмена и химии гумусовых веществ, о которых было сказано выше.

Только в конце XIX — начале XX в. химия почв приобретает черты, характерные для самостоятельной дисциплины, для особого раздела почвоведения. Это выражается прежде всего в тематике исследований, направленных на изучение химических свойств и строения составляющих компонентов почвы и на выявление законов, согласно которым протекают в почвах химические процессы. Необходимость дифференциации почвоведения и обособление отдельных разделов, в том числе химии почв, были, конечно, обусловлены внутренней логикой развития науки: большим объемом накопленных знаний, совершенствованием теории и методов исследования. Другой не менее, а, может быть, более важной причиной стала потребность в достаточно полной и теоретически обоснованной оценке химических свойств почв в связи с расширением сельскохозяйственного производства, освоением новых земель, внедрением в практику сельского хозяйства минеральных удобрений и средств химической мелиорации почв.

Экспериментальные исследования первой половины XX в.

В числе наиболее крупных направлений химии почв, разрабатывавшихся в начале XX в., следует назвать проблему почвенной кислотности, вопросы поглотительной способности почв, химии почвенных коллоидов, исследования почвенных растворов, химические и биохимические основы процесса гумификации. Отметим некоторые вехи развития этих проблем.

Начало систематических исследований природы почвенной кислотности обычно связывают с публикациями работ американского исследователя Т. П. Вейтча (1904) и японского ученого Г. Дайкухара (1914), показавших, что при взаимодействии кислой почвы с нейтральным раствором NaCl (или другой аналогичной соли) в раствор переходят ионы алюминия и их количество близко совпадает с титруемой кислотностью вытяжки. Сущность происходящей при этом реакции обсуждается и до настоящего времени. Были высказаны две противоположные гипотезы,

объясняющие природу обменной кислотности. Одна из них — гипотеза! обменного водорода — объясняет кислотность присутствием способных к обмену ионов водорода, а появление в вытяжке Аl3+ связывает с вторичной реакцией растворения некоторых соединений алюминия. Другая — гипотеза обменного алюминия, сущность которой в признании прямого вытеснения обменного А13+ катионами раствора и вторичного подкисления равновесного раствора за счет гидролиза алюминиевых солей.

Сторонниками гипотезы обменного водорода в 30—50-е гг. были К. К. Гедройц, С. Н. Алешин, Н. П. Ремезов. Гипотезу обменного алюминия развивали А. В. Соколов, X. Каппен, К- Маршалл и др. Фундаментальное исследование этой проблемы выполнил советский ученый В. А. Чернов. Его книга «О природе почвенной кислотности» (1947) определила направление дальнейших исследований, выполнявшихся в последующие годы учеными многих стран. В результате тонкого химического эксперимента В. А. Чернов установил, что в большинстве кислых почв преобладают обменные ионы А13+, тогда как обменные ионы Нехарактерны преимущественно для высокогумусированных и торфяных почв. Эта точка зрения, несмотря на продолжающуюся дискуссию, в настоящее время наиболее широко распространена.

Проблема почвенной кислотности разрабатывалась не только в-теоретическом, но и в прикладном направлении. Большой вклад в практику регулирования кислотности сельскохозяйственных почв внес Д. Л. Аскинази — один из инициаторов работ по известкованию почв и автор первой в нашей стране инструкции по известкованию. Он, видимо, первым установил влияние pH на емкость поглощения и показал, что известкование влияет на фосфатный режим почвы.

Поглотительной способности почв были посвящены интереснейшие исследования А. Н. Сабанина (1847—1920). Алексей Николаевич Са-банин заведовал кафедрой агрономии Московского университета с 1890 по 1920 г.; он начал читать в 1906 г. самостоятельный курс почвоведения и в 1909 г. выпустил учебник, озаглавленный «Краткий курс почвоведения». Кафедра агрономии в 1922 г., уже после смерти А. Н. Сабанина, была разделена на кафедру почвоведения (с 1922 по 1953 г. кафедрой заведовал профессор В. В. Геммерлинг) и кафедру агрохимии. Круг научных интересов Сабанина был очень широк. Он исследовал химический состав зерна, тепловые свойства почв, гуминовую кислоту. В 1908 г. он опубликовал статью о поглотительной способности почв, различая три типа поглощения: химическое, физическое и физико-химическое. Эта классификация впоследствии была развита. К. К. Гедройцем. Немало сделал Сабанин для разработки методов исследования почв. Хорошо известны и используются до сих пор модификации предложенных им методов определения механического состава почв и содержания гумуса в почвах.

Дальнейшее развитие исследований в области изучения почвенных коллоидов и поглотительной способности почв должно быть по праву связано прежде всего с именем академика К- К- Гедройца.

Константин Каэтанович Гедройц (1872—1932) — выдающийся советский ученый, агрохимик, физико-химик, почвовед, создавший фундаментальные основы химии и химического анализа почв. Он окончил в. 1897 г. Петербургский лесной институт, а в 1903 г. экстерном и Петербургский университет, получив разностороннее образование. Первую научную работу он выполнил под руководством крупного почвоведа-химика П. С. Коссовича (1862—1915), заведовавшего кафедрой и химической лабораторией в Петербургском лесном институте. Эта работа

была посвящена электрическим методам определения влажности почв, температуры и концентрации почвенного раствора. Отличительной чертой научных исследований Гедройца было стремление познать почву с тем, чтобы управлять ее свойствами, добиваясь повышения плодородия и урожайности сельскохозяйственных культур.

Начиная с 1908 г. К. К. Гедройц опубликовал серию работ по во-лросам коллоидной химии в почвоведении, а в 1922 г. вышла книга «Учение о поглотительной способности почв», определившая направление развития физикохимии почв и оказавшая большое влияние на мировую науку. В этой книге он обосновал стройную классификацию видов поглотительной способности, сформулировал и экспериментально .подтвердил важнейшие закономерности поглощения веществ почвой. Многие из этих закономерностей вошли в число основных законов и понятий химии почв. В разработке и решении теоретических проблем химии почв Гедройц, как правило, исходит из практических задач. Так в 1911 г. он публикует статью «На каких почвах действует фосфорит. Почвы насыщенные и ненасыщенные основаниями», задача которой заключалась в том, чтобы выяснить на каких почвах и при каких их свойствах применение фосфоритов «будет давать положительный и эконо-.мически выгодный эффект». Решая эту практическую задачу, Гедройц не только вскрывает главное условие эффективности фосфоритов — не-насыщенность почв основаниями, но объясняет химический механизм эффективности и дает научно обоснованное определение ненасыщенно-•сти почв. Если ранее Раманн относил к абсорбтивно ненасыщенным почвы, имеющие кислую реакцию, то Гедройц кислую реакцию (по действию на индикаторы) считает лишь частным признаком и указывает, что основным признаком ненасыщенности почв надо считать способность таких почв освобождать из нейтральных растворов солей кислоту. Иными словами, как мы и понимаем в настоящее время, ненасыщенные основаниями почвы обладают потенциальной кислотностью. Анализ работ Гедройца показывает, что тесная связь с практикой позволяет ускорить решение теоретических проблем, способствует открытию новых закономерностей в природе.

Очень много сделал Гедройц для развития химического анализа почв. Еще в 1909 г. было опубликовано краткое руководство по химическому анализу почв, а в 1923 г. вышла книга «Химический анализ почвы», переиздававшаяся несколько раз и ставшая настольной в поч-венных и агрохимических лабораториях. В те же годы издавались и другие руководства (например, в 1923 г. вышла книга В. И. Виноградова «Сельскохозяйственный анализ. Ч. 1. Анализ почв»), но книга и методы Гедройца вытеснили другие руководства. Это объясняется не только тем, что книга Гедройца была подготовлена на основе огромного личного лабораторного опыта автора и превосходного знания мировой литературы. В «Химическом анализе почвы» Гедройц дал стройную группировку методов анализа в связи с характером решаемых задач («Валовый анализ почвы», «Исследование почвенного поглощающего комплекса», «Солянокислые вытяжки», «Водные вытяжки» и т. д.), раскрыл влияние условий определения на результаты анализа, изложил именно те методы, которые были в первую очередь необходимы для агрохимических и почвенно-генетических исследований. Благодаря этой книге стало возможным проводить химический анализ почвы в любых лабораториях, причем пользуясь одинаковыми или сопоставимыми приемами. Это существенно расширило химические исследования в почвоведении. И хотя в современных лабораториях в большинстве применяются иные, более совершенные, методы анализа (иначе и быть не может, ибо после последнего прижизненного издания книги прошло уже более 50 лет), но до сих пор к «Химическому анализу почвы» К. К. Гедройца постоянно обращаются почвоведы.

Избранный в 1929 г. действительным членом АН СССР К- К. Гедройц стал директором Почвенного института. Научное значение трудов Гедройца и его международный авторитет были столь велики, что он был избран президентом Международной ассоциации почвоведов, его книги переводятся на немецкий язык. Высокой оценкой его вклада в науку явилось и учреждение специальной «Золотой медали имени Гед-ройца», которую Президиум ВАСХНИЛ один раз в 3 года присуждает ученым за выдающиеся работы в области агрохимии. Этой медалью были награждены крупный агрохимик академик ВАСХНИЛ Н. С. Авдонин, крупнейший специалист в области физикохимии и минералогии почв профессор Н. И. Горбунов и другие ученые.

содержание .. 1 2 ..

///////////////////////////////////////