Химия почв (Орлов Д.С.) - часть 2

В основе работ С. Э. Маттсона лежит воззрение на почвенный кол-лоидный комплекс как на амфотерный электролит (амфолитоид); как считал Маттсон, этот подход позволяет удовлетворительно объяснить «два типа выветривания, приводящие к образованию почв подзолистого и латеритного типа».

Взгляды Вигнера и Маттсона существенно повлияли на развитие химии почв и долгое время были господствующими в вопросах коллоидной химии и катионного обмена в почвах. Избранные труды этих выдающихся ученых были переведены и изданы на русском языке.

1930—1940-е гг. характеризуются интенсивными поисками уравнений, описывающих закономерности обмена катионов в почвах. Большой вклад в решение этой проблемы внесли советские ученые Е. Н. Гапон, И. Н. Антипов-Каратаев, Б. П. Никольский.

Евгений Никитич Гапон (1904—1950) — крупнейший специалист в области физикохимии почв. После окончания Харьковского института народного хозяйства он заведовал кафедрой общей химии медицинского института, а в 1930 г. был избран заведующим кафедрой физической химии ТСХА. Им выполнены оригинальные работы но фиксации атмосферного азота, строению почвенных коллоидов. Наибольшую известность получили работы по изучению закономерностей ионного обмена. Е. Н. Гапон дал объяснение нелинейного характера изотерм катионного обмена в почвах и предложил уравнение (уравнение Гапона),. широко используемое исследователями всех стран мира. Немало сделал Гапон и для разработки теории ионообменной хроматографии.

Термодинамически обоснованное уравнение катионного обмена в почвах предлагает в 30-е гг. Б. П. Никольский. Решение задач ионного обмена, как и других химических равновесий в почвах, базируется уже не на величинах концентраций, а на величинах активностей ионов и солей. Этому способствовало создание ионселективных электродов для прямого экспериментального измерения активностей катионов в почвах и почвенных суспензиях. Стеклянные электроды для измерения активностей водородных ионов были широко известны почвоведам. Никольский разрабатывает общую теорию стеклянного электрода и показывает условия его применимости для измерения активностей ионов Na+. В период 1939—1948 гг. американец К- Маршалл разрабатывает глинистые мембранные электроды, приготовленные на основе бентонитовых мембран, насыщенных катионами одного рода. Однако эти электроды не были достаточно селективны и не вошли в практику почвеннохимических исследований. Только ионселективные стеклянные электроды, а позже пленочные мембранные электроды позволили перейти к измерениям активностей катионов Na+, К+, Са2+, Mg2+, других катионов и анионов в лабораторных экспериментах и к наблюдениям за их. динамикой в полевых условиях.

Многие проблемы физикохимии почв разрабатывает в те же годы И. Н. Антипов-Каратаев.

Иван Николаевич Антипов-Каратаев (1888—1965) — выдающийся исследователь в области химии и физикохимии почв, один из основоположников учения о химической мелиорации солонцов. Он оценил вклад адсорбционных и хемосорбционных явлений в реакциях взаимодействия катионов с почвенным поглощающим комплексом. Кроме катионов щелочных и щелочно-земельных металлов он изучал и поведение катионов таких элементов, как Hg, Си, РЬ, и установил для последних элементов, в отличие от щелочей и щелочных земель, характерное хемосорбционное поглощение соответствующих гидроксидов или основных солей.

И. Н. Антипов-Каратаев разработал методы электродиализа и электролиза почв, сорбции газов и паров почвами, предложил оригинальную методику изучения адсорбционных явлений в динамических условиях. С его именем связано совершенствование методов выделения лочвенного раствора, рентгеноструктурного и термического анализа почв.

Исследования пептизации и коагуляции почвенных коллоидов, их перезарядки, ионного обмена привели Антипова-Каратаева к решению вопросов теории структурообразования и основ создания агрономически ценной структуры. Важное значение имели многолетние исследования солонцовых почв. Были разработаны теоретические основы происхождения и географического распространения солонцов в СССР, вопросы их диагностики и классификации, практические приемы мелиорации солонцовых почв в богарных и орошаемых условиях. Итогом этих работ явилась монография «Мелиорация солонцов в СССР» (М., 1953), •научная редакция которой и первая часть принадлежит И. Н. Антипову-Каратаеву.

В 30-х гг. начинает развиваться учение об окислительно-восстановительных процессах в почвах. Первые экспериментальные работы в этом направлении выполнил Н. П. Ремезов, который в 1929—1930 гг. опубликовал две статьи об измерении и динамике окислительных потенциалов почвы. Нил Петрович Ремезов (1899—1961) был разносторонним и очень одаренным ученым. Его перу принадлежат более 100 печатных работ, в том числе по вопросам генезиса почв и биологического круговорота элементов. Его исследования биологического круговорота элементов получили признание мировой научной общественности и именно Ремезовым были созданы научные основы этого нового направления •в почвоведении. Первые работы его были посвящены вопросам химии почв. Он изучал кислотность почв, буферность (им предложен метод определения кислотно-основной буферности почв), известкование и окислительно-восстановительные свойства почв, состав органического вещества и обменных катионов в почвах СССР. Интерес к химии почв Н. П. Ремезов сохранил до конца жизни. В 1955 г. он издал «Описание новых методов анализа почв» как дополнение к «Химическому анализу почв» К. К- Гедройца. В 1957 г. вышла монография Ремезова «Почвенные коллоиды и поглотительная способность почв», до сих пор остающаяся крупным обобщением этой проблемы. Много сделал он и для пропаганды новейших достижений физикохимии почв и их внедрения в отечественную науку. И хотя, говоря о вкладе Ремезова в науку, чаще оценивают его роль в развитии лесного почвоведения, мы вправе считать его одним из крупнейших почвоведов-химиков и физикохимиков.

Начатые Н. П. Ремезовым исследования окислительно-восстановительных процессов в почвах приобретают в последующие десятилетия особенно широкий размах в связи с развитием орошения, осушительных мелиораций, исследования затопляемых рисовых почв и почв полей орошения. Разрабатываются два главных аспекта проблемы. Первый из них — типизация окислительно-восстановительных режимов, их влияние на свойства почв и роль восстановительных условий в развитии элювиально-глеевого процесса. Основополагающие теоретические решения в этом направлении были созданы профессором ТСХА И. С. Кауричевым и его учениками на основе полевых и экспериментальных работ, выполняющихся с 1947 г. по настоящее время. И. С. Кауричевым была разработана группировка почв по окислительно-восстановительному режиму и сформулирована концепция элювиально-глеевого процесса как основы формирования ряда почв.

Второй аспект проблемы связан с изучением влияния окислительно-восстановительных условий на состояние и трансформацию соединений химических элементов с переменной валентностью в почвах. Советские и зарубежные ученые — Г. Брюммер, С. В. Зонн, Ф. Поннамперу-ма, У. Патрик, Д. Маклеод, И. П. Сердобольский, У. Линдсей и др.— установили параметры зависимости между окислительным потенциалом; почв и окислительным состоянием элементов, определили граничные условия существования конкретных форм соединений и типы реакций, по-которым осуществляется изменение форм соединений элементов при смене окислительного потенциала. Этими исследованиями был охвачен большой набор элементов: Мп, Fe, S, N, Си, Cr, Se, а также соединения фосфора и органические вещества. Результаты проведенных исследований позволили поставить на повестку дня задачу направленного регулирования окислительных условий в почвах средствами химизации и агротехники. Результаты исследований отечественных и зарубежных: ученых до 1980 г. были обобщены в монографии И. С. Кауричева и Д. С. Орлова «Окислительно-восстановительные процессы и их роль в-генезисе и плодородии почв» (1982).

Наряду с проблемами физикохимии почв в первой половине XX в. интенсивно разрабатываются вопросы химии и биохимии органического вещества почв. Эти исследования ведутся широким фронтом и по различным направлениям. Американские ученые О. Шрейнер и Е. Шо-рн в 1908—1930 гг. идентифицировали в составе почвенного гумуса большой набор индивидуальных органических соединений, в том числе различные углеводы, органические кислоты, альдегиды, жиры и представители других классов веществ. Всего ими было найдено более 40 различных соединений. Эти работы продемонстрировали сложность состава органического вещества почв и необходимость разработки методов фракционирования почвенного гумуса в целях более глубокого понимания его свойств и происхождения. Аналогичный вывод по отношению к специфическим гумусовым веществам сделал Р. Герман.

Второе направление было связано с изучением коллоидно-химических свойств гумусовых веществ, наиболее ярким представителем которого был С. Оден. Он использовал метод потенциометрического титрования для оценки кислотных свойств гуминовой кислоты и на основе результатов кондуктометрического титрования пришел к выводу, что гуминовая кислота является трех- или четырехосновной кислотой. Эти работы Одена были выполнены в 1912—1919 гг. Лишь немного позже,, в начале 20-х гг., профессор Московского университета В. В. Геммер-линг выдвигает оригинальную гипотезу о полидисперсности гумусовых веществ, представленных коллоидными формами, и объясняет неодинаковую окраску гуминовых кислот, выделенных из различных почв, степенью их дисперсности. Идеи В. В. Геммерлинга были экспериментально подтверждены уже в 50—60-е гг., и, в частности, была установлена зависимость окраски (коэффициентов экстинкции) гуминовых кислот от их молекулярных масс. В первой четверти XX в. формулируются также теоретические представления и выполняются экспериментальные исследования по происхождению гумусовых веществ. Экспериментальный синтез гуминовых кислот путем взаимодействия аминокислот с углеводами пытается осуществить в 1912—1917 гг. Л. Майард (реакция ме-ланинообразования). Модельные опыты по гумификации различных растительных остатков в 1914—1916 гг. выполняет А. Г. Трусов. Несколько позже результаты оригинальных исследований строения и свойств гумусовых веществ публикует А. А. Шмук. К числу важнейших итогов его работ относится экспериментальное доказательство при-

сутствия в гуминовых кислотах карбоксильных групп (по реакции этерификации этанолом) и фенольных групп (по реакции взаимодействия с хлористым бензоилом — образование сложных эфиров бензойной кислоты). А. А. Шмук сформулировал концепцию о конституционной роли азота в гуминовых кислотах и определил формы соединений азота в гумусовых веществах. В 1924 г. Шмук в продуктах сплавления гуминовой кислоты с КОН нашел ароматические соединения; надо сказать, что Е. П. Троицкий, будущий профессор и заведующий первой кафедрой химии почв Московского университета, а тогда молодой ученик профессора А. Н. Сабанина, еще в 1915 г. из продуктов окисления гуминовой кислоты выделил терефталевую кислоту. Ароматические продукты окисления гуминовых кислот Ф. Фишер и Г. Шрадер идентифицировали позже, только в 1921 г. В результате этих исследований было доказано присутствие в молекуле гуминовых кислот циклических бензоидных структур, что дало основание в последующем говорить об ароматической природе гумусовых кислот.

Дальнейшее, очень интенсивное развитие проблемы почвенного гумуса в 40—50-е гг. XX в. до нашего времени проходит под влиянием работ академика И. В. Тюрина и его учеников.

Иван Владимирович Тюрин (1892—1962) — крупнейший советский почвовед-генетик и почвовед-химик. Он создал стройную систему взглядов на органическое вещество почв, рассматривая гумус как группу высокомолекулярных веществ специфической природы, образование которых обязано биологическим процессам. Им разработаны методы определения органических соединений углерода и азота в почвах; определение содержания гумуса по И. В. Тюрину является в настоящее время основным методом и принято во всех лабораториях. Исследование гумуса почв Тюрин тесно связывает с практическими задачами земледелия. Им сформулированы важнейшие принципы использования азотного фонда почвы, поставлена задача создания бездефицитного азотного баланса пахотных почв. Наряду с химическими проблемами он решал многие генетические проблемы. В 1927 г. к I конгрессу Международного общества почвоведов в Вашингтоне Тюрин подготовил обзор «Успехи русской науки в области химии почв». Выдающаяся роль Тюрина в генезисе и химии почв получила высокую оценку. В 1946 г. он избран членом-корреспондентом, а в 1953 г. — академиком АН СССР. С 1949 г. и до конца жизни И. В. Тюрин был директором Почвенного института им. В. В. Докучаева, президентом Всесоюзного общества почвоведов. В монографии «Органическое вещество почв и его роль в почвообразовании и плодородии» (1937) он обобщил материалы по источникам органического вещества почв и процессам гумификации.

И. В. Тюрин и его ученики создали учение о групповом и фракционном составе гумуса, впервые раскрывшее качественные особенности почвенного гумуса. Согласно этому учению главными компонентами почвенного гумуса, отражающими зонально-генетические условия и особенности гумификации, являются специфические гумусовые вещества: гуминовые кислоты, фульвокислоты и гумин. Эта концепция оказалась весьма плодотворной и позволила выявить закономерности изменения состава гумуса по типам почв. Ранние попытки выявить качественные особенности гумуса различных типов почв по содержанию в них неспецифических соединений не были успешными, тогда как метод Тюрина позволил установить общую закономерность изменения соотношения количества гуминовых кислот и фульвокислот (Сгк : СфК) как функции факторов почвообразования. Это позволило использовать величину Сгк: Сфк как диагностический и классификационный признак почв.

В 40—50-е гг. в исследованиях почвенного гумуса складываются три основных направления: эколого-биохимическое, структурно-аналитическое и синтетическое.

Синтетическое направление характеризуется поиском путей синтеза гуминовых кислот из простых мономерных соединений: фенолов, хи-нонов, моносахаров, аминокислот. Такие опыты проводятся во многих странах; наиболее яркий представитель этого направления — В. Фляйг (ФРГ), которому удалось выявить некоторые механизмы окисления и поликонденсации фенолов и аминокислот с образованием темноокра-шенных гуминоподобных веществ. Аналогичные опыты проводились в СССР и других странах.

Структурно-аналитическое направление характеризуется углубленными исследованиями состава и строения выделенных из почв препаратов гумусовых кислот. В этих исследованиях установлен элементный состав гуминовых кислот и фульвокислот, функциональные группы, состав продуктов деструкции, молекулярные параметры (включая молекулярные массы). На основе полученных данных были предложены схемы строения гумусовых кислот. В нашей стране большой вклад в развитие этого направления внесли А. А. Шмук, С. С. Драгунов, В. И. Ка-саточкин, Т. А. Кухаренко, Л. Н. Александрова. Аналогичные исследования за рубежом выполняли В. Фляйг, Г. Бейтельшпахер (ФРГ), Г. Фельбек, В. Форсит (США), М. Шнитцер (Канада), Т. Хаяси,Т. Натай, К. Кумада (Япония) и др. В многочисленных экспериментальных работах этого направления широко используются наиболее совершенная аппаратура и новейшие методы исследования.

Наибольшими успехами характеризуется эколого-биохимическое направление (И. В. Тюрин, М. М. Кононова, В. В. Пономарева, Л. Н. Александрова), рассматривающее реальные процессы трансформации органических остатков и гумусовых веществ в ходе почвообразования и использующее с этой целью все достижения химии почв. К числу наиболее важных достижений эколого-биохимических исследований следует отнести две гипотезы формирования гуминовых кислот, предложенные М. М. Кононовой и Л. Н. Александровой. Эти гипотезы получили признание в нашей стране и за рубежом и лежат в основе современных представлений о путях и механизмах превращения неспеци» -фических органических соединений в специфические гумусовые вещества.

Успехи изучения органического вещества почв в период после 1940 г. связаны с именами трех замечательных ученых, энтузиастов науки, обладавших не только талантом и даром научного предвидения, но и замечательным педагогическим и организаторским мастерством,— М. М. Кононовой, В. В. Пономаревой и Л. Н. Александровой.

Мария Михайловна Кононова (1898—1979) — крупнейший исследователь органического вещества почв. Основные итоги работ М. М. Кононовой были изложены в монографиях «Проблема почвенного гумуса и современные задачи его изучения» (1951) и «Органическое вещество почвы. Его природа, свойства и методы изучения» (1963)’. М. М. Кононовой была создана стройная схема процесса гумификации, основанная на представлениях о реакции конденсации хинонов и аминокислот. Схема включает первоначальные этапы превращений исходных растительных остатков под влиянием животных и микроорганизмов. Взгляды Кононовой оказали большое влияние на развитие проблемы в 50—70-х гг. и получили признание практически во всех странах мира. Характерной особенностью исследований Кононовой было применение новых методов для решения проблем географических закономер-

ностей и биохимии гумусообразования. Книги М. М. Кононовой были’ удостоены Государственной премии, переведены на ряд языков и изданы в Англии, ГДР, Польше, Японии, КНР.

Вера Владимировна Пономарева (1908—1978) создала основы учения о связи содержания, состава и свойств гумуса различных типов, почв с их генезисом и плодородием. Ею изучены процессы формирования гумусного профиля главнейших типов почв: черноземов, каштановых, серых лесных, бурых лесных, подзолов и других почв. На основе развития биохимических представлений о сущности почвообразования Пономарева выдвинула оригинальную концепцию теории подзолообразовательного процесса. Очень велико значение методических работ Пономаревой; ею созданы новые методы исследования группового и фракционного состава гумуса, широко используемые всеми исследователями органического вещества почв в нашей стране и за рубежом.

Людмила Николаевна Александрова (1908—1983) выполнила фундаментальные исследования по механизмам органо-минеральных взаимодействий. Она разработала теорию взаимодействия гумусовых веществ с катионами металлов, гидроксидами и слоистыми алюмосиликатами, а на этой основе создала классификацию органо-минеральных; производных гумусовых кислот. Изучение закрепления гумусовых веществ в почве привело Л. Н. Александрову к выводу о необходимости, систематического обогащения дерново-подзолистых почв органическим веществом. В 1966 г. Александрова сформулировала основы новой гипотезы процесса гумификации, согласно которой этапами этого процесса являются окислительное кислотообразование, формирование азотистой части молекулы, фракционирование и дальнейшая трансформация новообразованных гумусовых кислот. Итогом ее многолетних теоретических и экспериментальных исследований стала монография «Органическое вещество почвы и процессы его трансформации» (1980).

В первой половине XX в. были установлены основные положения химии почв. Подробно изучен химический состав главных типов почв„ состав их илистых фракций, установлено кристаллическое строение минералов тонкодисперсных фракций и определен минералогический состав почв. Выявлены важнейшие закономерности катионного обмена поглощения фосфатов почвами, вскрыта природа и формы проявления почвенной кислотности, изучен состав почвенных растворов. Охарактеризованы закономерности гумификации, выявлена качественная неоднородность гумуса различных типов почв, вскрыты важнейшие элементы строения гуминовых кислот. Наконец, что очень важно, создана система методов химического анализа и химической характеристики почв.

В кратком очерке нет возможности даже перечислить все наиболее важные работы, выполненные в этот период; проблемы химии почв разрабатываются не только химиками, но также специалистами в области генезиса почв, географии, агрохимии и агрономии. Но приведенные примеры в достаточной мере обрисовывают характер исследований, выполнявшихся в рассмотренный период.

О том, насколько быстро развивается в этот период химия почв в СССР можно судить по данным И. В. Тюрина (1927): за 80 дореволюционных лет (начиная с работ Р. Германа) в России было опубликовано всего 80 почвенно-химических работ; за первые 10 лет Советской власти было опубликовано уже 55—60 печатных работ, а к 20-летию-Октябрьской революции, по данным И. Н. Антипова-Каратаева, вопросам химии почв было посвящено более 500 работ. Столь быстрое развитие химических исследований в почвоведении было обусловлено запросами планового сельского хозяйства, задачами освоения новых зе-мель и повышения почвенного плодородия. С этой целью в СССР были созданы специальные химические и физико-химические почвенные лаборатории в системе АН СССР и ВАСХНИЛ. О повышении роли химии почв в решении важнейших практических задач сельскохозяйственного производства говорят публикации таких работ, как статьи А. Н. Соколовского «Задачи производственных анализов почв» (1932), И. В. Тюрина «Программы анализов при почвенных исследованиях, выполняемых с производственными целями» (1933), А. Т. Кирсанова «Развитие в СССР химических методов характеристики плодородия почв в целях химизации» (1937).

Многие теоретические разработки находят широкое применение в практике социалистического сельского хозяйства, например рекомендации по известкованию кислых почв, гипсованию солонцов и другие приемы химической мелиорации. Химическая характеристика почв все шире используется для оценки их плодородия и разработки рациональных приемов применения минеральных и органических удобрений. Методы и законы химии почв служат основой для классификации почв, теории их генезиса, для разработки проектов орошения и осушения почв, промывок засоленных почв.

В период 30—40 гг. происходит становление химии почв как самостоятельного раздела почвоведения. В это время создаются учебные курсы и учебные пособия по химии почв. Первый университетский курс химии почв начал читать в 1935 г. профессор Московского университета Е. П. Троицкий. Химия почв, как часть курса агрохимии, читалась и в сельскохозяйственных институтах. Курс химии почв в Пермском сельскохозяйственном институте в 1926—1931 гг. читал профессор А. Ф. Тюлин, а в 1932—1934 гг. — А. Е. Возбуцкая, на основе этого курса А. Е. Возбуцкой было создано первое учебное пособие «Химия почвы» (1935), выдержавшее несколько изданий.

Дальнейшее развитие химии почв шло как путем углубления знаний в области ставших уже традиционными проблем, так и путем развития новых направлений. Для этого периода характерно особо быстрое внедрение в почвоведение новейших технических средств, новых приборов и методов. В то же время происходит быстрое проникновение в химию почв идей и принципов других наук, особенно органической и физической химии. В почвоведении начинают систематически использоваться термодинамические подходы; математические методы постепенно становятся обычным средством решения почвенно-химических задач. Широко применяются теоретические основы и методы химии высокомолекулярных соединений и биохимии.

В числе новых проблем, быстрое развитие которых происходит в конце 40-х — начале 50-х гг., следует упомянуть проблему микроэлементов. Необходимость изучения микроэлементов возникла в связи с тем, что была установлена их необходимость, а зачастую и незаменимость во многих жизненно важных физиологических процессах. Недостаток микроэлементов замедляет рост и развитие, вызывает многие •болезни растений, животных и человека. Практически единственным источником большинства микроэлементов для живых организмов служит почва. Постановка микроэлементной проблемы в СССР связана главным образом с именами академиков В. И. Вернадского и А. П. Виноградова, определенное внимание микроэлементам уделял К. К. Гед-ройц. В 1957 г. вышла книга А. П. Виноградова «Геохимия редких и рассеянных химических элементов в почвах»; в том же году состоялось I Межвузовское совещание по микроэлементам в почвах СССР, которое наметило перспективный план совместных исследований различных

вузов страны. Большой вклад в микроэлементную проблему внес академик Я- В. Пейве.

Ян Вольдемарович Пейве (1906—1976) — один из основоположников нового направления в советском почвоведении: биохимии микроэлементов. Еще в 30-е гг. он исследует роль бора, меди и других микроэлементов в повышении урожайности льна. Особенно активно эта проблема разрабатывается в период 1946—1958 гг. в созданной им лаборатории биохимии почв и микроэлементов (ЛатвССР). Я. В. Пейве связывает содержание и распределение микроэлементов в почвах с процессами почвообразования и химическими особенностями самих элементов, выявляет основные закономерности, управляющие состоянием микроэлементов в почвах. Основные итоги работы были изложены им в монографии «Биохимия почв» (1961). Я. В. Пейве разработал также новые методы определения в почве подвижных соединений калия, алюминия, гумусовых веществ, методы определения микроэлементов.

Советские и зарубежные ученые определили необходимые для растений уровни содержания микроэлементов, распределение ряда элементов по формам соединений, закономерности их миграции и аккумуляции в почвенном профиле. Для ряда регионов СССР были составлены картограммы валового содержания микроэлементов в почвах и подвижных форм соединений. Развивая учение академика В. И. Вернадского, член-корреспондент ВАСХНИЛ В. В. Ковальский разработал принципы и схемы биогеохимического районирования и выделил на территории СССР биогеохимические провинции с избыточным или недостаточным содержание микроэлементов.

Успехи в изучении микроэлементов были в значительной мере обусловлены широким внедрением в почвоведение быстрых инструментальных методов анализа. Совершенствование техники исследований начинается еще в 40-е гг., и оно быстро нарастает в 50—60-е гг.

Массовый аналитический материал, необходимый для решения мик-роэлементной проблемы, а также для внедрения в почвоведение математических методов, оказалось возможным получить только с помощью таких методов, как полярография, спектрофотометрия, эмиссионный спектральный анализ, атомно-абсорбционный анализ, рентгенофлюоресцентный анализ, дифрактометрия, ионометрия и т. п.

Бурное развитие промышленности, транспорта, широкое применение удобрений и ядохимикатов поставили перед химией почв еще одну задачу, которая становится особенно острой в 60—70-е гг. Это проблема химического техногенного загрязнения окружающей среды, в том числе и почв. К числу загрязняющих веществ относятся продукты сгорания различных видов топлива, атмосферные выбросы промышленных предприятий, промышленные и бытовые стоки, вынос и смыв компонентов минеральных удобрений и некоторые другие. В настоящее время решаются вопросы о допустимых уровнях загрязнения почв в различных: регионах страны, трансформации и закреплении в почвах химических веществ техногенного происхождения, податливости почв к загрязнению, влиянии техногенных веществ на растительный покров. Ведется поиск путей предотвращения вредного влияния загрязняющих веществ-; на урожай и качество растительной продукции. Большой вклад в решение этой проблемы внесли ученые Московского университета (Г. В. Добровольский, Н. Г. Зырин, М. А. Глазовская, Ф. А. Тихомиров) .

Актуальной стала задача почвенно-химического мониторинга.

Современная химия почв, ее содержание и задачи

Современная химия почвы призвана решать задачи, связанные с происхождением, свойствами и использованием почв. Поэтому в качестве наиболее общего ее определения можно дать следующее: химия почвы — это раздел почвоведения, изучающий химические основы, почвообразования и плодородия почв. Основой для решения этих вопросов служит исследование состава, свойств почв и протекающих в почвах процессов на ионно-молекулярном и коллоидном уровнях.

Согласно определению, предметом изучения химии почв является особое естественно-историческое тело — почва. Химия почв, как и почвоведение в целом, использует сравнительно-географический и профильно-генетический методы, но не располагает особыми методами, позволяющими качественно отграничить химию почв от других разделов почвоведения. Разработаны методы и показатели, характеризующие специфические свойства почв. К их числу можно отнести показатели -поглотительной способности почв, групповой состав гумуса, профильное распределение элементов, распределение элементов по группам-подвижности и доступности растениям, нитрификационная способность почв, но все же эти методы не выводят химию почв за рамки почвоведения.

Неверно было бы рассматривать химию почв и как раздел химии, поскольку ее главное целевое назначение — решение почвенных задач. Правильное решение вопроса о месте химии почв в системе наук име--ет важное методологическое значение, так как оно определяет пути развития химии почв, ее роль в решении народнохозяйственных задач.

Современную химию почв можно подразделить на четыре главных направления: химия почвенной массы, химия почвенных процессов, химические основы почвенного плодородия, аналитическая химия почв (табл. 1).

В каждом из перечисленных направлений можно выделить ряд подразделов; иногда химию почв сводят к первому (химия почвенной массы) и четвертому из указанных разделов (аналитическая химия почв). Это неоправданно сужает химию почв и даже отвлекает внимание от •ее главных задач — химии почвообразования и химических основ плодородия. Аналитическая химия почв поставлена в этом перечне на последнее место не случайно. Несмотря на исключительную важность методов, без которых невозможно решение проблем и задач первых трех направлений, аналитическая химия выполняет служебную роль, давая исследователю средства и инструменты для решения основных вопросов. И хотя методическая работа предшествует собственно эксперименту, не следует забывать, что метод должен подбираться и разрабатываться применительно к задачам исследования.

Химия почвенной массы охватывает большой круг вопросов. Среди них фундаментальное значение имеет учение о химическом составе почв, •сведения о котором лежат в основе практически любых вопросов почвоведения.

К настоящему времени накоплен обширный фактический материал, полученный преимущественно почвоведами генетического и географического направлений. Хорошо известен средний элементный состав почв, состав различных генетических горизонтов, закономерности изменения элементного состава по профилю главнейших типов почв СССР, причем эти сведения касаются не только традиционных макроэлементов (Si, Al, Fe, Са, Mg, К, Р, S, С1, С, N), но и большого набора микро-

Содержание современной химии почв

элементов; в поле зрения почвоведов постоянно находится не менее :25 микроэлементов.

Для важнейших биогенных элементов оценены их запасы в почвах. Эти сведения служат важнейшей фактической основой для решения во-просов генезиса почв, Валовой обеспеченности их элементами питания растений, долгосрочных прогнозов продуктивности ландшафтов, а также для оценки состояния ландшафтов, не затронутых влиянием техно-.генеза или изменяющихся в результате техногеиеза. Менее подробно изучен фазовый, или вещественный, состав почв, хотя для управления почвенно-химическими процессами необходимы исследования на молекулярном и надмолекулярном уровнях, первые этапы которых заключаются в идентификации и количественном определении индивидуальных •органических, минеральных и органо-минеральных веществ, слагающих почвенную массу.

Методы идентификации разработаны для ряда почвенных компонентов: тонкодисперсных минералов, легкорастворимых солей, групп специфических гумусовых веществ, некоторых неспецифических органических соединений.

Идентификация индивидуальных соединений различных элементов в нативных почвах возможна на основе изучения фазовых равновесий или стационарных состояний. Такие работы были выполнены на примере почвенных фосфатов, гидроокисей алюминия и железа, карбонатов и сульфатов. Но для большого числа активных в почвообразовании элементов пока преобладают общие фракционные характеристики, основанные на различиях в растворимости. Например, различают соединения железа силикатные, рыхло- или прочносвязанные в минералах, соединения несиликатные, включая сильно- и слабокристаллизованные, аморфно-свободные и аморфно-гумусово-железистые. Такие классификации необходимы, но не могут заменить идентификации индивидуальных соединений. Разработка учения о вещественном (фазовом) составе почв — одна из главных задач химии почв.

В нашей стране и за рубежом все чаще появляются монографии, посвященные изучению отдельных элементов. Например, книга К- Е. Гинзбург «Фосфор основных типов почв СССР» (1981), монография С. В. Зонна «Железо в почвах» (1982). Систематическое изучение химии отдельных элементов в почвах составляет один из перспективных разделов химии почв. Это направление смыкается с проблемой фазовых равновесий, которая решается в настоящее время на основе принципов термодинамики; критерием равновесия в системе или направления процесса служит изменение свободной энергии Гиббса.

Те же общие прииципы положены в основу определения важнейших показателей химического состояния элементов в почвах; химический потенциал и потенциальная буферная способность почв в отношении калия, фосфора и других элементов (Р. Скофилд, П. Бекетт). Эти показатели основаны на термодинамических характеристиках ведущей реакции, определяющей химическое состояние элемента в системе «твердые фазы почвы — почвенный раствор».

В изучении строения и свойств почвенных компонентов главное внимание почвоведы уделили глинистым минералам и гумусовым веществам. Учение о почвенном гумусе развивалось в двух направлениях: первое из них изучает гумусное состояние почв в связи с их генезисом и факторами почвообразования, второе — исследование структуры и реакционной способности специфических гумусовых кислот. В качестве практического выхода ставится задача определения рациональных приемов воздействия на почвы для достижения стабильной и наиболь-

шей продуктивности при условии оптимального использования благоприятных качеств нативного почвенного гумуса. Групповой и фракционный состав гумуса сейчас рассматривается как один из наиболее информативных признаков почв при решении генетических и классификационных задач; этот показатель наряду с составом поглощенных оснований относится к числу тех признаков (свойств), которые присущи-только почве как особому естественно-историческому телу.

Очень далеко продвинулись почвоведы и в познании реакционной способности органических веществ почвы. С помощью физико-химических методов определены кажущиеся константы устойчивости продуктов взаимодействия гумусовых кислот с катионами важнейших для почвы металлов, изучены изотермы адсорбции гумусовых веществ минералами и вскрыта природа их взаимодействия. Для теории почвообразования особенно важны сведения о растворяющем действии гумусовых, веществ на минералы (В. В. Пономарева). Особую область охватывают исследования фотохимической деструкции гумусовых веществ, которую можно рассматривать не только как новый инструмент познания строения гумусовых веществ, но и как прием практического воздействия на процессы гумификации в используемых почвах.

К химии почвенной массы следует отнести и исследования различных свойств почв и почвенных генетических горизонтов, на основе которых разработаны многие мелиоративные мероприятия, особенно в области освоения солонцовых и засоленных почв и орошения.

С учением о поглотительной способности тесно смыкается проблема почвенной кислотности, практическая значимость которой определяется высокой эффективностью известкования почв и необходимостью-предварительного известкования кислых почв при длительном применении минеральных удобрений, однако не все аспекты кислотности и щелочности почв достаточно ясны. В связи с программой расширенного применения минеральных удобрений, осушения заболоченных земель и расширения орошаемого земледелия требуют ответа вопросы об источниках кислых и щелочных компонентов почвы, их природе, механизмах поддержания реакции почв в природной обстановке на том или ином уровне (природной динамической буферности), а также о наиболее радикальных приемах регулирования реакции среды без разрушения почвенного поглощающего комплекса и без нарушения главных биогеохимических циклов, обусловливающих стационарное состояние почвы и ландшафта.

Интенсификация земледелия в Нечерноземной зоне, как и расширение площадей поливных земель, выдвигает на одно из первых мест & химии почв проблему окислительно-восстановительных режимов целинных и мелиорируемых почв.

До сих пор недостаточно изучены химические механизмы дифференциации профиля на генетические горизонты, условия и формы миграции веществ, механизмы формирования новообразований и, наконец, зависимость почвенно-химических процессов от общей экологической обстановки.

Химические аспекты почвенного плодородия (см.табл. 1) включают четыре важнейших раздела, с которыми прямо связано плодородие почв или его оценка: запасы элементов питания, баланс элементов питания в естественных и культурных ландшафтах, химические механизмы доступности элементов питания растениям и регулирования питательного режима почв. ,

Химия почв разрабатывает особые подходы к решению этих проблем. Так, запасы элементов питания, по Н. И. Горбунову, оцениваются

с позиций потенциального и эффективного плодородия: учитываются непосредственный, ближний, потенциальный и общий резервы элементов, соответствующие содержанию элементов в агрохимических вытяжках, в илистой фракции, во фракции более 0,001 мм и их валовым запасом соответственно.

Составление баланса элементов питания не является, конечно, новой проблемой. Известны исследования И. В. Тюрина по балансу азота и сформулированные им принципы дифференцированного применения приемов регулирования азотного баланса. В настоящее время приобретает большое значение детализация отдельных статей баланса, показывающая пути оптимального использования запасов элементов в культурных и мелиорированных ландшафтах и меры обеспечения бездефицитного баланса.

К числу важнейших показателей почвенного плодородия относится доступность элементов питания растениям и запасы доступных форм соединений. Если длительное время главным приемом оценки доступности растениям химических элементов были различного рода вытяжки, имитирующие действие корневых систем, то в последние два — три десятилетия развиваются новые термодинамические подходы (А. В. Соколов, Н. П. Карпинский), согласно которым доступность или обеспеченность оцениваются с помощью химических потенциалов или активностей компонента в нативной почве при естественной влажности (мгновенная обеспеченность растений тем или иным компонентом). Не менее важна способность почвы поддерживать свойственный ей уровень активности компонента по мере его потребления растениями (буферная способность по отношению к данному элементу). Особенность такого подхода заключается в его теоретической обоснованности, в отличие от системы эмпирически подбираемых вытяжек.

Химические основы почвенного плодородия не могут не включать вопросов регулирования питательного и в более общей форме биохимического режима. Практически необходимо регулирование величины и режима окислительно-восстановительного потенциала, величины pH, гумусного состояния почв, состава поглощенных катионов в более широких пределах и с большей степенью точности, чем это делалось до сих пор.

Крупное направление химии почв — аналитическая химия почв. Особенность этого направления в том, что если в других разделах почвоведения методы исследования рассматриваются только как средство решения поставленных задач, то в химии почв они имеют и самостоятельное значение. Поскольку задачи аналитической химии почв заключаются в разработке методов, то для этого необходима глубокая теоретическая проработка основ методов, поиски новых принципов. Поэтому аналитическая химия почв равноправна по своему положению и значению с другими направлениями химии почв.

Проблемы аналитической химии почв четко подразделяются на две группы. С одной стороны, разрабатываются методы идентификации и определения содержания элементов и веществ в почвах (и их фракциях) и таких свойств, которые хорошо известны для различных природных и технических объектов (валовой элементный состав, pH, набор солей и пр.). С другой стороны, разрабатываются методы, позволяющие получить специфические, только почвам свойственные характеристики. К числу таких анализов относится, например, определение группового и фракционного состава гумуса.

Основы классического химического анализа почв были созданы К- К. Гедройцем, а затем значительно расширены и усовершенствова-ны, что нашло отражение в руководствах Е. В. Аринушкиной и Л. А. Воробьевой. Для последних двух—трех десятилетий, как отмечалось выше, характерно быстрое развитие экспрессных и высокочувствительных инструментальных методов. Внедрение инструментальной техники на несколько порядков повысило минимально обнаруживаемые в почвах количества элементов и позволило получить массовые материалы, на основе которых составлены обзорные картосхемы содержания ряда элементов и вместе с тем внедрены методы статистической характеристики для изучения пространственной изменчивости почв.

Новые инструментальные методы открыли огромные возможности не только количественного анализа почв, но и изучения их свойств и строения почвенных компонентов. Рентгенодифрактометрия стала признанным методом определения состава глинистых минералов, а в последние годы наряду с термографией и электронной микроскопией в этих целях используется и инфракрасная спектроскопия.

Расширился арсенал методов изучения природы гумусовых веществ. Методы определения элементного состава и функциональных групп дополнены исследованиями структурных фрагментов на основе газожидкостной хроматографии, определения молекулярных масс с помощью светорассеивания, ультрацентрифугирования, гель-хроматографии, прямых наблюдений агрегатов и структуры гумусовых кислот в электронных просвечивающем и растровом микроскопах, а также методов электронного парамагнитного и ядерного магнитного резонанса и др. Развитие методических работ шло преимущественно по пути использования и внедрения в почвоведение методов, разработанных для иных целей и объектов. Новые методы модифицировались и дорабатывались применительно к специфическим условиям почвенных исследований. Это ускорило темпы исследования и существенно расширило границы познания. Вместе с тем очевидна необходимость значительно большего внимания к разработке специфических характеристик почв, таких как состав поглощенных катионов, различные виды почвенной кислотности и щелочности, способы выделения почвенных растворов, методы анализа группового и фракционного состава гумуса, группового состава фосфатов, нитрификационной способности почв. Нет оснований думать, что все специфические признаки почв уже известны, поэтому работа в этом направлении продолжает оставаться важной составной частью химии почв.

ГЛАВА 2

ЭЛЕМЕНТНЫЙ И ФАЗОВЫЙ СОСТАВ ПОЧВ

Элементный состав почв — первая и необходимая химическая характеристика почв, на которой базируется понимание свойств почв, их генезиса и плодородия. Без знания элементного состава почв глубокие почвенно-химические исследования невозможны.

Элементным составом почв называют набор и количественное соотношение химических элементов в почвенной массе. В качестве синонима «элементного состава» иногда употребляют термин «валовой состав почвы», но он менее точен, поскольку не поясняет, о каком именно составе (химическом, механическом) идет речь. Слово «валовой» означает «общий», состоящий из всех компонентов. Поэтому часто говорят о валовом, или общем, содержании элемента в почве, имея в виду все его количество в почве независимо от форм соединений.

Элементный состав в химии почв и в почвоведении — важнейший показатель химического состояния почв, их свойств и генезиса. Он используется для оценки потенциального плодородия почв, а также при выборе и разработке методов химического анализа почв.

Рассмотрим эти направления более подробно.

1. Элементный состав отражает многие и наиболее важные итоги почвообразовательного процесса. По элементному составу различаются генетические горизонты почв; в частности, перегнойно-аккумулятивные горизонты отличаются повышенным содержанием С, Р, N; в иллювиальных горизонтах накапливается Fe, А1 и ряд других элементов. В элювиальных горизонтах повышено количество кремния и понижено содержание многих других элементов. Иными словами, можно воспользоваться элементным составом как диагностическим признаком при определении вида генетического горизонта.

Совокупность элементных составов генетических горизонтов одного почвенного профиля служит показателем направления почвообразовательного процесса. В качестве примера на рис. 1 показано распреде-

ление углерода органических соединений и валового содержания железа по профилю чернозема и дерново-подзолистой почвы. Для чернозема характерно постепенное убывание с глубиной количества углерода органических соединений и равномерное распределение железа. Это свидетельствует о том, что в черноземной почве не произошло заметного перераспределения по профилю железа (и других минеральных компонентов), а одним из главных процессов является прогрессирующее накопление гумуса без последующего его переноса в профиле.

В дерново-подзолистой почве уже только по этим данным выявляются иные процессы: интенсивное гумусонакопление идет только в самой верхней части профиля с частичным выносом органического вещества в иллювиальный горизонт. Распределение железа указывает на его потерю элювиальным горизонтом (возможно, с разрушением алюмоси-ликатов) и накопление в иллювиальном горизонте. Верхний максимум накопления железа совпадает с перегнойно-аккумулятивным горизонтом; одна из вероятных причин появления этого максимума — биологическое накопление элемента. Даже эти немногие данные элементного состава позволили высказать некоторые положения о наиболее важных процессах, формирующих почвенный профиль. Полный анализ элементного состава позволяет во многих, хотя и не во всех случаях определить главное направление процесса, результат почвообразования. Однако элементный состав ничего не говорит о механизмах протекающих реакций и не дает возможности выявить те процессы, которые связаны только с трансформацией, перестройкой веществ в почве, если эта трансформация не сопровождается пространственной дифференциацией почвенной массы.

2. Элементный состав позволяет в некоторой степени судить о потенциальном плодородии почв. Высокое содержание углерода органических соединений и азота обычно считают признаком плодородной почвы. Высокий уровень накопления хлора — показатель неблагоприятных для растений свойств. Конечно, растениям доступна только часть (и не всегда большая) находящихся в почве элементов питания растений. Элементы, входящие в кристаллические решетки алюмосиликатов, в состав труднорастворимых соединений или в состав негидролизуемых компонентов гумусовых веществ, становятся доступными растениям только после их мобилизации, т. е. после полного или частичного разрушения исходной структуры и перехода элемента в форму легкорастворимого соединения. Тем не менее валовое содержание или запасы элемента показывают, как долго та или иная почва потенциально может •обеспечивать растения при условии полной мобилизации запасов.

Расчет потенциальной обеспеченности типичного чернозема азотом, фосфором и калием приведен в табл. 2. Только в слое 0—20 см запасы

азота достигают 6—11 т/га, и при урожае пшеницы в 30 ц/га этого может быть достаточным на 60—100 лет. Еще больше относительная обеспеченность по фосфору и тем более по калию. Сделанный расчет позволяет оценить только некоторую условную потенциальную возможность почвы при использовании всех запасов. Практически полная мобилизация всех запасов невозможна, но даже мобилизация ближних резервов, как следует из этих расчетов, в течение десятилетий приводит к истощению поч-вы. Полная мобилизация элементов означает полную деградацию, разрушение почвы, превращение почвы в бесплодную смесь оксидов. Следовательно, даже из данных элементного состава почв вытекает необходимость обеспечения бездефицитного баланса всех элементов питания в пахотных почвах.

3. Элементный состав — один из важнейших факторов, который обусловливает выбор методов химического и физико-химического ана-лиза почв. Любая почва содержит большой набор элементов, причем содержание их колеблется от десятков процентов до 10^-9—10^-10%. Многие элементы оказывают взаимное мешающее влияние при химическом анализе, причем соотношение мешающих и определяемых элементов часто складывается очень неблагоприятно. Поэтому при химическом анализе почв широко используются методы концентрирования и различные приемы отделения определяемых элементов от мешающих выполнению анализа.

Элементный состав почвы и ее гранулометрических фракций может быть использован как дополнительный диагностический признак при идентификации почвенных минералов, особенно в тонкодисперсных фракциях.

содержание .. 1 2 3 ..