ХИМИЯ ПОЧВЫ

КОЛЛОИДЫ В СОЗДАНИИ ПОЧВЕННОЙ СТРУКТУРЫ. Связь между гумусовыми кислотами и глинными минералами

Структурной называют почву, частички которой соединены в агрегаты различной формы и величины (зерна, комочки, глыбы). В противоположность этому бесструктурной (или находящейся в раздельночастичном состоянии) считают почву, в которой частички не связаны друг с другом в агрегаты.

Размер, форма и свойства агрегатов зависят от всего комплекса условий почвообразования и характерны для каждого почвенного 'типа и отдельных горизонтов почвенного профиля. Черноземы отличаются комковатым или зернистым строением. Для столбчатых солонцов характерно наличие столбов. Нижние горизонты подзолистых почв имеют ореховатую структуру. Природными бесструктурными почвами являются прежде всего почвы легкого механического состава — песчаные и супесчаные, содержащие очень мало коллоидов.

Особенности структуры культурных почв отражают на себе воздействие человека в процессе сельскохозяйственной деятельности. Мелкокомковатая структура целинных черноземов в процессе распашки распыляется, если не приняты меры к ее сохранению. Хорошо унавоженные участки дерново-подзолистых почв отличаются по своей структурности от выпаханных неудобряемых участков.

Наличие агрономически ценной структуры определяет благоприятные физические свойства почвы и является одним из условий высокого плодородия. Структурная почва обладает значительной некапиллярной скважностью (промежутками между агрегатами); поэтому вода и воздух не являются в ней антагонистами: вода пропитывает комочки, заполняя капиллярные поры, а воздух содержится в более крупных некапиллярных промежутках между агрегатами. При выпадении дождя вода быстро и полностью просачивается в структурную почву и хорошо сохраняется в ней. Наличие воды и воздуха обеспечивает интенсивное течение биологических процессов и накопление питательных элементов в доступной для растений форме. По выражению К. К- Гедройца (1926), «структурность почвы является естественным регулятором противоречий между водным и воздушным режимами почвы».

Какую же структуру следует считать агрономически ценной? Благоприятной структурой считается мелкокомковатая или зернистая структура с размером агрегатов от 0,25 до 10 мм. Помимо этой так называемой макроструктуры, положительное значение может иметь и наличие в почве микроструктуры с размерами агрегатов 0,25 до 0,01 мм. Кроме определенных размеров, агрегаты должны обладать и благоприятными свойствами: водопрочностью, т. е. способностью противостоять размывающему действию воды, и порозностью, которая определяется наличием капиллярных скважин, пронизывающих агрегат, и обусловливает его способность впитывать воду  .

Тяжелосуглинистые черноземы можно считать характерными представителями макроструктурных, а типичные сероземы — микроструктурных почв; некоторые солонцы представляют собой бесструктурные почвы.

Следует указать, что высокие урожаи могут быть получены не только на макроструктурных, но и на микроструктурных и даже на бесструктурных почвах. Примером могут служить высокие урожаи хлопка, выращиваемые на орошаемых сероземах. Но затраты труда для получения высоких урожаев на бесструктурных почвах значительно выше, чем на структурных, и продукция более дорога.

Согласно указаниям В. Р. Вильямса (1940), структурная почва должна содержать 75—80% водопрочных агрегатов размером от 1 до 10 мм. Однако едва ли можно считать, что для всех почвенно- климатических зон оптимальное структурное состояние почвы может выражаться одинаковым процентным содержанием структурных элементов. Очевидно, требования к оптимальной структуре должны быть различными в зонах с большим увлажнением и невысокими температурами, где в отдельные периоды возможен недостаток воздуха в почве и в зонах недостаточного увлажнения, где главной задачей земледелия является сохранение влаги в почве. Ясно, что представления об агрономически благоприятной структуре почвы и ее сложении должны быть разными в различных почвенно-клима- тических зонах. Помимо определенного структурного состава, большое значение для водно-воздушного режима почв, а следовательно, и для их плодородия, имеет плотность сложения почв, которая определяется их объемным весом (г/см3). Оптимальная плотность также, очевидно, различна для разных зон: если значительное уплотнение благоприятно в зонах, где часты сильные ветры, где есть опасность иссушения и выдувания (эрозии) почвы, то во влажных зонах та же плотность может создать анаэробные условия в почве.

Ограничиваясь сказанным о значении структуры, перейдем к вопросу об образовании структуры и факторах, его определяющих. Образование структурных агрегатов происходит за счет склеивания почвенных механических элементов наиболее высокодисперсными частицами — почвенными коллоидами, органическими и минеральными. В различных почвах отношение более крупных механических элементов к коллоидам различно: в легких почвах это отношение велико и коллоидов недостаточно для образования структуры; наоборот, в тяжелых почвах может быть избыток глинистой фракции. Та и другая крайность создают неблагоприятные условия для структурообразования; оптимум находится при каком- то среднем соотношении коллоидов и более крупных механических элементов.

Кроме количества коллоидов, в образовании структуры играет роль и их состав. Органические коллоиды обладают значительно лучшими клеящими свойствами по сравнению с минеральными. Основную роль при этом играют специфические гумусовые коллоиды почвы. Известное значение могут иметь также органические соединения, входящие в состав тел микроорганизмов или являющиеся продуктами обмена их веществ

Коллоиды дают водопрочные агрегаты лишь при склеивании в состоянии гелей; в связи с этим имеет значение состав обменных катионов коллоидов: если в поглощенном состоянии находятся двухвалентные катионы (Са, Mg), образуются агрегаты, обладающие высокой водопрочностью. При наличии среди обменных катионов значительных количеств Na, придающего частицам высокий потенциал, прочные агрегаты не образуются: при увлажнении они легко распадаются, почва заплывает (присутствие Na является причиной отрицательных свойств структуры солонцов). Трехвалентные катионы (А1 и Fe) в поглощенном состоянии, возможно, оказывают в некоторых условиях хорошее структурообразующее действие (краснозем).

Существенную роль в структурообразовании играет также давление. Чем больше поверхность соприкосновения отдельных частичек, тем более прочно они притягиваются друг к другу. Давление, сближая частички, увеличивает поверхности их соприкосновения и дает возможность в полной мере проявиться цементирующему действию тонких пленок воды. Что здесь действительно дело связано с водными пленками, видно из того, что прессование сухой почвы не ведет к структурообразованию.

В почвах может иметь место: а) давление верхних слоев на нижние; б) давление в результате набухания; в) давление корней растений; г) давление при обработке.

Давление верхних слоев, очевидно, имеет значение для структурообразования в нижних слоях почвы.

Явление набухания в почве заключается в том, что почвенные гели, а также отдельные частицы глинных минералов (как минералы монтмориллонитовой группы), придя в соприкосновение с водой, всасывают в себя воду и увеличиваются при этом в объеме, производя при этом давление на окружающие частицы.

Корни растений, распространяясь в почве в процессе роста, раздвигают почвенные частицы и тем самым сближают их с другими частицами и способствуют образованию комков.

В культурных почвах давление создается при обработке; на его значении мы остановимся ниже.

Механизм структурообразования

Изложенные выше общие понятия не дают, однако, представления о самом механизме образования агрегатов. Между тем знание механизма структурообразования позволило бы не эмпирически, а обоснованно направлять мероприятия по сохранению и восстановлению структуры.

Механизм образования структуры представляет собой весьма сложный процесс, исследование которого к настоящему времени далеко еще не привело к полной ясности. Большое участие в изучении структурообразования приняли советские ученые, среди которых должны быть названы И. В. Тюрин, А. Ф. Тюлин, И. Н. Ан- типов-Каратаев, Е. Н. Гапон, Н. А. Качинский, П. В. Вершинин и Др.

Основным клеящим материалом, как уже отмечено выше, соединяющим почвенные частицы в водопрочные агрегаты, являются гумусовые вещества. Агрегаты, образующиеся без участия органического вещества (как это имеет место в нижних горизонтах почв) лишь за счет прилипания минеральных частиц друг к другу, не обладают водопрочностью. Органические коллоиды, коагулируя в почве, осаждаются на поверхности минеральных частиц, образуя •пленки и соединяя между собой высокодисперсные минеральные частицы (< 0,01 мм по А. Ф. Тюлину). Более крупные почвенные частицы оказываются включенными в сеть соединившихся мелких частиц и благодаря этому входят в состав агрегатов («скелетные»* минералы).

А. Ф. Тюлин (1958) еще в 1938 г. пришел к выводу, что на поверхности минеральных частиц гумусовые вещества могут закрепляться::

1)        прочно химически при участии полуторных окислов;

2)        рыхло при коагуляции гуминовых кислот катионами;

3)        оставаться в свободном состоянии, если в почве мало катионов..

Соответственно этому А. Ф. Тюлин делит почвенные водопрочные-

агрегаты на две качественно различные группы:

1)        водопрочные агрегаты, возникшие за счет кальций-гуматных: пленок, пептизирующихся после насыщения натрием из нейтральной соли (I группа по Тюлину);

2)        водопрочные агрегаты, возникшие за счет железо-гуматных: пленок, не пептизирующихся катионом натрия, но пептизирующихся щелочью (II группа по Тюлину).

В чем же заключается связь между гумусовыми кислотами и глинными минералами?

Закрепление гуминовой кислоты (или ее производных) на поверхности кристаллической решетки глинных .минералов может быть объяснено склеиванием, которое осуществляется в процессе дегидратации за счет межмолекулярных форм связи (Л. Н. Александрова, 1962). В процессе образования глино- гумусовых комплексов большое участие принимают полутораокиси. Мостики между гумусовыми веществами и кристаллическими решетками глинных минералов представлены алюмо- и железогумусовыми соединениями, образующимися при взаимодействии гумусовых веществ с несиликатными формами полутораокисей. Именно эти соединения прочно закрепляются на поверхности глинных минералов в процессе склеивания при дегидратации.

И. Н. Антиповым-Каратаевым, В. В. Келлерман и Д. В. Хан 0948) был использован своеобразный метод изучения клеящих веществ, играющих роль при образовании агрегатов в разных почвах, который назван ими методом коллоидно-химического анатомирования почвенных агрегатов. В дальнейшем эти работы были продолжены (Антипов-Каратаев и Келлерман, 1960). Метод заключается в следующем: почвенные образцы рассевались на ситах в воде, что позволяло выделить водопрочные агрегаты различных размеров. Затем отдельный агрегат (обычно 2—3 мм) последовательно обрабатывался на часовом стекле реактивами, рассчитанными на удаление одного за другим клеящих веществ, и просматривался под микроскопом ( 41).

1.         На первой стадии (I) обработка велась буферным раствором 0,1 н. NaOH -j- 0,1 н. Na2C204 (рН оо 11,5), который пептизирует и позволяет удалить свободные и рыхлосвязанные органические вещества, адсорбированные на поверхности глинистых частиц.

2.         На второй стадии (II А) используется реактив Тамма — Н2С204 + (NH4)2C204 С рН 3,2 при помощи которого растворяются и удаляются подвижные полуторные окислы, т. е. из органомине- ральных коллоидов извлекается неорганическое звено.

3.         На третьей стадии (II Б) повторяется обработка первым реактивом (NaOH + Na2C204 с рН оо 11,5) для перевода в раствор органического вещества, освободившегося после удаления полуторных окислов.

4.         И, наконец, на четвертой стадии (III) при помощи осторожного окисления гипобромитом натрия уничтожаются те органические клеящие вещества, которые еще сохраняются после предыдущих обработок, и, очевидно, представляют собой гумусовые вещества типа гуминов.

Описанные последовательные обработки приводят, как это видно из  41, к постепенному распаду агрегата на микроагрегаты и, в конечном счете, на первичные элементы, причем самый ход этого распада позволяет судить об относительном значении тех или иных форм связи в образовании агрегата данной почвы.

Так, в черноземной почве агрегаты значительно распадаются уже после I обработки, т. е. после удаления рыхлосвязанных гуматов, но, видимо, первичные агрегаты (микроагрегаты) связаны еще прочно удерживаемыми гумусовыми веществами (гуминами). Такой тип связи называется рыхло-гуматно-глинистым. В темносерой почве в создании прочных структурных агрегатов по сравнению с черноземом повышается роль полуторных окислов. Тип связи: железисто- глинисто-гуматный. В образовании агрегатов кислых почв (подзолистых и красноземов) наряду с полуторными окислами существенную роль играют фульвокислоты, преобладающие здесь среди гумусовых кислот (гуматно-фульвожелезистый и фульвожелезисто-гуматный тип связи).

Природа гумусовых веществ оказывает влияние на пористость агрегатов (В. В. Келлерман, 1959): при склеивании агрегатов фульвокислотами (или их соединениями с полуторными окислами) агрегаты равномерно пропитываются органическим веществом и имеют слитой вид; при пропитывании же агрегатов гуминовымн кислотами они приобретают пористый характер благодаря «узловому» распределению органического вещества. Разница в распределении гумусовых веществ в агрегате объясняется их различным отношением к коагулирующему действию кальция: фульвокислоты не осаждаются кальцием и свободно распределяются в агрегате, тогда как подвижность гуминовых кислот ограничены коагуляцией под влиянием Са, что и вызывает их «узловое» распределение и связанную с ним пористость агрегатов.

Благодаря малой пористости агрегатов в подзолистых почзах структура их агрономически менее ценна, чем структура черноземов.

Разрушение и восстановление структуры под влиянием сельскохозяйственной культуры

Определенное структурное строение, характерное для почвенных типов, в целинных, покрытых естественной растительностью почвах сохраняется в течение длительного времени, лишь медленно изменяясь соответственно ходу почвообразовательного процесса. В противоположность этому в почвах, находящихся в сельскохозяйственной культуре, структурное состояние чрезвычайно динамично: здесь интенсивно протекают процессы разрушения и восстановления структуры.

Наряду с механическим разрушением агрегатов в обрабатываемых почвах, хорошо аэрируемых, усиливаются по сравнению с целинными почвами процессы минерализации органических веществ, уменьшающие запасный фонд для образования клеящего материала. Образующиеся при минерализации кислоты (Н2С03, HN03 и др.) вытесняют своими водородными ионами щелочноземельные основания (Са, Mg) из поглощенного состояния и тем самым также ослабляют связи между частицами.

Однако сказанное отнюдь не означает, что сельскохозяйственная культура неизбежно приводит к разрушению почвенной структуры и снижению плодородия. Правильно построенная и неуклонно выполняемая система агротехнических мероприятий позволяет не только сохранять структуру, но и улучшать ее.