Биокосные системы Земли

Почвоведение в XX в.

В XX в. развитие почвоведения протекало под флагом докучаевских идей. Знаменательным стало внедрение нового учения в западноевропейскую и американскую науку. Коллективная работа почвоведов всех стран позволила в последние годы сделать фундаментальные обобщения как в области общей теории почвообразования, так и в систематике почв нашей планеты, приступить к составлению почвенной карты мира.

Не будет преувеличением сказать, что почвоведение стало одной из фундаментальных естественно-исторических наук о Земле. «Именно здесь, в почвах, сосредоточена геологическая работа живого вещества; именно в почвах готовится тот материал континентальных и морских отложений, из которых в дальнейшем образуются новые породы. Но в то же время в почвах в наибольшей степени сосредоточены и те процессы, совокупность которых обусловливает эволюцию органического мира. Здесь разыгрываются многообразные формы борьбы за существование и приспособления организмов к изменяющимся условиям их жизни, создаются многообразные сообщества (биоценозы) и формируются новые виды многочисленных низших и высших растений. Этим определяется значение в естествознании и новой области явлений — почвенной пленки и новой, посвященной ей, науки — почвоведения», — писал Б. Б. Полынов в 1947 г.[4]

Глубокие исследования сущности почвообразовательного процесса позволили использовать почвоведение для решения самых различных практических вопросов в сельском хозяйстве (агрономическое почвоведение), лесоводстве (лесное почвоведение), мелиорации (мелиоративное почвоведение), дорожном строительстве (дорожное почвоведение и грунтоведение), медицине (санитарное почвоведение), при поисках полезных ископаемых и т. д.

Геохимические идеи в почвоведении. С начала XX в. развиваются исследования почв, по своей методологии близкие к зарождавшейся в то время геохимии. Крупным представителем этого направления стал последователь Докучаева профессор Петербургского лесного института П. С. Коссович (1862—1915). Его работа о круговороте серы и хлора на земном шаре и по названию и по существу была чисто геохимической. Пересчет химических анализов «по Коссовичу» позволял оценивать интенсивность миграции химических элементов в почве.

Константин Каэтанович ГЕДРОЙЦ (1872—1932)

Учеником и сотрудником Коссовича был один из наиболее ярких представителей докучаевского почвоведения — К. К. Гедройц. Его труды оказали огромное влияние на современников. В 20—30-е годы почвоведение в Советском Союзе, а частично и в других странах, переживало, как сказал Б. Б. Полынов, «гедройцевскую эпоху». Однако начало деятельности К. К. Гедройца было более чем скромным. Многие годы (1908—1921) его труды не привлекали большого внимания русских почвоведов, увлеченных главным направлением тогдашней науки — изучением почв огромных просторов России. Такие работы имели явную практическую направленность; на них выделялись немалые средства, и, что также имело немаловажное значение, во главе почвенно-географических работ стоял непосредственный ученик В. В. Докучаева, крупный ученый и хороший организатор К. Д. Глинка. Он объединил под своим руководством большой коллектив почвоведов-географов, из которых позднее вышли многие известные ученые. (В советское время К. Д. Глинка стал первым почвоведом — действительным членом Академии наук, в 1927 г. был назначен директором Почвенного института им. Докучаева).

Константин Дмитриевич ГЛИНКА (1807—1027)

На фоне почвенно-географических работ, поражавших воображение своим размахом, привлекавших ученых полной неисследованностью таких районов, как амурская тайга, Забайкалье, горы Алтая и Тянь-Шаня, скромные лабораторные опыты, проводимые Гедройцем почти в одиночку, казались узким, частным вопросом. Этому немало способствовали и личные качества Гедройца, и, вероятно, его профессия химика-почвоведа, требовавшая углубленной, сосредоточенной, спокойной, внешне однообразной работы в лаборатории. Гедройц не любил шумную аудиторию. Он предпочитал уединение, чтобы решить по существу один научный вопрос, занимавший его с 1908 по 1932 г., — о поглотительной способности почв.

Само явление поглощения было довольно обстоятельно изучено задолго до работ Гедройца. Почвоведы знали, что почва способна поглощать газы, пары и растворенные вещества, что при фильтрации растворов часть растворенных веществ поглощается почвой, а в раствор переходят некоторые вещества из твердой фазы. Таким образом, почва как бы обменивала одни элементы на другие. Было также установлено, что поглотительной способностью преимущественно обладает наиболее тонкая (высокодисперсная) фракция почвы, главным образом почвенные коллоиды с величиной частиц менее 0,25 мк (2,5·10^-4 см). Изучению почвенных коллоидов и их обменной поглотительной способности и посвятил свои многолетние исследования Гедройц. Он нарисовал новую картину самого явления, объяснил его сущность и, что самое главное, показал огромную роль его в жизни почвы, а также при решении вопросов мелиорации, удобрения, обработки почв. В результате развитию почвоведения был дан мощный импульс.

Что же установил Гедройц?

Фракцию почвы, обладающую поглотительной способностью, ученый назвал почвенным поглощающим комплексом (ПК). Гедройц доказал, что комплекс содержит катионы, способные обмениваться на катионы, находящиеся в растворе, причем обменная реакция обратима, а сам обмен носит эквивалентный характер, например:

Как видим, в твердой части почвы в обменном состоянии находится двухвалентный катион (Са²⁺), а в растворе — хлорид одновалентного металла натрия, диссоциировавший на катион (Na⁺) и анион (Cl^-). Катион натрия из раствора (Na⁺) поглощается ПК, а взамен из ПК в раствор переходит обменный катион Са²⁺. Вскоре между ПК и раствором наступит равновесие — в ПК и в растворе будут Са²⁺ и Na⁺. Но если процесс протекает в динамическом режиме, т. е. в почву поступают все новые и новые порции раствора (например, при засолении грунтовыми водами), то постепенно состав ПК может измениться и в нем вместо Са²⁺ начнет преобладать Na⁺ (рис. 1).

Исследования Гедройца показали, что в ПК почти всех почв входят обменные кальций и магний, в некоторых почвах содержатся также обменный натрий и водородный ион (Н⁺).

Позднее сам Гедройц и особенно его ученики и последователи доказали, что среди обменных катионов могут присутствовать также алюминий (Al³⁺), марганец (Mn²⁺) железо (Fe²⁺), аммоний (NH₄⁺), калий (K⁺), микроэлементы — Ba²⁺, Sr²⁺, Cu²⁺, Ni²⁺ и т. д.

В некоторых почвах ПК содержит и обменные анионы — SO₄^2-, Cl^-, PO₄^3- и др. Общее количество обменных катионов в почве обычно не превышает 1%, однако их роль отнюдь не пропорциональна количеству — она исключительно велика и определяет многие важнейшие характеристики почв, своеобразие отдельных типов. Различия, между черноземными, подзолистыми, солонцовыми и другими почвами Гедройц объяснял с позиций своего учения о поглощающем комплексе.

Рис. 1. Опыт, демонстрирующий обменную адсорбцию катионов (n и m — эквивалентные количества ионов)

Огромная заслуга Гедройца заключалась не только в исследовании сущности поглощения, но и в разработке аналитической методики определения обменных катионов, внедрившейся во все почвенные лаборатории мира.

Как же с позиций нового учения о поглотительной способности почв происходит формирование поглощающего комплекса, накопление обменных катионов? Легче всего разобрать этот вопрос, если рассмотреть почвообразование на гранитах и других изверженных породах, которые не содержат поглощающего комплекса.

В результате поселения и деятельности на скальной поверхности изверженных пород лишайников, а затем и высших растений начинается образование почв. Разложение органических остатков, выветривание минералов постепенно приводят к накоплению тонкодисперсных частиц — гумуса, глинистых минералов. Каждая частица обладает одной важной особенностью: атомы, расположенные внутри частицы, полностью уравновешивают свои валентности за счет соседних атомов, а атомы, расположенные на поверхности, уравновешивают не все валентные связи. Они-то и способны притягивать ионы из раствора, превращая их в обменные катионы и анионы (в зависимости от качества атомов). С этих позиций становится понятным, почему поглотительной способностью обладает преимущественно коллоидная часть почвы: только она имеет большую суммарную поверхность, большую поверхностную энергию.

Хотя обменные катионы и принадлежат к твердой части почв, они находятся в равновесии (или стремятся к такому равновесию) с катионами почвенного раствора. Поэтому почвы, в растворе которых среди катионов преобладают Са²⁺ и Mg²⁺, имеют ПК, насыщенный этими катионами. К таким почвам относятся черноземы. При разложении степной растительности в почву поступает много кальция и магния, которые постепенно насыщают поглощающий комплекс (в первую очередь кальций). Так ПК становится кальциево-магниевым. Это определяет специфические свойства почв — их нейтральную и слабощелочную реакцию[5], прочную структуру, высокое плодородие и т. д. Недаром Докучаев называл чернозем «царем почв» — в этом сказался и благоприятный для растений состав катионов.

Совершенно по-иному развиваются процессы в почвах тайги, где разложение хвои и других растительных остатков дает много органических кислот, для нейтрализации которых не хватает катионов кальция и магния. Поэтому в ПК в первую очередь входит водородный ион и в меньшей степени Са²⁺ и Mg²⁺. В результате ПК состоит уже из трех катионов — Н⁺, Са²⁺ и Mg²⁺. Это определяет так называемую обменную кислотность подобных почв, их менее благоприятные, чем у черноземов, агрономические свойства. Теория Гедройца объяснила, как нужно улучшать подзолистые почвы известкованием — надо вносить столько Ca, чтобы полностью вытеснить из ПК обменный водород. Так новая теория помогла практике решить исключительно важный вопрос о мелиорации кислых почв, занимающих большие площади в нечерноземной зоне нашей страны.

Подлинным триумфом теории Гедройца явилось объяснение процессов образования солончаков и солонцов и способов их мелиорации. Почвенные исследования в России, а также в Венгрии и США установили, что среди засоленных почв имеются содержащие соли как на поверхности, так и на некоторой глубине (30—50 см и более). Последние часто имеют щелочную реакцию, в связи с чем именовались за рубежом щелочными почвами (alkali soils). При почвенно-географических исследованиях те и другие почвы нередко именовались солончаками пли солонцами: четких различий между этими терминами не было, генетическая связь между двумя группами была неясна. После работ К. К. Гедройца почвоведы стали вкладывать строгое и конкретное содержание в термины «солончак» и «солонец», считая их разными типами почв (неспециалисты и сейчас нередко употребляют оба термина в одинаковом смысле).

Гедройц экспериментально доказал, что при засолении натриевыми солями (а в природе засоление практически всегда носит такой характер) в почве не только накапливаются сульфаты и хлориды, но натрий входит в поглощающий комплекс, вытесняя оттуда часть кальция и магния. Подобную почву ученый и предложил именовать солончаковой, или солончаком. Следовательно, в солончаке ПК содержит Са²⁺, Mg²⁺ и Na⁺, причем натрий может преобладать и ПК в основном становится «натриевым». Солончаки образуются в аридных ландшафтах на участках близкого залегания грунтовых вод — на поймах и дельтах, низких побережьях, в озерных котловинах и т. д. Весьма характерны солончаки для пойм южных рек — Сырдарьи, Амударьи, Куры, Терека, низовьев Дона, Волги, Урала и т. д.

Промывая образцы солончаков пресной водой, Гедройц добился удаления солей из почвы, но поглощающий комплекс почвы продолжал содержать натрий. Такую почву, в верхних горизонтах которой уже нет растворимых солей, но ПК содержит много обменного натрия (более 30% суммы обменных катионов), Гедройц предложил именовать солонцом. Следовательно, солонцы образуются из солончаков при их рассолении, когда растворимые соли удаляются, по натрий сохраняется в поглощающем комплексе. Как показал Гедройц, ПК, насыщенный натрием, диспергируется в воде, в связи с чем солонцы легко набухают, образуя во влажную погоду липкую бесструктурную массу, а в сухую — исключительно твердые столбы и глыбы. Так изящно и просто удалось объяснить характерные физические свойства солонцов, играющие весьма отрицательную роль в сельском хозяйстве и дорожном строительстве (грунтовые дороги на солонцах в дождливую погоду почти непроходимы).

Рис. 2. Схема распределения солончаков и солонцов в долинах степных рек.

1 — засоление почв — образование солончаков, вхождение натрия в поглощающий комплекс; 2 — рассоление почв — образование солонцов, вымывание солей из верхних горизонтов почв, формирование рассоленного солонцового горизонта В, поглощающий комплекс которого содержит много обменного натрия; 3 — верхняя граница засоленного горизонта; 4 — былой уровень залегания грунтовых вод (в пойменную стадию)

Простое объяснение с этих позиций получило и строение профиля солонцов, где под солонцовым горизонтом В₁, содержащим обменный натрий, залегает солевой горизонт В₂, в который при рассолении вмываются соли из верхней части почвы.

Замечательным результатом применения повой теории явилось объяснение важной закономерности размещения солонцов — их приуроченности ко вторым и третьим террасам рек, на поймах которых развиты солончаки. При врезании рек и превращении пойм в террасы почвы отрываются от грунтовых вод и засоление сменяется рассолением (в результате промывания почв атмосферными осадками). Поэтому одновременно с превращением поймы в террасу солончак превращается в солонец (рис. 2).

Дальнейшие исследования показали, что солонцы могут образоваться не только в результате рассоления солончаков, но и другим путем. Однако основные положения теории Гедройца выдержали проверку временем и вошли в фундаментальные основы почвоведения.

Учение Гедройца о поглощающем комплексе имело большое значение и для развития других наук о Земле, так как коллоидная фракция и обменные катионы характерны для всех глин и илов. Например, дорожные и строительные свойства грунтов тесно связаны с их обменными катионами, в связи с чем в трудах по грунтоведению учению Гедройца уделяется видное место. Было установлено, например, что грунты, ПК которых насыщен натрием, обладают ничтожной фильтрацией. Чтобы уменьшить фильтрацию, борьба с которой составляет одну из важных задач мелиораторов, украинский почвовед А. Н. Соколовский предложил искусственно насыщать катионом натрия ПК ложа каналов и водохранилищ.

В 1925 г. Гедройц разработал классификацию почв, среди которых по составу обменных катионов выделил четыре основных типа почвообразования:

1) латеритный (в ПК преобладает обменный водород, обменных Са и Mg мало);

2) подзолистый (в ПК наряду с обменным водородом имеются Са и Mg);

3) черноземный (ПК насыщен Са и Mg);

4) солонцовый тип (ПК содержит обменный натрий, но есть Са и Mg).

Эта работа произвела сильное впечатление на современников тем, что в основу классификации автор положил внутренние свойства почв, а не факторы почвообразования, как это нередко имело место в прежних работах. В той или иной степени идеи Гедройца нашли отражение во всех последующих классификациях почв как в нашей стране, так и за рубежом. Особенно большое значение им придавал известный венгерский почвовед А. Зигмонд (1873—1939).

Гедройц официально не причислял себя к геохимикам. Однако ученый сделал объектом своего исследования химический элемент; он изучал его историю в почвах, его миграцию и вслед за своим учителем Коссовичем применил в исследовании геохимическую методологию. Поэтому Гедройца можно считать не только основателем химии, но и основателем геохимии почв, изучающей историю химических элементов в почве. Это направление получило широкое распространение уже после смерти Гедройца в трудах Б. Б. Полынова, В. А. Ковды, М. А. Глазовской, Г. В. Добровольского, К. И. Лукашева и других почвоведов.

Б. Б. Полынов определил интенсивность миграции химических элементов в почвах, изучал поведение элементов в процессах засоления, создал теорию биогенного генезиса глинистых минералов в почвах. Эти его труды послужили основой для разработки геохимии коры выветривания и ландшафтов, о чем мы еще будем говорить в других разделах книги.

Развивая идеи Гедройца и Полынова, В. А. Ковда охарактеризовал геохимию процессов засоления и рассоления, использовал геохимические принципы при классификации почв мира. Ученый разработал эволюционногенетическую систему классификации почв мира, самой крупной таксономической единицей которой являются почвенно-геохимические формации (формации кислых аллитных почв, нейтральных и слабощелочных монтмориллонитовых почв, кислых каолинитовых почв и т. д.). Геохимическим параметрам в этих построениях отводится почетное место.

Наиболее глубокое обоснование геохимические принципы классификации почв получили в трудах М. А. Глазовской. По сочетанию двух признаков — щелочно-кислотных и окислительно-восстановительных условий — она выделила 11 геохимических ассоциаций почв, которые, в свою очередь, разделяются на генерации и семейства. Большое значение классификации Глазовской состоит в использовании геохимических параметров, играющих действительно ведущую роль в жизни почв. Обменные катионы в классификации Глазовской также учитываются, но таксономический ранг этого признака более скромный, соответствующий его роли в почвообразовании.

Другое направление геохимии почв — изучение поведения отдельных элементов в почвах, в первую очередь микроэлементов. Начало этому направлению было положено в 1913 г. статьей В. И. Вернадского о химическом составе почв, в которой ученый ставил вопрос о необходимости определения в почвах рубидия и газов. В дальнейшем Вернадский не раз обращался к вопросу об анализе почв с геохимической точки зрения. В 1950 г. ученик Вернадского акад. А. П. Виноградов (1895—1975) опубликовал монографию, в которой охарактеризовал содержание в почвах бора, фтора, брома, йода, мышьяка, селена, лития, рубидия, хрома, цезия и других микроэлементов. В последнее десятилетие число исследований по микроэлементам в почвах растет очень быстро.

Химические элементы находятся в почвах в различных формах: в виде свободных ионов в растворе, в поглощенном и рассеянном состоянии, входят в органическое вещество и неорганические соединения — минералы. Содержание последних особенно велико и часто составляет 95—99% веса почвы. Поэтому так важно минералогогеохимическое изучение почв.