Вопросы.

1.Химия почв как раздел почвоведения , ее содержание и задачи.

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.

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-мо-

.лекулярном 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

шоглотительной 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.

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, Ca, Mg, К, Р, S, C1, С, N), но и большого набора микро- 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-

л-енеза или изменяющихся в результате техногенеза. Менее подробно

изучен фазовый, или вещественный, состав почв, хотя для управления

лочвенно-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 принципы 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 в

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 рН,

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, рН, 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-

яы, 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.