РОЛЬ КОЛЛОИДОВ В СОЗДАНИИ ПОЧВЕННОЙ СТРУКТУРЫ (1968 год)

РОЛЬ КОЛЛОИДОВ В СОЗДАНИИ ПОЧВЕННОЙ СТРУКТУРЫ (1968 год)

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. Некоторые данные для целинных и культурных почв СССР приведены в табл. 95.

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 .
Методы определения структурного состава почв и свойств почвенных агрегатов описаны в руководствах по изучению физических свойств почв (Корчагина и Вадюнмиа, 1960).

Таблица 95 Содержание водспрочных агрегатов (в %) в некоторых почвах СССР (из Ревута, 1960)

Тяжелосуглинистые черноземы можно считать характерными представителями макроструктурных, а типичные сероземы — микро-структурных 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 почвенноклиматических 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-климатических 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 высоко-дисперсными 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 рать 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 .

При разложении в почве легкоподвижных органических веществ образуются клеящие вещества, которые улучшают структуру почв. Из бактерий выраженной способностью к агрегированию обладают Cylophaga, клубеньковые бактерии, а из грибов — разные виды Trickodep/na, Aspergillus. Водопрочную структуру создают бактериальные слизи (Гельцер, 1940), клеящая способность которых связана .с наличием н их составе полисахаридов и аминосахаров.

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 водопрочностыо. 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 структурообразования 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 но 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 пептизирукмцихся щелочью (II группа по Тюлину).

Разницу в поведении агрегатов I и II групп Тюлин объяснял на основании схем связи, предложенных Е. II. Гапоном (1937). По схеме Е. Н. Гапона, Са-гуматы связываются с алюмосиликатными частицами следующим образом:

что соответствует I группе агрегатов Тюлина. В приведенной схеме гуминовая кислота представлена в виде

Схемы Гапона были в свое время широко признаны. Однако дальнейшие исследования не подтвердили представления об образовании органоминеральиых коллоидов (по схеме Гапона), в которых имеется химическая связь через главные валентности между кристаллической решеткой минерала и гуминовой кислотой. В работе Александровой и Надь (1958) было выяснено, что все функциональные группы гуминовой кислоты при ее взаимодействии с глинными минералами остаются свободными: во всех опытах сохранялась полная аддитивность емкости катионного обмена.

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 глиногумусовых 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 (1948) 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 (рис. 41).

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 рис. 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 гуминовыми кислотами они приобретают пористый характер благодаря «узловому» распределению органического вещества. Разница в распределении гумусовых веществ в aгpeгaтe 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 почвах структура их агрономически менее ценна, чем структура черноземов.

Рис. 41. Распад агрегатов (2—3 мм) при последовательном снятии «клеев»

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 (Н2СО3, HNО3 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.

Остановимся несколько на значении обработки почвы. При обработке создается давление на почву сельскохозяйственных машин, работающих людей. Мы видели выше, что давление в естественных почвах относится к положительным факторам структурой образования. В культурных почвах характер воздействия обработки на структуру зависит от условий, в которых она производится. Из практики известно, что при обработке сухой почвы не получается иного эффекта, кроме дробления агрегатов, разрушения структуры. Наоборот, при очень большой влажности почвы вспашка дает крупные комья, засыхающие в глыбы. При некоторых средних величинах (60—70% от полной влагоемкости (Такое состояние почвы принято называть «спелостью» почвы, ее готов ностью к обработке.)) в результате обработки образуется благоприятная структура (Виленский и Германова, 1934). Таким образом, правильный выбор момента для обработки (в смысле влажности почвы) позволяет свести до минимума разрушительное влияние обработки на структуру.

Однако самая правильная обработка не может компенсировать, потери органического вещества в результате усиления интенсивности процессов минерализации в обрабатываемых почвах. Необходимо постоянное возобновление запасов органического вещества. Свежее органическое вещество —«деятельный перегной»— образует новые агрегаты и поддерживает благоприятное структурное состояние почвы.

Источником свежего органического вещества в почвах прежде всего являются культурные растения, оставляющие корневые и пожнивные остатки. При этом значение разных групп культурных растений (многолетние травы, однолетние культуры сплошного посева, пропашные культуры) неодинаково. Перечисленные группы культур отличаются между собой: а) по характеру корневых систем; б) по количеству оставляемых органических остатков; в) по сроку, в течение которого они занимают поле; г) по характеру обработки, связанному с данной группой культур. Большое значение имеет высота урожаев культурных растений. Чем выше урожай любой группы растений, тем больше он оставляет органических остатков — материала для гумусообразования.

До недавнего времени образование перегноя всегда связывалось с разложением отмерших частей растительных и животных организмов. В настоящее время известно, что перегной образуется главным образом в процессе жизни растений. Так, под многолетними травами наибольшее количество гумуса имеется перед распашкой, и после подъема пласта начинает снижаться, несмотря на значительный запас корневых остатков, имеющихся в это время в почве. Очевидно, во вспаханной почве скорость гумификации ниже скорости минерализации.

Как же происходит образование перегноя в почве при жизни растений? За последние 30 лет микробиологами установлено, что в период жизни растении около их корней и на корнях образуется зона, обогащенная бактериями, использующими корневые выделения живых корней. В этой зоне (ризосфере) происходит образование гумуса и за счет его клеящих свойств накопление водопрочных агрегатов. Ф. Ю. Гельцер (1959) приводит следующие данные полевых опытов: количество ризосферных бактерий у ячменя достигало 140 млн., у клевера 1 года пользования — 180 млн., а второго года пользования — 230 млн. на 1 а корней. Водопрочных агрегатов в прикорневой зоне этих растений содержалось соответственно: 21, 28 и 35% от веса почвы.

Помимо возделываемых культур, накопление перегноя достигается и внесением органических удобрений: навоза, компостов, торфа, зеленого удобрения. Как уже отмечалось выше (стр. 96), от 1/4 до 1/3 углерода навоза, внесенного в качестве удобрения, превращается в углерод гумуса. Систематически унавоживаемые, богатые гумусом почвы отличаются и хорошей структурой.

В табл. 96 приведены данные, показывающие относительное влияние различных факторов на структурное состояние дерново-подзолистой почвы в длительном опыте ТСХА, который мы уже не раз цитировали.

Таблица 96
Структура почвы (водопрочные агрегаты в % от веса почвы) в слое 0—20 см дерново-подзолистой почвы в зависимости от культуры
и удобрений. Опытное поле ТСХА (1912—1955) (по Балеву и Карастояновой, 1957)

Как видно из табл. 96, бессменный пар в отсутствие удобрений привел к полному распылению почвы. Внесение минеральных удобрений, которые, как мы видели выше (см. табл. 21), несколько повысили содержание гумуса в почве пара, привело к ничтожному повышению количества структурных элементов. Незначительное улучшение структуры в пару произошло и при систематическом внесении навоза. Иная картина наблюдается под растениями:

количество водопрочных агрегатов > 0,25 мм здесь во много раз больше, чем в почве пара; внесение удобрений, особенно навоза, усиливает структурообразующее действие растений. Следует отметить, что основная масса агрегатов в дерново-подзолистой почве опыта имеет размеры 1—0,25 мм и максимальное их содержание не превышает 46%.

Зависимости, иллюстрируемые данными табл. 96, относятся к дерново-подзолистой почве и, конечно, должны иметь иное количественное выражение для других почв; однако ведущее значение растений в структурообразовании, очевидно, имеет место в любой зоне.

В тридцатых годах совётские исследователи (Н. И. Саввинов, Г1. В. Вершинин, Ф. Е. Колясев) начали работу по искусственному структурообразованию путем внесения в почву веществ, способных склеивать распыленную часть почвы в водопрочные агрегаты размером от 0,25 до 10 мм. Первыми из таких веществ были: торфяной клей (гумат калия), полученный путем обработки торфа щелочами; смоляной клей (натриевая соль абиетиновой кислоты); коллоид А (яично-белковый комплекс); вискоза. Внесение этих веществ в почву значительно увеличивало содержание в ней водопрочных агрегатов; полевые опыты, проведенные в 1934—1938 гг. с разными культурами, показали существенное повышение урожая в результате внесения структурообразователей. Однако этот прием повышения плодородия не привлек в довоенный период достаточного внимания. Одной из причин этого была необходимость внесения высоких доз структурообразующих веществ (для торфяного клея — 10—20 т/ га).

В послевоенные годы поиски структурообразователей широко развернулись за рубежом, особенно в США, ГДР; в этих исследованиях применяются высокомолекулярные полимеры, изготовляемые промышленностью. Успешные результаты были получены в опытах с соединениями акриловой и метакриловой кислот,— так называемыми крилиумами. Известность получили крилиумы марок: HPAN — гидролизованный акрилонитрил; VAMA — сополимер поливинилацетата и малеиновой кислоты; NaPA — натриевая соль полиакриловой кислоты. В Советском Союзе создано и испытано полимерное соединение Сополимер VIII, состоящее из метакри-ловой кислоты и метакриламида; полиакриламин К4, создает хорошую структуру сероземов. Особенностью полимеров в качестве структурообразователей является их способность производить структурообразующий эффект в дозах порядка 0,05% от веса почвы и меньше.

Структурообразователи должны быть растворимы в воде: это обусловливает возможность их равномерного распределения в почве. После взаимодействия с почвой они переходят в нерастворимое состояние,— этим определяется водопрочность образованных ими агрегатов.

По характеру перехода веществ, укрепляющих структуру, в нерастворимое состояние их можно разделить на две группы: ионообменных и неионообменных (Вершинин, 1960). Ионообменные вещества переходят в нерастворимое состояние (коагулируют) в результате обмена их катионов на катионы почвенных коллоидов. Так, торфяной клей, представляющий собой гумат К (золь), при внесении в почву коагулирует, обменивая свой К на Са или Н почвы; при высыхании гумат Са или гуминовая кислота адсорбируется на почвенных частицах или микроагрегатах и соединяет их в качестве клея. У неионообменной группы структурообразующих веществ переход в нерастворимое состояние не зависит от обменных реакций и у разных представителей этой группы происходит по-разному. Так, вискоза, оставленная в виде раствора на воздухе, регенерирует в целлюлозу иод влиянием СО2 воздуха и переходит из золя в гель, не растворимый в воде.

Активность полимеров в почвенных условиях зависит от относительного содержания в них функциональных групп: она возрастает с повышением функциональности до максимума и затем падает при дальнейшем повышении относительного числа функциональных групп. Благодаря линейной форме уроновых кислот, входящих в состав крилиумов, они легко сорбируются глинными минералами, переплетаясь с ними, и тем способствуют образованию агрегатов. Характер взаимодействия полимеров с почвенными коллоидами еще далеко не ясен и требует дальнейших исследований.

К требованиям, предъявляемым к структурообразующим веществам, относятся: 1) стойкость против разрушающего действия микроорганизмов и 2) воспроизводимость агрегатов после механического разрушения; если структурообразователь отвечает этим требованиям, положительное влияние его на почву сохраняется в течение нескольких лет.

Различные почвы и горизонты почв по-разному относятся к оструктуривакхцему действию крилиумов. В опытах Н. А. Качин-ского и сотрудников (1961) для светло-каштановой слабосолонцеватой тяжелосуглинистой почвы потребовалось больше структурных клеев, чем для лугово-каштановой суглинистой почвы. Перегнойно-аккумулятивный горизонт (А1) подзолистой почвы оструктуривается лучше, чем подзолистый горизонт (А2). Распространенные на юге Красноярского края черноземы-пыхуны с очень небольшим содержанием макроагрегатов (> 0,25 мм) через 2 недели после внесения полимера К-4 в количестве 0,05—0,1% содержали до 70—80% агрегатов > 0,25 мм (Костиков, 1964).

Пока структурообразующие вещества еще очень дороги и поэтому не могут применяться в широких масштабах для повышения урожая сельскохозяйственных культур. Но и сейчас применение их может помочь в некоторых особых случаях: в борьбе с распылением почвы на аэродромах; с оползнями на каналах; для оструктуривания почвы под ценными культурами.

содержание .. 16 17 18 19 ..