ОБОБЩЕННАЯ МОДЕЛЬ ХИМИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОЧВЫ
 (вариант на материалах по Уральскому региону)  // Сохраним планету Земля: Сборник докладов Международного экологического форума, 1-5 марта 2004 года; СПб./ Под ред. Б.Ф.Апарина; Центральный музей почвоведения им. В.В.Докучаева, СПб; 2004. - С. 383-388

И.М.Гаджиев¹, А.В.Накаряков².

¹ИПА СО РАН; ²Пермский университет

Для теории почвообразования, мелиорации, агротехнологии, применения удобрений, охраны почв, рекультивации почв большое значение имеют механизмы почвенно-химической активности, формы нахождения элементов в почве. Под формами элементов обычно понимают различные категории их состояния, например в состав каких групп соединений они входят (минералы, органические вещества, фракции механического состава и др.), способы извлечения из почвы при различных анализах (воднорастворимые, подвижные, фиксированные, валовые), доступность растениям (доступные – недоступные формы) и т.д. Обычное состояние элементов в почве – ионы в составе молекул, коллоидов или кристаллических решеток (исключения составляют углерод угля, газы, экзотические вещества).

Конкретные почвенно-метаболические механизмы воспринимаются быстрее и эффективнее, если есть наглядный общий абрис распределения веществ по разным уровням химической активности. Также понимание цифровых результатов анализов облегчается, когда есть модель (пусть и грубая) общей картины реагентов в объекте анализа. Подобную роль выполняют, например, кларки.

С изложенными обстоятельствами связаны вопросы интерпретации данных анализов и, главное, реконструкции процессов, ради выявления которых анализы проводятся. Это сложная и «постоянно действующая» проблема. Когда с 1970 г активизировались исследования по рекультивации почв, в среде ортодоксальных почвоведов было распространено категорическое мнение, что методики, разработанные для почвы, как вещества Апах, непригодны для характеристики аналогичных свойств пород, подлежащих рекультивации. Ситуацию изменила статья Н.И.Горбунова с соавт. (1971) в «Почвоведении». Все-таки для обеспечения сопоставимости пришлось включать в исследования «почву» как эталон сравнения и, с другой стороны, использовать широкий спектр методик. Это значительно увеличивало объем лабораторно-аналитической работы. Постепенно за 30 лет сформировался большой банк данных, разных по природе почвенных образцов: с техногенных ландшафтов отработанных россыпей и выработанных торфяников, серийные образцы Уралгипрозема, почвы огородников и др., всего около 8 тысяч проб.  Это потребовало  нетрадиционного обобщения.

Со временем определилось, что все используемые методики можно подразделить на четыре группы: 1) характеризующие водную фазу; 2) характеризующие активную часть коллоидов (вытяжка Кирсанова и подобные); 3) характеристики глубинную часть коллоидов (солянокислая вытяжка «по Гедройцу» и подобные); 4) валовое содержание. В плане рациональной минимизации затрат времени и реактивов можно использовать: 1) водную вытяжку; 2) полный анализ вытяжки «по Каппену-Гильковицу»; 3) вытяжку 1,0 н серной кислоты, кипячение 0,5 часа; 4) мокрое озоление в концентрированной серной кислоте с добавлением хлорной («по Гинзбург»).

Традиционную основу предлагаемого варианта «модели» составили разработки Н.И.Горбунова (1978) о резервах элементов минерального питания растений. Для преодоления «тупика трудоемкости», связанного с нереальностью выделения ила из большого числа образцов была привлечена концепция К.К.Гедройца о солянокислой вытяжке, как характеризующей потенциально активную часть почвы. В итоге  определяемые группы элементов расположились по следующей схеме уровней физико-химической организации почвы (рис.):

Основная черта, выявленная в сопоставлении результатов анализа по разным группам методик – все фракции (фонды) элементов представлены одними и теми же макроэлементами. Кремний, алюминий, железо, калий, натрий, кальций, магний присутствуют во всех фракциях. Суждение достаточно подтверждается напоминанием, что по А.И.Перельману кремний – водный мигрант средней активности и в кларках живого вещества среди зольных элементов занимает третью позицию. Для злаков кремний является незаменимым элементом, без него хлеба полегают, и урожай не убрать. В верховых торфах кремний на первом месте в составе золы, алюминий и железо входят в первую семерку в макроколичестве (обычно на четвертом-пятом местах).

1. Инертная часть. Химически – это «несущий» макрокаркас почвы. Участие в химическом метаболизме может проявляться на уровне периодов (послеледниковый период), нескольких десятков тысячелетий. Почвенно-метаболическая роль в том, что создает и поддерживает систему поверхностей и тем образует специфические условия для протекания всего комплекса почвенно-химических реакций. В отношении методики анализа в авторском варианте это - остаток почвы от определения валовых форм фосфора и азота  «по Гинзбург». В основном окись кремния с неперешедшими в раствор макроэлементами (Al, Na, K).

В почвообразовании проявляется на уровне поясов, почвенных зон и в  интразональном аспекте.

2. Валовые формы. В авторском варианте сюда включаются все элементы в растворе после мокрого сжигания «по Гинзбург», но могут включаться и все другие варианты валовых анализов, кроме кремния. «Конструктивный каркас почвы» - определяет размещение активных центров почвенно-химических реакций.

В почвообразовании «работает» на уровне типов и подтипов. Время реализации – тысячи лет, в соответствии с характеристикой фактора времени в формуле «Докучаева – Йенни» (S=f(cl, o, r, p, t …)).

3. «Фиксированный (складской) резерв» - потенциально подвижные вещества. Стойкая (внутренняя, кристаллическая) часть коллоидов – частицы, части мицелл до диффузного слоя. Методически это – все элементы «солянокислой вытяжки по Гедройцу» и ее современных аналогов. Теперь чаще применяемое кипячение в 1,0 н серной кислоте дает меньше выброса вредных паров в атмосферу лаборатории.

В почвообразовании проявляется на уровне родов и видов. Время реализации – до тысячи лет, т.е. до возраста зрелости почвы. В определенных условиях (коренные мелиорации, осушение и т.д.) время реализации сокращается.

4. Дозирующий резерв. Активная (наружная) часть коллоидов, ионы диффузного слоя. «Лабораторный» запас реактивов почвы. Методически - обменные основания, вещества в «агрохимических» вытяжках, наиболее простой и универсальный для бескарбонатных почв – вытяжка «по Каппену-Гильковицу».

Уровень технологического воздействия (удобрения,  мелиоранты, полив и др.), через посредство нижнего уровня, уровня водной фазы.

5. Водная фаза почвы, оценивается по водной вытяжке. Рабочая среда, почва как «химический реактор» и плодородный субстрат «работает» только при условии, что все ее поверхности покрыты пленками воды во много слоев молекул (сколько именно слоев диполей воды – спорят узкие специалисты). Конкретные особенности работы почвы на этом уровне определяются свойствами ее на предыдущих уровнях.

В количественном распределении элементов по уровням (фракциям) необходимо особо отметить кальций. Его особо выделял К.К.Гедройц, что в отличие от остальных макроэлементов, количество переходящего в раствор кислот разной концентрации кальция остается почти постоянным и приблизительно равно обменному. Магний изменяется по уровням 1-4 примерно в пять раз («фиксированного» больше чем обменного), а остальные макроэлементы – более, чем в 10 раз.

Практическое значение

По «рабочим» особенностям свойства каждого последующего уровня определяются свойствами предыдущих уровней и не могут быть изменены воздействием только на «нижний» уровень. С этим, возможно, связано отсутствие стабильных результатов с гипсованием солонцов и известкованием кислых почв. Резко повышенная гидрофильность коллоидов солонцов не может быть исправлена воздействием только на диффузный слой, а натрия в кристаллической части мицелл (в илах) практически во всех почвах больше, чем кальция. В известковании проблемы связаны с тем, что  после внесения извести резко возрастает ионный (дренажный) сток кальция, в Англии до тонны CaCO₃ с га в год.

Литература

Горбунов Н.И., Бекаревич Н.Е., Етеревская Л.В., Моторина Л.В., Туник Б.М. Классификация пород по степени их пригодности в сельском и лесном хозяйстве // Почвоведение. 1971. № 11. С. 105-116.

Горбунов Н.И. Минералогия и физическая химия почв. М.: Наука, 1978.  293 с.

 

Библ.:  И.М.Гаджиев, А.В.Накаряков // Сохраним планету Земля: Сборник докладов Международного экологического форума, 1-5 марта 2004 года; СПб./ Под ред. Б.Ф.Апарина; Центральный музей почвоведения им. В.В.Докучаева, СПб; 2004. - С. 383-388.  nakaryakov@psu.ru; nakaryakov@mail.ru