Биокосные системы Земли - [4]

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 Са