VIVOS VOCO: Е.Ю. Милановский, Е.В. Шеин, "Структура почв"

Структура почв

Е.Ю. Милановский, Е.В. Шеин

Евгений Юрьевич Милановский, к.б.н., ст. научн. сотр.
кафедры физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ им.М.В.Ломоносова.
Евгений Викторович Шеин, д.б.н., проф., заведующий той же кафедрой.

Издавна повелось, что качество земли определяют по цвету и по тому, как она распадается на отдельные комочки-агрегаты. Это очень правильное наблюдение: если цвет темный, значит, в почве много органического вещества — гумуса, который определяет ее плодородие. А если она распадается на равномерные комочки, то дождевая влага быстро впитывается, всегда будут хорошие условия проветривания, и земля не превратится в сплошную глинистую массу. Поэтому нередко говорят, что структурная почва — культурная почва.

У почвоведов с первых студенческих полевых практик остается яркий образ структуры чернозема из курских или воронежских степей, который по праву считается царем почв: на корешках растений черными, матово-поблескивающими бусинками висят отдельные комочки, создавая иллюзию, что они — неотъемлемая часть корневой системы (рис.1). Ведь неспроста корни так густо пронизывают агрегат. Значит, именно в нем сконцентрированы основные питательные вещества, вода и воздух. Но почвенный агрегат не просто хранилище. В нем живет основная часть микроорганизмов, которые определяют многие биосферные процессы (и парниковый эффект в том числе!). Здесь, видимо, и происходит постоянное производство необходимых для растений веществ. Специалисты называют структуру черноземов зернистой, так как комочки по размеру (2—5 мм) близки к семенам зерновых культур, а именно гречихи. Еще со времен становления практического земледелия замечено, что самая плодородная почва состоит из отдельных агрегатов, по размеру приближающихся к семенам. Вот и получается, что почвенная структура — главное, центральное, узловое звено многих природных процессов.

Рис.1. Уникальная агрегатная структура почв. Курская черноземная степь.
Фото авторов

Но образование, длительное устойчивое существование зернистой структуры до сих пор остаются загадкой. Действительно, после весеннего снеготаяния или летнего ливня те же самые черноземы представляют собой равномерную глинистую массу, в которую и ступить-то страшно. Сапоги превращаются в огромные неподъемные земляные валенки, и очистить их от этой прилипшей, вязкой грязи просто невозможно. Но засветит солнышко, прогуляется над полем теплый ветерок, и снова — отдельные агрегаты. Только что был пластилин какой-то, и вдруг — рассыпчатые комочки. После сильного дождя — липучая глина, но потом опять — раздельные агрегатики. Кажется, что почва обладает памятью: она знает, что обязательно должна возвратиться в агрегированное состояние. Что же заставляет ее помнить про комочки-агрегаты и поддерживать их? За счет каких сил, какой энергии они образуются, исчезают после дождя и рождаются вновь? Это и есть основная загадка почвенной структуры, отгадать которую брались многие ученые. Но прежде всего надо ответить на следующий вопрос:

Из чего состоит почвенный агрегат?

Если из комочка чернозема сделать тонкий срез и рассмотреть его в микроскоп, то можно увидеть соединенные друг с другом частички с просвечивающей между ними пустотой — поровым пространством. В нем как раз и сохраняются вода и питательные вещества, живет и функционирует почвенная биота (рис.2).

Рис.2. Срез агрегата чернозема обыкновенного (по: Качинский Н.А. Структура почвы. М., 1963).
1 — микроагрегаты; 2 — крупные минеральные частицы; 3 — органический цемент; 4 — видимые микропоры.

Крупные отдельные частицы — это кусочки минералов и горных пород (песчинки, пылинки и др.). Они когда-то составляли геологическую породу, на которой и образовалась почва с характерной структурой. Теперь эти минеральные частицы соединены между собой прочной, но пластичной связью, которая не рвется даже при проникновении воды. В то же время при насыщении агрегата водой возникают очень большие силы, стремящиеся отодвинуть частицы друг от друга. Физико-химический характер этих сил можно пояснить на схеме (рис.3). На поверхности минеральных частиц, расположенных рядом и омывающихся водой, образуется некоторый, как правило, отрицательный электрический заряд. К таким частицам обязательно подойдут из раствора положительно заряженные катионы. Они окружат их, формируя поверхностный слой. Но вот что интересно: в межчастичном пространстве количество катионов окажется значительно больше, чем в окружающей воде.

Рис.3. Схема возникновения расклинивающего давления между отрицательно заряженными минеральными частицами. Стрелками указано направление движения воды в пространство с положительно заряженными сорбированными катионами.

Хорошо известно, что концентрации веществ в водной среде должны выравниваться за счет процессов диффузии. Поэтому молекулы воды передвигаются в зону, насыщенную ионами (т.е. в межчастичное пространство), до тех пор, пока концентрации не сравняются. Вода накачивается концентрационным насосом между частицами и раздвигает их все дальше и дальше. Эта сила весьма образно названа расклинивающим давлением. За счет него частицы уплыли бы друг от друга на большое расстояние. Но в почвенном агрегате они держатся вместе, несмотря на то, что расклинивающее давление иногда достигает нескольких десятков (!) атмосфер. Оно может разорвать крепкие канаты из полиэтилена или лавсана. А почвенные агрегаты увеличиваются в размерах, набухают, но не разрушаются. Тут возникает следующий вопрос:

Чем обусловлены агрегатные водоустойчивые связи?

Гипотез на этот счет выдвинуто много. В 20-х годах прошлого века один из основателей российского количественного почвоведения К.К.Гедройц высказал предположение, что такие связи возникают при совместном осаждении мелких минеральных частиц в растворах с ионами кальция, которые цементируют и соединяют их. Этот тип устойчивых и прочных связей был назван цементационным. Впрочем, формировать устойчивые связи кроме иона кальция могут ионы железа и алюминия. Последующие эксперименты показали, что так образуются только очень маленькие агрегатики, не более 2—3 мкм, но не реально существующие, размером с 3—5-миллиметровое гречишное зерно.

В дальнейшем, отталкиваясь от идеи Гедройца, коагуляционную теорию развил И.Н.Антипов-Каратаев. Он заинтересовался действием не только минеральных, но и органических коллоидов и убедительно показал, что только при их совместной коагуляции образуется что-то подобное почвенному агрегату. Однако лишь подобное. Загадка устойчивого, не распадающегося в воде агрегата так и оставалась загадкой.

Позднее, в 30—50-х годах, В.Р.Вильямс (известный, в основном, как теоретик и пропагандист травопольной системы земледелия) обратил внимание на то, что стабильные почвенные агрегаты возникают в прикорневой зоне растений. В их формировании участвуют сами корни и живущие там микроорганизмы, вырабатывающие специфическое вещество — свежий (как назвал его Вильямс) почвенный гумус. Он-то и обладает свойствами клея, прочно соединяющего частицы. Причем такой свежий гумус образуется при недостатке кислорода или, как говорят, в анаэробных условиях с помощью почвенных бактерий-анаэробов. Впоследствии коллегами Вильямса и его учениками было доказано, что именно внутри почвенных агрегатов такие условия и существуют. Другими словами, микроорганизмы-анаэробы создают гумус-клей из поступающих в почву растительных остатков, образуют свежую органику для соединения минеральных частиц в устойчивые агрегаты, в которых они постоянно живут и “работают”. Чем больше природного клея, тем прочнее и устойчивее почвенные агрегаты, лучше почвенная структура, выше плодородие. (Кстати, из таких логических рассуждений и родилась знаменитая травопольная система, предлагавшая земледельцам некоторое количество сезонов засевать поля травами, возрождая тем самым структуру и плодородие почв.) Однако секрет этого природного клея, который крепче лавсановых и полиэтиленовых нитей, так и остался секретом.

Во всех теориях структурообразования отсутствует главный действующий “герой” практически всех почвенных процессов — вода. Без нее все события в формировании почвенной структуры кажутся разобщенными, не связанными друг с другом. В последнее время родилась идея, что основную роль в природном клее должно играть органическое вещество почвы, которое затрудняет быстрое поступление воды в межчастичное пространство, препятствует возникновению высоких расклинивающих давлений и разрыву агрегата. Чтобы разъяснить эту идею, попробуем поставить эксперимент. Возьмем две стеклянные трубки. Внутреннюю поверхность одной из них смажем вазелином. Опустим концы трубок в воду и скоро увидим, что в чистой трубке вода поднялась на некоторую высоту, а в смазанной вазелином, напротив, опустилась ниже первоначального уровня. Причина этого эффекта связана с различными свойствами поверхности. По чистому стеклу вода хорошо растекается — оно гидрофильно. Поверхность, отталкивающая воду (в нашем случае покрытая вазелином), гидрофобна.

А что, если нечто подобное происходит и в почвенных агрегатах? Но для этого необходимы следующие условия: гумусовые вещества, вырабатываемые микроорганизмами из растительных остатков, должны обладать гидрофобными свойствами и при этом прочно удерживаться на гидрофильной (аналогичной стеклу) поверхности минеральных частиц. Значит, почвенные органические молекулы должны иметь как гидрофильные, так и гидрофобные свойства, или, как говорят биохимики, быть амфифильными. Тогда в почвенной поре молекула органического вещества одной своей частью (гидрофильной) прочно удерживается на поверхности минеральной частицы, а другой (гидрофобной) — ориентируется внутрь, в межчастичное пространство (рис.4).

Рис.4. Возникновение устойчивой почвенной структуры благодаря амфифильным свойствам почвенного гумуса. Гидрофобные компоненты прочно связываются друг с другом, а гидрофильные — с минеральными частицами. Такой органо-минеральный комплекс устойчив и к механическим воздействиям, и к разрушающему влиянию воды.

Вода в такую пору поступает медленно. Это очень важно. Именно медленно, без закупоривания пор и разрыва агрегатов защемленным воздухом. При этом комочки увеличиваются в объеме, набухают. Почва как бы становится единой глинистой массой. Органические молекулы гумуса своими гидрофобными окончаниями держатся друг за друга, не позволяя молекулам воды разорвать гидрофобные связи. Чем больше гидрофобных окончаний, тем устойчивее агрегаты и тем сильнее они противостоят расклинивающему действию воды. Теперь эту гипотезу следует доказать экспериментально.

Специфика почвенного гумуса

Итак, необходимо было доказать, что почвенное органическое вещество обладает амфифильными свойствами с доминирующими гидрофобными. Только тогда оно способно формировать зернистую структуру. Это удалось сделать с помощью метода жидкостной хроматографии гидрофобного взаимодействия. Он основан на том, что в специальную хроматографическую колонку помещают вещество (матрицу) с заведомо известными гидрофобными свойствами. При пропускании пробы через такую колонку гидрофобные участки поверхности анализируемого органического вещества образуют контакты с гидрофобными же группами матрицы. Органический материал в исходной пробе разделяется. Из хроматографической колонки сначала элюируют (вымываются) гидрофильные вещества и лишь в самом конце — гидрофобные, для отрыва которых от гидрофобной матрицы потребуется дополнительное усилие.

На такой же колонке проанализируем почвенный гумус. Нам надо показать, что в составе органического вещества зернистой почвы преобладают компоненты с гидрофобными свойствами, а в слабоагрегированной — с гидрофильными. Классическая, хорошо агрегированная почва — уже упомянутый чернозем. Плохо агрегированная — дерново-подзолистая, например, из нашего подмосковного леса. На рис.5 приведены хроматограммы гумусовых веществ из этих почв. Оказалось, что самые большие пики для пробы органического материала из чернозема наблюдались в области гидрофобных веществ. А в состав гумуса дерново-подзолистой почвы входили в основном гидрофильные компоненты. Гипотеза о важной роли гумуса с гидрофобными свойствами при образовании зернистой структуры получила первое подтверждение.

Рис.5. Обратнофазная жидкостная хроматография гумусовых веществ из чернозема (вверху) и из дерново-подзолистой почвы.

Более того, вспомнив работы Вильямса, можно предположить, что свежий гумус и есть гумус с ярко выраженными гидрофобными свойствами. И образуется он в анаэробных условиях внутри агрегатов с помощью постоянно живущих там анаэробных бактерий. Это доказали наши коллеги-микробиологи: внутри агрегатов совсем иные микроорганизмы, чем на их поверхности, в основном анаэробные. Гипотеза получила свое второе подтверждение.

Теперь уже можно более обоснованно представить определенный образ или, как принято говорить в современной науке, — модель формирования устойчивого почвенного агрегата. На рис.4 амфифильная почвенная органика находится между двумя минеральными частицами. Гидрофильная ее часть присоединяется к гидрофильной же поверхности минерала, а гидрофобные компоненты “сшивают” эти частицы. И хотя по-прежнему действуют силы расклинивающего давления, минеральный агрегат не разрушается. Гидрофобная связь — очень прочная, а проникновение воды в пространство между частицами замедляется за счет гидрофобизации поверхности минеральных частиц. Такой органо-минеральный комплекс и формирует устойчивость почвенного агрегата.

Итак, для того чтобы образовалась прочная, не распадающаяся в воде агрегатная структура, обязательны, как минимум, следующие условия. Во-первых, растительные или другие органические вещества, служащие исходным материалом для формирования гумуса, должны поступать внутрь почвы. Во-вторых, необходимы локальные условия для жизни и деятельности анаэробных микроорганизмов, превращающих растительную органику в амфифильный почвенный гумус с доминирующими гидрофобными свойствами, который и скрепляет минеральные частицы, образуя устойчивый в воде агрегат.

Однако все это пока гипотеза, не теория. Хотя уже ясно, что основная роль в формировании прочной и устойчивой зернистой структуры принадлежит почвенному гумусу, причем весьма специфическому, обладающему амфифильными свойствами с преобладанием гидрофобных компонентов. Чтобы окончательно понять происхождение и значение для природы маленького комочка земли необходимо обосновать применение законов физики, коллоидной химии, микробиологии, минералогии, молекулярной биохимии и в конечном счете математики для построения модели образования и функционирования почвенного агрегата. Но это в будущем. А пока родилась лишь новая гипотеза, логически объясняющая роль и значение специфического органического материала в формировании агрегатной структуры почв — одного из основных факторов устойчивого плодородия, многих биосферных процессов и сохранности жизни на Земле.