Александр Перельман - Биокосные системы Земли

• Название: Биокосные системы Земли
• Автор: Александр Перельман
• Издательство: Наука
• Жанр: Экология
• Год: 1977

Живые организмы и неорганическая (косная) материя на Земле тесно связаны между собой и образуют в совокупности различные сложные природные системы, которые В. И. Вернадский назвал биокосными. В книге биокосные системы рассмотрены с позиций геохимии.

Характеризуя почвы, подземные воды, биосферу и другие биокосные системы, автор рассказывает не только о том, как перемещаются атомы в этих системах, но и как происходит при этом превращение энергии, изменение информации. В последнее десятилетие изучение биокосных систем приобрело особенно большое значение в связи с проблемой охраны природы и загрязнения окружающей среды. Этим вопросам также уделено внимание.

---

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 — SO42-, Cl-, PO43- 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 Са2+ и Mg2+, имеют ПК, насыщенный этими катионами. К таким почвам относятся черноземы. При разложении степной растительности в почву поступает много кальция и магния, которые постепенно насыщают поглощающий комплекс (в первую очередь кальций). Так ПК становится кальциево-магниевым. Это определяет специфические свойства почв — их нейтральную и слабощелочную реакцию[5], прочную структуру, высокое плодородие и т. д. Недаром Докучаев называл чернозем «царем почв» — в этом сказался и благоприятный для растений состав катионов.

Совершенно по-иному развиваются процессы в почвах тайги, где разложение хвои и других растительных остатков дает много органических кислот, для нейтрализации которых не хватает катионов кальция и магния. Поэтому в ПК в первую очередь входит водородный ион и в меньшей степени Са2+ и Mg2+. В результате ПК состоит уже из трех катионов — Н+, Са2+ и Mg2+. Это определяет так называемую обменную кислотность подобных почв, их менее благоприятные, чем у черноземов, агрономические свойства. Теория Гедройца объяснила, как нужно улучшать подзолистые почвы известкованием — надо вносить столько Ca, чтобы полностью вытеснить из ПК обменный водород. Так новая теория помогла практике решить исключительно важный вопрос о мелиорации кислых почв, занимающих большие площади в нечерноземной зоне нашей страны.

Подлинным триумфом теории Гедройца явилось объяснение процессов образования солончаков и солонцов и способов их мелиорации. Почвенные исследования в России, а также в Венгрии и США установили, что среди засоленных почв имеются содержащие соли как на поверхности, так и на некоторой глубине (30—50 см и более). Последние часто имеют щелочную реакцию, в связи с чем именовались за рубежом щелочными почвами (alkali soils). При почвенно-географических исследованиях те и другие почвы нередко именовались солончаками пли солонцами: четких различий между этими терминами не было, генетическая связь между двумя группами была неясна. После работ К. К. Гедройца почвоведы стали вкладывать строгое и конкретное содержание в термины «солончак» и «солонец», считая их разными типами почв (неспециалисты и сейчас нередко употребляют оба термина в одинаковом смысле).

Гедройц экспериментально доказал, что при засолении натриевыми солями (а в природе засоление практически всегда носит такой характер) в почве не только накапливаются сульфаты и хлориды, но натрий входит в поглощающий комплекс, вытесняя оттуда часть кальция и магния. Подобную почву ученый и предложил именовать солончаковой, или солончаком. Следовательно, в солончаке ПК содержит Са2+, Mg2+ и Na+, причем натрий может преобладать и ПК в основном становится «натриевым». Солончаки образуются в аридных ландшафтах на участках близкого залегания грунтовых вод — на поймах и дельтах, низких побережьях, в озерных котловинах и т. д. Весьма характерны солончаки для пойм южных рек — Сырдарьи, Амударьи, Куры, Терека, низовьев Дона, Волги, Урала и т. д.

Промывая образцы солончаков пресной водой, Гедройц добился удаления солей из почвы, но поглощающий комплекс почвы продолжал содержать натрий. Такую почву, в верхних горизонтах которой уже нет растворимых солей, но ПК содержит много обменного натрия (более 30% суммы обменных катионов), Гедройц предложил именовать солонцом. Следовательно, солонцы образуются из солончаков при их рассолении, когда растворимые соли удаляются, по натрий сохраняется в поглощающем комплексе. Как показал Гедройц, ПК, насыщенный натрием, диспергируется в воде, в связи с чем солонцы легко набухают, образуя во влажную погоду липкую бесструктурную массу, а в сухую — исключительно твердые столбы и глыбы. Так изящно и просто удалось объяснить характерные физические свойства солонцов, играющие весьма отрицательную роль в сельском хозяйстве и дорожном строительстве (грунтовые дороги на солонцах в дождливую погоду почти непроходимы).

Рис. 2. Схема распределения солончаков и солонцов в долинах степных рек.

1 — засоление почв — образование солончаков, вхождение натрия в поглощающий комплекс; 2 — рассоление почв — образование солонцов, вымывание солей из верхних горизонтов почв, формирование рассоленного солонцового горизонта В, поглощающий комплекс которого содержит много обменного натрия; 3 — верхняя граница засоленного горизонта; 4 — былой уровень залегания грунтовых вод (в пойменную стадию)

Простое объяснение с этих позиций получило и строение профиля солонцов, где под солонцовым горизонтом В1, содержащим обменный натрий, залегает солевой горизонт В2, в который при рассолении вмываются соли из верхней части почвы.

Замечательным результатом применения повой теории явилось объяснение важной закономерности размещения солонцов — их приуроченности ко вторым и третьим террасам рек, на поймах которых развиты солончаки. При врезании рек и превращении пойм в террасы почвы отрываются от грунтовых вод и засоление сменяется рассолением (в результате промывания почв атмосферными осадками). Поэтому одновременно с превращением поймы в террасу солончак превращается в солонец (рис. 2).