Объекты исследования, методы выделения и характеристика водопрочных агрегатов почвы

Для выделения водопрочных агрегатов почвы Д. В. Хан использовал видоизмененный метод Н. И. Саввинова (1931). По этому варианту метода мокрому просеиванию подвергается несмешанная навеска почвы, состоящая из различних фракций, а каждая фракция в отдельности.

Такой прием был испытан на тучном черноземе Курской области и серой лесной глубокооподзоленной почве Тульской области. В полученных агрегатах определяли общее содержание гумусовых веществ по методу Кнопа. Во всех водоустойчивых почвенных агрегатах, полученных в результате распада исходных сухих фракций почвы, обнаруживается общая закономерность. Она выражается в том, что общее содержание гумусовых веществ по мере уменьшения диаметра водоустойчивый агрегатов неизменно снижается.

Наименьшее количество гумусовых веществ отмечено во фракциях диаметром < 0,25 мм. Водоустойчивые агрегаты почвы даже одинакового диаметра, но полученные из исходных сухих агрегатов различного размера, содержат разное количество гумусовых веществ.

Описанный прием выделения водопрочных агрегатов почвы и характеристики их свойств по содержанию гумусовых веществ был использован Д. В. Ханом в дальнейшем. Для детального изучения были выбраны сухие агрегаты только одного размера, а именно 3-1 мм, так как, по мнению В. Р. Вильямса, Н. А. Качинского и других исследователей, структурные отдельности величиной от 1 до 3-5 мм наиболее ценны в агрономическом отношении. Кроме того, исследования Н. И. Саввинова (1931) показали, что водопрочные агрегаты почвы диаметром 3-1 мм преобладают над остальными фракциями (> 0,25 мм) и являются типичными.

При водной обработке сухих агрегатов 3-1 мм появились водоустойчивые агрегаты диаметром 1-0,5; 0,5-0,25; < 0,25 мм и остаток не распавшихся агрегатов 3-1 мм. Все эти фракции в отдельности после предварительного удаления растительных остатков были растерты и пропущены через сито с отверстиями диаметром 0,25 мм. Внешне особенно сильно различались фракции 3-1 и 0,25 мм. Растертые агрегаты размером 3-1 мм имели коричневую окраску, в то время как фракции <0,25 мм темно-серую. Между отдельными фракциями также были обнаружены различия, но они не были выражены так сильно. Поэтому более детальному исследованию подверглись две названые фракции. В дальнейшем фракцию диаметром < 0,25 мм назовем неводоустойчивой или распыленной (контроль) и будем сравнивать с остальными водоустойчивыми агрегатами, в частности с агрегатами размером 3-1 мм. Содержание гумусовых веществ в водоустойчивых агрегатах определяли методом Кнопа, общий азот – методом Кьельдаля.

Гумусовые вещества в исследуемых агрегатах почвы распределяются вполне закономерно: по мере уменьшения величены агрегатов, во всех исследуемых типов почв содержание гумусовых веществ неизменно падает. Наименьшее количество гумусовых веществ обнаружено в неводоустойчивых или распыленных фракциях < 0,25 мм. Наиболее резко различаются по содержанию гумуса и азота агрегаты размером 3-1 мм, сохранившиеся после водной обработки, и агрегаты фракций < 0,25 мм, причем первые содержат значительно больше гумуса и азота по сравнению с распыленными фракциями. Это дает некоторое основание утверждать, что количественное содержание гумусовых веществ имеет определенное значение для водопрочных агрегатов почвы. Помимо верхних горизонтов исследованию подверглись, водоустойчивые агрегата тех же размеров, выделенные из нижних горизонтов почв. И в этом случае наблюдается та же закономерность, которая установлена для водоустойчивых агрегатов верхних горизонтов. Из этого следует, что в формировании водоустойчивых агрегатов почвы различных размеров активную роль играют гумусовые вещества.

Рассмотрим теперь влияние состава гумусовых веществ на образование водопрочной структуры почвы.

По ряду химических и физико-химических свойств гуминовые кислоты по сравнению с фульвокислотами обладают более высокой реакционной способностью, поэтому являются активным клеящим веществом. Согласно данным многих ученных (Шмук, 1930; Тюрин, 1949; Александрова, 1949; Конова, 1960; Хан, 1959 и др.), гуминовые кислоты, выделенные из почвы, не являются однородным веществом и представляют собой группу высокомолекулярных азотсодержащих соединений с рядом общих признаков. В связи с этим возникает принципиальный вопрос о том, какие фракции гумусовых веществ принимают непосредственное участие в формировании водопрочной структуры почвы. В. Р. Вильямс еще в 1897 г. указал, что перегнойные вещества лишь определенного качества способны создавать прочные агрегаты почвы. К такому же мнению пришла Ф. Ю. Гельцер (1940), когда получила данные, показывающие отсутствие связи между содержанием гумусовых веществ и количеством водопрочных агрегатов в исходной форме. Аналогичные результаты получил Д. В. Хан.

Во всех используемых почвах не наблюдается количественной зависимости между содержанием гумусовых веществ и количеством агрегатов. Поэтому общее содержание гумусовых веществ в исходных почвах не может служить надежным критерием для характеристики степени их агрегатности. Убедительным подтверждением могут служить чернозем и серая лесная почва.

Эти две почвы весьма существенно различаются по содержанию гумусовых веществ и агрегатов. Чернозем содержит значительно больше гумусовых веществ, однако количество агрегатов < 0,25 мм в нем оказалось гораздо меньше. В этом отношении заслуживает внимания также подзолистая почва. По количеству водопрочных агрегатов > 0,25 мм она не сильно отличается от чернозема, хотя последний значительно богаче гумусовыми веществами.

Из сказанного следует, что попытка установить зависимость количества агрегатов от общего содержания гумусовых веществ в почве не дает положительных результатов, хотя позволяет сделать вывод о том, что не все количество гумуса почвы участвует в формировании водопрочных агрегатов. Хан высчитал, примерно, относительное количество той фракции гумусовых веществ, которая принимает участие в формировании водопрочных макроагрегатов почвы. Оно вычислено путем сопоставления количества гумусовых веществ, содержащихся в неводоустойчивых фракциях < 0,25 мм и в водоустойчивых агрегатов размером 3-1 мм. При этом содержание гумусовых веществ в неводоустойчивых фракциях размером < 0,25 мм было принято за исходную величину, характеризующую неактивную часть гумусовых веществ. Вычитая ее из количества гумусовых веществ, содержащихся в водопрочных агрегатах получены данные характеризующие активную часть гумуса.

Таким образом, гумусовые вещества почвы расчленены на две фракции, которые, вероятно, выполняют различные функции в процессе формирования водопрочной структуры почвы. Если это так, то эти две фракции гумусовых веществ должны отличаться одна от другой по ряду показателей. Для выяснения этого были исследованы гуминовые кислоты из агрегатов обладающих различной устойчивостью к размывающему действию воды. Исследованию подверглись водопрочные агрегаты диаметром 3-1 мм и неводоустойчивые фракции <0,25 мм.

Препараты гуминовых кислот из водоустойчивых агрегатов почвы отличались от препаратов гуминовых кислот, содержащихся в неводоустойчивых фракциях, более темной окраской. Для качественной характеристики гуминовых кислот был определен их элементарный состав. Содержание углерода оказалось более высоким в гуминовых кислотах, выделенных из распыленных, или неводоустойчивых, фракций, чем в гуминовых кислотах из водоустойчивых фракций. Эта закономерность наблюдается во всех исследованных типов почв. В содержании водорода, азота и кислорода наблюдается обратная картина: эти элементы обнаружены в больших количествах в гуминовых кислотах водоустойчивых агрегатов. Гуминовые кислоты распыленных фракций характеризуюся более широким отношением С:Н по сравнению с гуминовыми кислотами водоустойчивых агрегатов. Принято считать, что соотношение С:Н служит показателем степени конденсированности ядра гуминовой кислоты. Если исходить из этого показателя, то гуминовые кислоты, выделенные из распыленных фракций, являются более конденсировавнными, так как колебание отношения С:Н зависит от соотношения ядра и боковых цепей в молекулах гуминовых кислот.

Одним из важнейших свойств гуминовой кислоты является ее высокая реакционная способность, обусловленная карбоксильными группами. Эти функциональные группы, вероятно, играют важную роль в формировании водопрочной структуры почвы.

Проведенные исследования Д. В. Ханом по методу С. С. Драгунова показали,что суммарное содержание функциональных групп в гуминовых кислотах неводоустойчивых фракций оказались выше, чем в тех же кислотах, выделенных из водоустойчивых агрегатов 3-1 мм. В гуминовых кислотах водоустойчивых агрегатов карбоксильных групп содержащихся примерно в два раза больше, чем фенольных гидроксилов.

Наблюдаются различия природы гуминовых кислот в том, что оптическая плотность гуминовых кислот неводоустойчивых фракций выше, чем плотность гуминовых кислот водоустойчивых агрегатов.

Результаты сравнительного исследования гуминовых кислот, выделенных из различных фракций почвы, позволяют заключить следующее.

Гуминовые кислоты из водопрочных агрегатов почвы размером 3-1 мм содержат меньше углерода, больше азота, водорода,менее интенсивно поглощают свет и имеют более узкое соотношение С:Н по сравнению с гуминовыми кислотами, выделенные из распыленных фракций размером < 0,25 мм. На основании этих показателей считают, что гуминовые кислоты из водопрочных агрегатов более молодые, чем гуминовые кислоты, полученные из распыленных фракций. Кроме того, гуминовые кислоты из водопрочных агрегатов почвы отличаются относительно несколько повышенным содержанием карбоксильных групп, что имеет большое значение при образовании водопрочной структуры почвы. Считается (Кротова, 1956), что присутствие в полимерных соединениях функциональных групп, особенно карбоксильных, резко повышает адгезию клея к различным твердым поверхностям. Этой причиной Хан объясняет положительное влияние гуминовых кислот на образование водоустойчивых почвенных агрегатов.

Водопрочные агрегаты различаются и по агрохимическим свойствам. Первая попытка определить опытным путем влияние агрегатного состава почвы на развитие растений и урожай сельскохозяйственных культур принадлежит Вольни (1897/1998). Он сравнивал свойства растертых и не растертых агрегатов на фоне минеральных и органических удобрений. Аналогичные исследования проведены В. В. Красниковым (1928). Полученные им данные показали, что не растертые агрегаты почвы благоприятно действовали на развитие растений. Довольно обширные исследования в этом направлении предпринял А. И. Ахромейко (1930). Для изучения влияния агрегатного состава почвы на рост и развитие растений он применил тот же принцип, который был использован упомянутыми выше авторами, и пришел к заключению, что для развития растений важна микроструктура, а не макроструктура почвы. Таким образом, он отрицает выводы Е. Вольни,В. В. Квасникова и других авторов о том, что макроструктура создает лучшие условия для развития растений, чем распыленная фракция почвы. Но данные опыты позволяют выяснить главным образом влияние на развитие растений физических свойств, создаваемых изучаемых фракциями почвы.

Четкие сведения об агрохимических свойствах агрегатов были получены Д. В. Ханом. Он попытался выявить некоторые агрохимические свойства водопрочных почвенных агрегатов и неводоустойчивых фракций и определить их влияние на развитие растений. Объектами для постановки опытов послужили водопрочные агрегаты 3-1 мм и распыленные фракции < 0,25 мм из различных типов почв. В этих агрегатах почв определено содержание гумуса, азота и подвижной фосфорной кислоты.

По основным агрохимическим показателям исследуемые фракции заметно различаются между собой. В водоустойчивых агрегатах почв содержится больше гумусовых веществ, азота и фосфорной кислоты, чем в распыленных фракциях. Повышенное количество азота и фосфорной кислоты в основном объясняется более высоким содержанием гумуса, что особенно резко проявилось в подзолистой (<0,25 мм - 1,55%; 3-1 мм - 2,81% гумуса), серой лесной (<0,25 мм – 3,31%; 3-1 мм – 5,37% гумуса) и сероземной (<0,25 мм – 2%; 3-1 мм – 5,37% гумуса) почвах. В этих почвах водоустойчивые агрегаты содержат значительно больше гумусовых веществ, чем распыленные фракции.

Далее в вегетационных опытах изучалось развитие ячменя на фракциях 3-1 и 0,25 мм, которые были выделены из черноземной, подзолистой, серой лесной и сероземной почв. При этом агрегаты размером 3-1 мм предварительно разрушали и удаляли из них крупные растительные корешки, после чего агрегаты были растерты и пропущены через сито с ячейками диаметром 0,25 мм. Приготовленные таким путем две растертые фракции каждого типа почвы закладывались в стеклянные сосуды объемом 400 см³. Повторность вегетационных опытов была двукратной. Никаких дополнительных, питательных элементов в сосуды не вносилось.

Влажность в сосудах поддерживалось на уровне 60% от полной влагоемкости почвы. По окончанию опыта, продолжавшегося 1,5 месяца, учтены вес сухой массы растений и вынос азота, причем показатели для распыленных фракций размером < 0,25 мм приняты за 100% (контроль). Урожайные данные позволяют отметить общую закономерность лучшего развития ячменя на растертых водоустойчивых агрегатов размером 3-1 мм, независимо от типа почв. Наилучшее развитие ячменя наблюдалось в сосудах с растертыми водоустойчивыми агрегатами, выделенными из сероземной почвы Средней Азии; далее следует серая лесная и подзолистая почвы, последнее место занимает чернозем. По содержанию гумусовых веществ и питательных элементов в агрономическом отношении наиболее ценны водопрочные агрегаты почвы размером 3-1 мм. В меньшей степени этими свойствами обладают водопрочные агрегаты размером 1-0,5 и 0,5- 0,25 мм.