Наукова бібліотека України

Loading
ГЛАВА ПЕРВАЯ
Серия "Классики науки" - Вильямс В.Р. Избранніе сочинения Т.1

ВЫВЕТРИВАНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД И ПРОЦЕСС ОБОСОБЛЕНИЯ СВОЙСТВ ПОЧВООБРАЗУЮЩИХ ПОРОД

Плодородие—существенный признак почвы.— Почва и горная порода.— Общее направление изучения почвы.— Термическое выветривание.— Физические свойства рухляка.— Химическое выветривание.— Агенты химического выветривания. Действие угольной кислоты при выветривании.— Механический состав рухляка.— Выветривание осадочных горных пород.—Перенос продуктов выветривания.— Участь элементов пигци растений при выветривании.— Отношение почвообразующих пород к воде.— Развитие агрегатного состояния почвообразующей породы.

Для всех ясно, что почва образовалась из горных пород. Но между почвой и горной породой огромная разница.

Плодородие — существенный признак почвы. Когда мы говорим о почве, мы разумеем рыхлый, поверхностный горизонт сугии земного шара, способный производить урожай растений. Понятия о почве и ее плодородии неразделимы. Плодородие — существенное свойство, качественный признак почвы, независимо от степени его количественного проявления. Понятие о плодородной почве мы противопоставляем понятию о бесплодном камне, или, другими словами, понятию о массивной горной породе. Несмотря на диаметральную противоположность этих свойств, мы не сомневаемся, что почва произошла из горной породы.

Почва и горная порода. Мы видели, что существенное свойство почвы, ее плодородие, слагается из двух равнозначимых элементов: ее отношения к воде и ее отношения к элементам зольной и азотной пищи растений. Эта двойственность, присущая существенному свойству почвы, заставляет искать два одновременно протекающих процесса, под влиянием которых в одной и той же каменной горной породе постепенно накопляются две категории новых свойств. Вследствие накопления этих отличий, первоначальная порода обращается в качественно иное, новое природное тело, в почву. Накопленные отличия слагаются в новое существенное свойство — плодородие, которое диаметрально противоположно по своему значению свойству первоначальной горной породы — бесплодию.

И действительно, мы знаем два процесса, под совместным и одновременным воздействием которых горная порода обращается в почву. Это процесс выветривания и процесс почвообразования.

Общее направление изучения почвы. В самую раннюю эпоху развития науки о почве предполагалось, что почва образуется из горных пород под воздействием одного только процесса выветривания. Этот взгляд соответствовал тому периоду развития естественных наук, когда еще только зарождалась химия углеродистых соединений, когда еще никто не думал о возможности существования химии коллоидального состояния тел, когда еще не было и намеков на микробиологию, когда еще в зародыше было учение об энзимах и когда еще не могло обособиться понятие о гетеротрофном питании организмов. Сильно способствовало возможности установления и сохранения по настоящее время неправильного, устаревшего взгляда на происхождение почвы и то, что в самых процессах выветривания было еще много невыясненного, и под этим понятием и до сих пор обобщаются процессы разных порядков.

Несмотря, однако, на все эти неблагоприятные условия,

как только начали обрисовываться общие контуры вышеупомянутых отраслей естественных наук, так тотчас зародилось и учение о почвообразовательном процессе в смысле истории развития почвы как природного тела. Учение о почвенном покрове как о самостоятельной категории природных тел возникло в России в результате творческой работы трех русских ученых —В. В. Докучаева, П. А. Костычева и Н. М. Сибир-цева.

Само собой разумеется, что в работах этих трех ученых могла быть намечена лишь общая схема развития почвы, в ее деталях могли быть несущественные ошибки. Они находят себе полное объяснение в недостаточном развитии тех дисциплин, на которые опиралась тогда наука о почве.

Лучше всего общее направление изучения почвы логически вытекает из определения понятия о почве, установленного Докучаевым его словами: «Почвой следует называть «дневные» или наружные горизонты горных пород (все равно каких), естественно измененные совместным влиянием воды, воздуха и различного рода организмов, живых и мертвых».

Еще дальше факторы, совместно изменяющие горную породу, слагаются у Докучаева в пять комплексов: 1) материнскую породу, 2) климат, 3) растительность, 4) рельеф страны и 5) ее возраст.

После того как набросана эта программа изучения совместного влияния пяти основных элементов почвообразования в общем аспекте развития или возраста, всякую попытку свести изучение происхождения почвы к преобладающему влиянию одного какого-либо элемента, при сохранении в стационарном состоянии современных условий залегания почвы, нельзя не рассматривать как шаг назад, как возврат к младенческому состоянию науки о почве, когда не было еще необходимых предпосылок для диалектического анализа процесса почвообразования и поневоле приходилось ограничиваться метафизическим анализом. Эти попытки при современном состоянии

развития точных и биологических наук представляют достояние истории науки.

Если из соображений принципиального порядка нельзя согласиться с приложением, при современном состоянии развития естественных наук, метафизического анализа в области учения о почве, то тем более отрицательного отношения заслуживают попытки оставаться на позициях морфологического направления в почвоведении — того направления, которое во всех естественных науках принадлежит даже не истории, а археологии по той простой и морфологически очевидной причине, что в нем совершенно отсутствует логика, и потому оно не может служить основанием для построения научной, т. е. логической, системы. Это не наука, а искусство, пародирующее науку.

Термическое выветривание. Горная порода, чтобы стать почвой, должна развить два новых свойства, слагающих существенный признак почвы — ее плодородие. Она должна приобрести способность к образованию и сохранению запаса воды, необходимой для обеспечения развития растений, и она должна сконцентрировать и удержать необходимый для развития растений запас элементов их зольной и азотной пищи.

Первоисточник воды очевиден, это —атмосферные осадки. Они должны получить возможность проникнуть в породу, и порода должна быть в состоянии их удержать.

Но первоначальные горные породы обладают свойством, которое называется массивностью. В природе они слагаются сплошными массами, образуя скалы, горы, пласты, и поэтому в геологии носят название массивных горных пород.

В природе нет абсолютно непроницаемых для воды горных пород. Даже самые плотные и твердые граниты, сиениты, порфиры, кварциты и тому подобные содержат некоторое количество воды, не говоря уже о более мягких известняках, песчаниках, сланцах и др. Но это содержание воды в горных

породах ничтожно и, кроме того, для целей снабжения растений практически равно нулю.

Чтобы запасти воду в своей массе, горная порода должна обладать более широкими промежутками между элементами, ее слагающими; она должна покрыться системой трещин, через которые могла бы проникнуть вода. Порода должна утратить свойство массивности и тем самым приобрести новое свойство, называемое рухляковостъю. Массивная порода должна обратиться в породу рухляковую, или в рухляк. К таким породам принадлежат глины, пылевые наносы, пески, конгломераты, осыпи и др.

Процесс перехода массивной породы в рухляк носит название физического или термического выветривания.

Причин возникновения этого процесса две. Первая —ежесуточные колебания температуры наружных горизонтов породы под влиянием смены дня и ночи и других менее правильно повторяющихся процессов. Вторая причина процесса —чрезвычайно малая теплопроводность всех горных пород.

Под влиянием одновременного сочетания этих двух причин при всяком нагревании поверхности породы, вследствие медленной передачи тепла в толщу породы, легко обособляется слой более теплый, чем глубжележащая масса. Вследствие этого возникает разница между напряжением молекулярных сил в поверхностном слое породы и в глубжележащей массе ее. Верхний нагретый слой стремится расшириться, и этому стремлению противостоит сила сцепления его с глубжележащей холодной массой породы. В результате этой разницы напряжений молекулярных сил образуются тонкие волосные трещины, отделяющие верхний, а с течением времени и ряд верхних слоев от основной глубжележащей массы породы.

Наступает ночь. Верхние слои породы, прогретые в течение дня до некоторой глубины, начинают охлаждаться вследствие лучеиспускания. Опять и по причине той же малой теплопроводности породы на ее поверхности обособляется слой, отли

чающийся теперь меньшей температурой по сравнению с более глубокими слоями, прогретыми в течение дня.

Под влиянием этого нового сочетания условий наступает вновь разница напряжения молекулярных сил, но на этот раз противоположного значения. Верхний, более холодный слой стремится уменьшиться в объеме, сжаться. Но его сжатию противостоит объем еще теплых, более глубоких слоев породы. Опять возникает сеть тонких, волосных трещин, но имеющих другое направление.

В первом случае, при согревании поверхности породы, более теплые ее слои стремились отделиться от более холодной массы породы параллельными рядами периферических трещин, параллельных наружной поверхности породы. При охлаждении поверхности породы ее внешний слой стремится сократиться в объеме, но, встречая непреодолимое препятствие более глубоких, более теплых слоев, растрескивается сетью радиальных трещин, направленных перпендикулярно к поверхности породы.

Получается сеть взаимно пересекающихся рядов трещин, разрыхляющих поверхностные слои породы.

Кроме того, подчиненное значение, лишь усиливающее влияние главных причин^ имеют разница коэффициента линейного расширения по разным осям минералов различных кристаллических систем, кроме правильной, и разница окраски минералов, влияющая на степень поглощения ими тепла, а следовательно, и на степень их расширения.

В образовавшиеся трещины проникает вода и зимой, замерзая в них и увеличиваясь при этом в объеме, еще более нарушает связь элементов породы.

Под влиянием смены этих процессов изо дня в день и из года в год поверхность породы покрывается рыхлой массой рухляка термического выветривания породы.

Сила тяжести, ветер и потоки дождевой воды сносят образовавшийся рухляк и обнажают новые поверхности массивной породы для дальнейшего выветривания.

В наиболее сильно выраженной степени термическое выветривание горных пород осуществляется в сухих, жарких пустынях субтропической зоны и в высокогорных областях выше снеговой линии. Малое количество водяного пара в атмосфере последних областей определяет большую прозрачность и безоблачность атмосферы. Поэтому поверхность горных пород очень сильно нагревается солнечными лучами днем и быстро и сильно охлаждается ночью вследствие беспрепятственного излучения тепла. В этих горных районах с обращенных к солнцу поверхностей скал сыплется непрерывный дождь обломков термического выветривания горных пород, и у подножия скал скоцляются мощные толщи осыпей острогранных обломков самой разнообразной величины.

Вновь получающаяся порода, рухляк термического выветривания, отличается от первоначальной породы только одним признаком. Первоначальная порода утратила только свою форму, из массивной она стала рухляковой. Все остальные свойства остались теми же: петрографические элементы массивной горной породы только подверглись большему или меньшему измельчению; и без всяких других изменений и в тех же, относительных количествах они вошли и в^состав рухляковой породы.

В полном согласии с единственным изменением свойств рухляковой породы находится и изменение ее отношений к окружающей среде. Изменилось только ее отношение к воде и газам. Рухляк стал проницаем для воды и воздуха.

Но изменившееся отношение породы к воде далеко еще не удовлетворяет тем требованиям, которые предъявляются плодородием почвы по отношению к воде.

Такая порода может лишь пропустить в себя воду, но она не в состоянии сохранить сделанного ею запаса воды.

Под влиянием термического выветривания порода претерпела только большую или меньшую степень измельчения. Она только разбилась на однородные элементы различной крупности, но в ней не создались условия, могущие заставить

новые элементы породы войти в какие бы то ни было отношения между собой. Отношения как отдельных элементов породы, так и всей совокупности их, самого рухляка к элементам окружающей среды представляют простую функцию измельченное ти этих элементов и равномерности их измельчения. Такая порода носит название раздельночастичной рухляковой породы.

Все элементы такой породы многогранны, они образовались вследствие растрескивания элементов породы преимущественно по плоскостям спайности. Поэтому элементы породы не могут достигнуть такой степени сближенности, чтобы дать возможность проявиться молекулярной силе сцепления, проявляющейся только на ничтожных расстояниях. Такая порода совсем не обладает связностью, т. е. способностью противостоять силам, стремящимся разъединить ее частички.

Такая порода — рухляк в самом полном смысле слова.

Физические свойства рухляка. Во влажном состоянии, пока между элементами породы присутствует вода, можно придать массе породы форму какого-либо геометрического тела, вследствие силы сцепления между элементами породы и водой. Но как только сформированное из влажной породы тело высохнет, оно рассыпается само собой в бесформенную массу рухляка.

Все процессы, которые возникают в массе такой породы при ее взаимодействии с элементами окружающей среды, совершаются всегда в одном направлении и продолжаются до тех пор, сохраняя то же направление, пока имеются налицо условия внешней среды, определяющие процессы. Как только возобновляются условия процесса, так тотчас он вновь возникает и неизменно в том же направлении. Закономерности, определяющие направление и темп возникающих процессов, крайне просты.

Одним словом, рухляковая порода — тело, в котором все процессы, возникающие при его взаимодействии с окружающей средой, подчиняются абиотическим законам, до тех пор пока порода остается рухляком.

2*

Из процессов, возникающих в рухляке термического выветривания при его взаимодействии с элементами окружающей среды, в настоящем месте наиболее важны его отношения к воде как к одному из элементов, слагающих плодородие почвы.

Из процессов, которые возникают при соприкосновении сыпучего тела с водой, в рухляке термического выветривания развита в полной мере только проницаемость.

Многогранные элементы этой породы соприкасаются преимущественно углами, вершинами и ребрами, лишь изредка происходит их соприкосновение по поверхностям граней. Поэтому промежутки между элементами породы имеют форму волосных каналов с бесчисленным множеством расширений. Волосные процессы в такой породе проявляются преимущественно в форме образования менисков воды на местах соприкосновения вершин и ребер одних частичек с гранями других. Сплошных волосных каналов во всей толще такой породы не существует. Вследствие такого сложения породы, частички которой в природных условиях не бывают мельче 0,1 мм, вода свободно проникает в ее массу и движется в ней по законам тяжести или гидростатического давления, т. е. в виде так называемой капельно-жидкой,* или гравитационной, воды.

Но как только прекращается приток воды сверху или гидростатическое давление, так тотчас вода, заполнявшая в породе все промежутки, из них стекает, и в массе породы остается ничтожное количество воды, удерживаемое в форме менисков на точках и линиях соприкосновения частичек породы между собой. Влагоемкость породы выражена крайне слабо.

Вследствие отсутствия непрерывной во всех направлениях сети волосных промежутков и волосное передвижение воды по породе отсутствует.

Из сопоставления вышесказанного видно, что путем термического выветривания горная порода, вследствие накопления мелких количественных изменений, постепенного измельчения, приобрела проницаемость, существенное свойство при

родного тела, качественно отличного от первоначального, исходного тела.

Приобретенное качество, в свою очередь, открывает широкий простор для нового порядка взаимодействий между элементами новой рухляковой породы и окружающей средой.

Химическое выветривание. Результат измельчения породы, математически неизбежный,— увеличение поверхности соприкосновения породы с элементами окружающей среды, и это не может не вызвать ряда новых процессов.

Прямо пропорционально степени увеличения поверхности растет и степень энергии химического взаимодействия между элементами, способными к такому взаимодействию. Усили-вается химическое выветривание элементов измельченной горной породы.

Под этим названием мы разумеем химическое взаимодействие между элементами атмосферы и петрографическими элементами породы —минералами, ее составляющими.

Раньше всеми и теперь еще многими учеными химическое выветривание рассматривается как ряд весьма сложных процессов. Это происходит оттого, что] под одним этим общим названием объединяют три порядка процессов, качественно между собой различных и теперь ясно различаемых под названиями процессов метаморфоза, диагенезиса и выветривания.

Под выветриванием мы разумеем процессы взаимодействия между элементами горной породы и окружающей минеральной (абиотической) среды, осуществляющиеся исключительно при термодинамических условиях земной поверхности, т. е. при средней температуре 15° и среднем давлении 760 мм ртутного столба.

Под метаморфозом мы разумеем как взаимодействие между теми же элементами, так и взаимодействие продуктов выветривания между собой, совершающиеся или при высокой температуре, или под высоким давлением, или при одновременном сочетании этих двух условий.

В том и другом случае получаются при необратимых в данных термодинамических условиях процессах выветривания, или метаморфоза, продукты, обладающие общим существенным свойством конечных продуктов всякого процесса. Они не способны входить во взаимодействие в условиях своего образования. Они конечные продукты с существенным свойством устойчивости при термодинамических условиях своего образования. Это свойство противопоставляется непостоянству промежуточных продуктов, которые поэтому лишены способности накопляться.

Конечные продукты того и другого процесса могут вновь входить во взаимоотношения между собой, т. е. участвовать в процессе диагенезиса только при условиях, противоположных условиям их образования. Продукты выветривания могут вновь реагировать между собой только при условии высокой температуры или высокого давления, или при сочетании этих условий.

Точно так же и продукты метаморфоза могут вновь подвергаться изменению только путем процесса выветривания при термодинамических условиях земной поверхности.

Процессы химического выветривания крайне просты.

Число горных пород, участвующих в образовании почв, невелико. Они состоят из небольшого числа минералов; про-дукты их выветривания образуют рухляк почвообразующих пород.

Существенные для почвообразования петрографические элементы этих немногих горных пород могут быть объединены в четыре группы:

1.    Кварц.

2.    Карбонаты.

3.    Силикаты.

4.    Алюмосиликаты.

Кварц сам по себе нередко встречается в форме горной поре ды, которая в виде кварцитов бывает очень часто представ-ена большими массивами.

Кроме того, кварц представляет существенную часть самых распространенных в природе так называемых кислых алюмо-силикатных горных пород, примером которых могут служить граниты и гнейсы; в этих породах кварц представлен более или менее крупными кристаллами.

Карбонаты в качестве горных пород представлены исключительно карбонатами извести и магнезии. Карбонаты других металлов в качестве почвообразующих пород не встречаются. Мы пока будем иметь в виду только кристаллические (метаморфические) известняки.

Силикаты, или соли кремневой кислоты, принимают существенное участие в составе сложных горных пород. Они представлены, главным образом, силикатами двухвалентного железа и магния. Примерами их могут служить роговые обманки, авгиты, пироксены и др.

Алюмосиликатам, или солям алюмокремневой, или глиноземнокремневой кислоты, принадлежит, несомненно, одно из главных значений в составе горных пород. К этой группе принадлежат полевые шпаты и слюды, представляющие обыкновенно преобладающую составную часть сложных алюмосиликатных пород, гранитов, гнейсов, слюдяных сланцев, сиенитов, андезитов и других пород.

Агенты химического выветривания. Химическое выветривание представляет несложный ряд процессов взаимодействия между вышеперечисленными группами минералов горных пород и элементами атмосферы.

Оставляя в стороне те элементы атмосферы, которые содержатся в ней в крайне малых количествах, мы рассмотрим четыре составляющих ее газа: азот (включая и аргон), кислород, угольную кислоту и пары воды.

Прежде всего останавливает на себе внимание значение паров воды. Прямого химического воздействия на составные элементы горных пород вода и ее пары не оказывают, но ее присутствие — необходимое условие действия других элементов

Поэтому, например, в жарких пустынях, где дождя не выпадает иногда в течение нескольких лет, мы встречаем исключительно термическое выветривание. Осыпи горных пород в этих областях представляют просто измельченную породу, сохранившую все свои петрографические элементы в тех же соотношениях, какие присущи первоначальной массивной породе. То же наблюдается и при выветривании на горах выше снеговой линии.

Для того чтобы могло осуществиться влияние на горную породу других элементов атмосферы, необходимо, чтобы порода была смочена водой, или чтобы измельченная порода, рухляк, сгустила на своей поверхности пары воды.

Необходимо обратить внимание на то, что после окончания реакции между элементами породы и атмосферы все ее нерастворимые продукты, остающиеся на месте реакции, всегда отлагаются в форме гидратов. Гидратизацией одной части продуктов выветривания и растворением и выносом другой части и ограничивается прямое участие воды и ее паров в процессе выветривания горных пород.

Азот и аргон атмосферы, вследствие их инертности в термодинамических условиях земной поверхности, никакого участия в процессе выветривания не принимают.

Участие кислорода воздуха при выветривании невелико. Действие свободного кислорода ограничивается только окислением таких соединений, которые могут присоединить кислород.

В горных породах к таким соединениям принадлежат силикаты и алюмосиликаты, содержащие закисные соединения железа.

Повидимому, подобное окисление совершается одновременно с распадом силикатов или алюмосиликатов под влиянием угольной кислоты.

Процесс окисления закиси железа горных пород в гидраты окиси железа обращает на себя внимание тем, что при нем

происходит значительное увеличение объема выветривающихся элементов породы, и, следовательно, он оказывает и механическое влияние в смысле разрыхления породы. Этот процесс легко наблюдать на породах, окрашенных соединениями закиси железа в черный или зеленый цвет. Особенно ярко представлен этот процесс при выветривании кристаллических известняков, окрашенных соединениями закиси железа в черный и темные цвета. При выветривании в условиях сухой степи они дают яркокрасные и розовые мергели (terra rossa). Подобный же результат получается при выветривании змеевиков, зеленокаменных пород и многих лав. При выветривании андезитов, базальтов и роговообманковых сланцев получаются яркожелтые рухляковые породы (желтоземы).

Действие угольной кислоты при выветривании. Угольной кислоте, несмотря на ничтожное содержание ее в атмосферном воздухе, принадлежит главное значение при химическом выветривании горных пород.

Мы рассмотрим последовательно отношения угольной кислоты ко всем выделенным нами выше группам петрографических элементов горных пород.

Кварц (Si02) — свободная кристаллическая кремневая кислота, иногда окрашен следами других веществ в разнообразные цвета, ни в какие взаимоотношения с угольной кислотой не входит. Также не влияют на него и другие элементы атмосферы. Кварц химическому выветриванию не подвергается; он способен только измельчаться под влиянием термического выветривания.

Карбонат извести, или углекислая соль окиси кальция (СаС03), в чистой воде практически не растворим, но в природной воде, всегда содержащей в растворе свободную угольную кислоту, он обращается в бикарбонат, или кислую углекислую соль окиси кальция Са(НС03)2, растворимость которой приблизительно в сто раз больше растворимости карбоната.

Таким образом процесс выветривания карбонатных пород

сводится к простому растворению содержащихся в них углекислых извести и магнезии. При этом, если известняки содержали примесь закисных соединений железа, с последними происходит изменение, о котором мы уже говорили выше.

Силикаты представляют соли кремневой кислоты или изоморфную смесь этих солей. Единственная реакция, которая может произойти между ними и свободной угольной кислотой, это реакция замещения связанной кремневой кислоты силикатов свободной угольной кислотой.

В результате реакции получится свободная кремневая кислота, а основания, которые были с ней связаны, образуют соли угольной кислоты. Основаниями, образующими силикаты, чаще всего бывают двухвалентное и трехвалентное железо, марганец, кальций, магний, натрий и калий. Участь их при выветривании различна. Все железо переходит в форму трехвалентного и, вследствие неустойчивости карбоната его окиси, окончательно выделяется на месте реакции в виде гидрата окиси железа. Так же, повидимому, отлагается и марганец. Кальций и магний выделяются в виде карбонатов извести и магнезии, и так как эти соли в присутствии свободной угольной кислоты довольно легко растворимы в воде, то они в значительной степени выщелачиваются из рухляка атмосферной водой, всегда содержащей в растворе свободную угольную кислоту. Натрий и калий также образуют карбонаты своих окисей, и так как эти соли, сода и поташ легко растворимы в воде, то они легко выщелачиваются из породы.

Что касается кремнёвой кислоты, то при действии угольной кислоты на силикаты она сначала выделяется в воднорастворимом состоянии, переходя в некоторых условиях в аморфную кремневую кислоту или кремнезем.

Выветривание алюмосиликатов под действием угольной кислоты, по существу, не отличается от выветривания силикатов. Разница заключается только в том, что в этом случае мы имеем дело с солями алюмокремневой кислоты (H2Al2Si208)

или с изоморфною смесью этих солей. Поэтому вместо получающейся в первом случае аморфной кремневой кислоты мы получаем смесь гидратов алюмокремневой кислоты, или каолина (H2Al2Si208. тгН20), и аморфной кремневой кислоты. Все остальное, касающееся выветривания силикатов, касается и выветривания алюмосиликатов.

В конечном результате выветривания самой сложной массивной горной породы получающаяся рухляковая порода может состоять из обломков кварца, порошка аморфной кремневой кислоты (кремнезема), каолина и окисей железа и марганца. Кроме того, если выветривание еще не вполне закончено, к породе могут быть примешаны обломки первоначальных горных пород.

В зависимости от преобладания той или иной группы упомянутых составных частей и происходит все разнообразие природных рухляковых пород, которые могут быть каменистыми, хрящевыми, песчаными, супесчаными, пылеватыми или лёссовидными, суглинистыми и глинистыми в зависимости от преобладания тех или иных элементов.

Механический состав рухляка. Способы определения количественного содержания в рухляковой породе частичек различной крупности, или механических элементов, носят название механического анализа. Мы не можем остановиться на детальном разборе принципов, положенных в основу механического анализа, поэтому укажем только на то, что количество наиболее крупных элементов (до 0,25 мм в диаметре) определяется пропусканием навески почвы через сита сначала с водой, а потом в сухом состоянии. Элементы от 0,25 до 0,01 мм определяются в приборе, дающем длительную струю воды равномерной скорости, и более мелкие частички разделяются по скорости их оседания в стоячей воде.

Для массовых производственных анализов механического состава почв в настоящее время принят метод пипетки (Робинзон).

Но наиболее совершенным способом механического анализа в целях получения отдельных чистых механических фракций следует признать комбинацию способов Вильямса и Шёне. Классификация механических элементов, принятая при этих способах, такова:

Приведенная классификация стремится объединить в груп пы элементы, по возможности однородные. Общеизвестен факт, что интенсивность химического взаимодействия растет прямо пропорционально поверхности соприкосновения реагирующих тел.

При измельчении элементов горной породы во время выветривания поверхность их соприкосновения с агентами атмосферы растет чрезвычайно быстро. Поэтому процесс их химического выветривания совершается с прогрессивно возрастающей энергией. Очень скоро наступает предел измельчения, дальше которого элементы породы, способные химически выветриваться, не могут существовать в природных условиях. Они должны обратиться в конечные продукты своего распада.

Такой предел для большинства минералов, входящих в состав горных пород, наступает при достижении измельчения в 0,1 мм. Лишь очень немногие минералы, как, например, лепидолит, ильменит, мусковит и др., достигают измельчения в 0,01 мм, кварц также достигает размеров в 0,01 мм.

Поэтому приведенные группы механических элементов характеризуются достаточно строго и определенным петрографическим составом.

Камни представляют обломки горных пород.

Группа хрящей представляет или такие же обломки пород или отдельные минералы, их слагающие.

Пески содержат только отдельные минералы породы, причем, по мере уменьшения диаметра песка, в нем растет относительное содержание кварца.

Пылеватый песок состоит почти нацело из чистого кварца с ничтожной примесью роговой обманки, лепидолита, ильменита, мусковита и некоторых других минералов.

Тонкий песок представляет чистый кварц.*

Пыль состоит нацело из аморфной кремневой кислоты.

Тонкая пыль, повидимому, результат несовершенства процесса разъединения частичек.

Наконец, ил представляет смесь каолина (глинных минералов) и окисей железа и марганца, или так называемую глину.

Только ил обладает свойством связности, или способностью при высыхании сохранять приданную его массе во влажном состоянии форму. Связность ила очень велика, и для того чтобы расколоть сформованную из него призму, имеющую поперечное сечение, равное 1 кв. см, нужно нагрузить нож* раскалывающий призму, грузом в 35 кг.

Остальные механические элементы не обладают связностью ни в какой мере, и сформованная из них во влажном состоянии фигура рассыпается после высыхания или сама собой, или от малейшего прикосновения.

Следует упомянуть, что многие исследователи для характеристики механического состава ограничиваются выделением фракции мельче 0,01 мм и дробным разделением более крупных фракций. Ясно, что механическая фракция мельче 0,01 мм может состоять из 99% пыли и 1% ила, или же, наоборот из 1% пыли и 99% ила и, следовательно, может обладать самыми разнообразными физическими и химическими свойствами. Логического основания для такого рода механического анализа я не вижу.

Выветривание осадочных горных пород. Мы до сих пор

рассматривали выветривание первичных горных пород. Кроме них, в состав земной коры входят мощные толщи пород вторичных, осадочных; песчаников, осадочных известняков, глинистых сланцев и др. Вторичные, или осадочные, породы состоят из продуктов выветривания первичных пород, сложившихся в новые плотные слои породы, или из продуктов дочет-вертичного почвообразования. Из предыдущего ясно, что эти породы могут подвергаться химическому выветриванию только в том случае, если они сложены из крупных обломков первичных пород, как, например, в случае конгломератов. Вторичные же породы, осадочные мелкозернистые песчаники, известняки, глинистые сланцы, сложены из конечных продуктов выветривания первичных пород, песка, аморфной кремневой кислоты, углекислой извести и глины, т. е. из смеси каолина и окисей железа и марганца.

Как конечные продукты выветривания все эти вещества обладают полной устойчивостью при термодинамических условиях земной поверхности. Поэтому осадочные породы могут подвергаться только термическому выветриванию, т. е. они вновь обращаются в рухляковые массы песка, пыли и глины.

Немного сложнее происходит выветривание осадочных известняков. Осадочные известняки образуются на дне моря вследствие скопления бесчисленных известковых панцырей и раковин морских организмов. Материалом для построения этих панцырей и раковин служит углеизвестковая соль, беспрерывно вымываемая атмосферной водой из рухляка выветривания на поверхности суши. Вместе с этим атмосферная вода также беспрерывно сносит с поверхности суши и другие конечные продукты выветривания. Мелкий песок, пыль аморфной кремневой кислоты, окись железа и марганца и каолин также беспрерывно поступают в море и осаждаются на дно, входя в состав образующихся известняков.

Когда осадочные известняки выступают на поверхность

суши, начинается их выветривание. Их поверхность разрыхляется термическим выветриванием, и проникающая в толщу известняков атмосферная вода выщелачивает углекислую известь. На месте рухляка осадочного известняка остаются только нерастворимые в воде конечные продукты выветривания первичных пород, попавшие в его толщу одновременно с панцирями и раковинами, послужившими основным материалом для образования вторичных известняков.

Оставшаяся рухляковая порода носит название мергеля.Ее характерный признак —высокая степень выравненности слагающих ее механических элементов. Они подвергались сортирующему воздействию наземных, так называемых делювиальных потоков, потом рек, снесших их в море, и, наконец, окончательно были отсортированы морскими течениями. Обыкновенно мергели содержат и некоторое количество остаточной углекислой извести.

Остаточная рыхлая порода, получающаяся после окончания термического и химического выветривания любой, самой сложной по составу первичной или осадочной породы, может, таким образом, состоять только из смеси измельченного кварца, тонкого порошка аморфной кремневой кислоты и мельчайших частиц гидрата алюмокремневой кислоты,или каолина, окисей железа и марганца. Смесь последних трех элементов обычно называется глиной. Кроме того, такая порода может содержать и обломки первоначальной горной породы.

Обыкновенно эти группы элементов характеризуют по их крупности, говоря о камнях и хряще, песке, пыли и глине. В зависимости от преобладания того или другого из этих эле ментов различают рухляковые породы каменистые, хрящевые, песчаные, пылеватые и глинистые. Часто характеризуют механический состав рухляковых пород, прибегая н ’комбинации приведенных слов. Говорят, например, о каменистых или валунных глинах, глинистых песках или характеризуют содержание глицы в песчаной породе, называя ее тяжелой или лег

кой супесью. Совершенно так же для характеристики содержания песка или пыли в глинистой породе называют ее легким или тяжелым суглинком. Слова «легкий» и «тяжелый» характеризуют в этих случаях лишь отношение породы к легкости или трудности — «тяжести» — ее обработки, так как глина представляет единственный элемент породы, обладающий связностью.

Частички глины настолько мелки «0,001 мм), что могут входить в очень тесное соприкосновение между собой и с более крупными частичками. При таком тесном соприкосновении может в достаточной степени развиться молекулярная сила сцепления, развивающаяся только на ничтожно малых расстояниях.

Что касается веса механических элементов рухляка, то он изменяется в противоположном направлении. Удельный вес всех элементов, начиная от среднего песка и кончая тонкой пылью, равен 2,65 (удельному весу кварца). Только в более крупных элементах он может быть выше в зависимости от возможного содержания в них более тяжелых минералов. Удельный вес частичек мельче 0,001 мм колеблется от 2,4 до 2,1 в зависимости от отношений содержания в нем каолина и окисей железа и марганца.

Рухляковые породы, в которых резко выражено преобладание элементов пылеватых, носят часто название лёсса и лёссовидных пород, и обыкновенно эти слова употребляются для характеристики выравненности или однородной мелкозернистости состава. Говорят, например, о лёссовидных песках. Само собой разумеется, что связывать представление о лёссо-видности породы с возможностью ее. происхождения как экзотического эолового наноса нельзя. Генезис породы может быть установлен только в результате всестороннего анализа условий ее залегания и ее свойств.

Перенос продуктов выветривания. Лишь в редких случаях рухляк выветривания остается в неизменном состоянии на

месте своего образования. Он обыкновенно подвергается сортировке движущейся водой, льдом, ветром и под влиянием силы тяжести.

Перенос частичек породы в областях с значительным количеством атмосферных осадков начинается с работы движущейся воды. В этих влажных областях образуется при выветривании глина, которая, обладая связностью, препятствует разнесению частичек породы ветром. Наоборот, в областях с малым количеством атмосферных осадков преобладает термическое выветривание, и частички рухляка легко передвигаются ветром, так как они не сцементированы глиной, а следовательно, порода не обладает связностью.

Частички глины, вследствие своей чрезвычайной измельчен-ности, обладают способностью легко взмучиваться в воде, образуя так называемую суспензию, и они неопределенно долгое время могут оставаться в таком состоянии. Поэтому капли дождя и струи снеговых вод взмучивают глину. Те же струи, стекая с повышений рельефа в его понижения, сносят с собой глину, а также и другие мелкие механические элементы рухляка в соответствии с быстротой движения воды этих делювиальных потоков и с количеством воды, их составляющей. В ручьях, речках и реках, в зависимости от изменения быстроты их течения, отлагаются частички различной крупности. Наиболее же мелкие частички глины уносятся реками в озера и моря, постепенно заполняя их бассейны.

Не все делювиальные потоки достигают ручьев и рек или так называемых аллювиальных, постоянных потоков воды; только потоки весенней снеговой воды и потоки, образуемые ливнями и затяжными обложными дождями, достигают русел аллювиальных потоков.

Делювиальные потоки, возникающие после менее обильных и продолжительных дождей, рассасываются по массе самой породы вскоре после прекращения дождя или распределяются по мелким углублениям (микрорельефу) поверхности породы.

3 В. Р. Вильямс

Таким образом происходит постепенное передвижение мелких частичек породы вниз по свдону рельефа. На всем склоне образуются отложения так называемого делювия, который, очевидно, будет более мелкочастичным, чем первоначальная порода, из которой он образовался. Оставшаяся в верхних частях склонов, обедненная мелкими частичками порода носит название элювия первоначальной породы и, очевидно, отличается большей крупночастичностъю.

Освобожденный от глины элювий породы легко переносится ветром. Под напором струй воздуха отдельные песчинки начинают перекатываться по направлению ветра, пока не встретится препятствие. У такого препятствия постепенно скопляется горка песка, по которой ветер вкатывает песчинки. Достигнув вершины горки, песчинки под влиянием силы тяжести скатываются вниз, образуя так называемый естественный откос. Когда изменяются направление и скорость ветра, новые песчинки крупности, соответствующей новой скорости ветра, навеваются со стороны нового направления ветра к образовавшемуся ранее бугру. Таким путем образуются бугристые пески с их характерной перекрещивающейся в разных направлениях диагональной слоистостью.

Во время сильных ветров песчинки с большей силой ударяются о препятствия, которыми чаще всего бывают более крупные элементы элювия —камни и хрящ. При этих ударах обкалываются острые углы и ребра песчинок, и они принимают округленные, «окатанные» формы. Удары песчинок также постепенно обтачивают все острые, выдающиеся части камней и хряща и выбивают более мягкие элементы обломков горных пород, оставляя более твердые элементы породы в виде гребней. Таким образом получаются фантастические формы «сотовых:» и «курчавых» камней. Так как ветер постепенно выносит из-под камней подстилающие их частички породы, они постепенно под влиянием тяжести теряют равновесие, перекатываются и подставляют под удары песчинок новые поверх

ности. Поэтому камни такого «ветрового» элювия бывают обточены ветром равномерно со всех сторон.

Вследствие свевания песчинок элювия в бугристые пески, обнажаются все новые горизонты неизмененной породы, и делювиальные процессы получают все новый материал для снесения вниз по склону.

Ветер не только передвигает песок перекатыванием, но мелкий песок и пыль подхватываются им и разносятся во все стороны вокруг областей распространения элювия, т. е. вокруг наиболее повышенных частей рельефа. Понятно, что наибольшее количество сносимого материала откладывается в верхних частях склонов, на которые заносится песок даже слабыми ветрами.

Из всего вышесказанного вытекает, что в распределении механических элементов поверхностных горизонтов рухляковых пород невыравненного состава должна наблюдаться известная правильность.

Действительно, наиболее повышенные элементы рельефа, так называемые водоразделы, бывают часто покрыты бугристыми песками.

Понижения между песчаными буграми заполнены грубыми хрящевыми и каменистыми породами ветрового элювия. На верхней трети склонов значительного развития достигают песчаные породы элювия.

Спускаясь ниже по склону, мы в последовательном порядке находим супесчаные и суглинистые породы, и на третьей трети склона дредставлена область делювиальных глинистых пород, тяжесть которых, т. е. содержание в них глины, растет по мере приближения к подошве склона.

Кроме деятельности делювиальных потоков .воды и работы ветра, огромное значение в распределении продуктов выветривания по поверхности суши имеют работа постоянно текущих потоков воды аллювиальных вод и работа ледников. Работа этих агентов будет рассмотрена в дальнейшем.

3*

Участь элементов пищи растений при выветривании. Если сопоставить то, что было сказано во введении относительно числа элементов пищи, требуемых растениями, с тем, что изложено в настоящей главе, видно, что в рухляковой породе совсем не содержится элементов пищи растений, если не считать железа, в котором почти никогда нет недостатка.

Растения предъявляют к почве требование содержания в ней ряда элементов золы. Главнейшие из этих элементов следующие: фосфор, сера, калий, кальций, магний и железо. Кроме того, почва должна содержать минеральные соединения азота.

Выше уже рассмотрена участь соединений калия, кальция и магния. Они при выветривании неизбежно переходят в углекислые соли своих окисей и также неизбежно подвергаются вымыванию. Фосфор и сера содержатся во всякой первичной горной породе в форме так называемых микролитов, микроскопических кристаллов минералов, взвешенных в жидкой углекислоте, заключенных в микроскопические полости, вакуоли, господствующих минералов породы. Фосфор содержится в виде микроскопических кристаллов апатита, трехосновной фосфорнокальциевой соли. Сера содержится в форме микроскопических же кристаллов пирита, двухсернистого железа.

При измельчении горной породы под влиянием выветривания эти кристаллы освобождаются от своей каменной оболочки. При этом фосфорнокислый кальций, сравнительно хорошо растворимый в воде, содержащей угольную кислоту, легко подвергается вымыванию из рухляковой породы. Освобожденное сернистое железо, пирит, немедленно окисляется, обращаясь в серную кислоту и сернокислую закись железа. Последняя соль окисляется еще дальше и, наконец, обращается в серную кислоту и окись железа, которая и остается на месте. Получившаяся в результате той и другой реакции свободная серная кислота немедленно нейтрализуется углекислыми со

лями, образующимися при выветривании силикатов и алюмосиликатов. Получаются сернокислые соли натрия, калия, магния и кальция; из них первые три легко растворимы в воде, последняя, гипс, труднее растворима, но не настолько, чтобы не быть легко выщелоченной из породы вместе с другими солями.

Немногим лучше обстоит дело с осадочными породами, в которых фосфорноизвестковая соль входит в состав остатков организмов или встречается в форме конкреций. В той и другой форме фосфат кальция от быстрого выщелачивания до некоторой степени защищен органическим веществом (хитином), которое его обыкновенно облекает. Кроме того, в осадочных породах, особенно в известняках, как в породах органогенных, фосфор сконцентрирован в гораздо больших относительных количествах, чем в породах первичных.

Оба эти обстоятельства обусловливают гораздо более медленный темп выщелачивания фосфора из осадочных пород. Сера в осадочных породах заключается так же, как и в породах первичных, в виде двухсернистого железа, но в форме минерала марказита, который выветривается скорее пирита.

Химическое выветривание внесло в рухляковую породу существенное изменение. Оно обогатило породу новым элементом, чуждым рухляку термического выветривания, элементом с ярко выраженным новым свойством.

Это свойство — функция чрезвычайного относительного развития поверхности, и оно резко сказывается в том, что в породе появилось новое свойство — связность, обязанная своим присутствием отложению в массе породы аморфных частичек ила мельче 0,001 мм в диаметре.

Немаловажное значение имеет и отложение в массе породы частичек аморфной кремневой кислоты крупностью от 0,01 до 0,001 мм. Их значение состоит в том, что они заполняют большие промежутки между крупными кристаллическими эле-ментами рухляка. Они влияют на уменьшение количества ила,

необходимого для придания всей массе породы связности. Масса породы, вследствие их присутствия, перестала быть простым сыпучим агрегатом частичек, — она обратилась в пористое тело.

Разница между этими двумя состояниями очень велика, она качественная. В новой породе обособился ряд новых свойств нового порядка. Порода стала обладать волосными, или капиллярнымиу свойствами. Эти новые свойства изменили отношение породы к внешней среде, и резче всего это изменение проявляется в отношении породы к воде и к растворам солей.

Отношение почвообразующих пород к воде. В рухляке термического выветривания отношение к воде выражалось только в проницаемости породы. После прекращения притока воды к поверхности породы вся вода из массы породы под влиянием силы тяжести стекала, кроме ничтожного количества ее, задержанного на поверхности частиц породы в виде тонкого слоя и в виде отдельных разрозненных менисков в точках и линиях соприкосновения частичек породы.

Вода передвигается в такой породе по законам свободного падения или по законам гидростатического давления, лишь количественно измененных процессами трения и прилипания.

Отложение между элементами породы тонких аморфных частичек слило все промежутки породы в одну сплошную волосную сеть, одинаково развитую во всех направлениях. В такой массе вода передвигается уже по законам волосности. Она передвигается независимо от силы тяжести или давления всегда в направлении от более влажных частей породы к менее влажным. Скорость этого движения прогрессивно-за-медленная.

Величина параметра прогрессии скорости затухания этого движения зависит от начальной скорости движения. Чем больше начальная скорость, тем быстрее затухает движение, и, наоборот, чем начальная скорость движения меньше, тем оно продолжительнее, и тем медленнее оно затухает.

В такой породе вся вода из капельножидкого состояния обращается в волосную.

Очевидно, что наряду со свойством волосности новая порода приобретает и свойство влагоемкости, т. е. начинает развиваться один из элементов плодородия почвы, способность производить запас воды.

Вместе с тем ясно, что запас воды, произведенный такой породой, не обладает еще достаточной прочностью. Вся масса породы обладает однородной волосностью, и весь запас воды в ней всегда готов всей своей массой переместиться туда, куда направит его единственный стимул, определяющий направление и скорость его движения, разность потенциалов влажности.

Развитие агрегатного состояния почвообразующей породы* Одновременно с волосным процессом и под влиянием той же основной причины обогащения рухляка илом и аморфной кремневой кислотой в породе, возникшей в результате химического выветривания, развивается и другой порядок процессов.

Под влиянием чрезвычайного развития внутренней поверхности породы частичные силы этой поверхности начинают проявлять свойства коллоидальной среды. Огромная поверхность иловатых частичек равномерно распределена по поверхности частичек аморфной кремневой кислоты. Вследствие того, что аморфная кремневая кислота заполняет все промежутки между кристаллическими элементами породы, последняя как бы насквозь пропитана массой частичек ила.

Огромная поверхность частичек каолина, окиси железа и окиси марганца, а также, вероятно, и аморфной кремневой кислоты начинает играть роль, близкую к роли осадков, находящихся в состоянии коллоидального измельчения. На поверхности их частичек концентрируется часть тех солей, из взаимодействия которых они произошли. Эти соли, удерживаемые на поверхности частичек составных элементов ила силой частичного притяжения, реагируют с циркулирующими в массе

породы растворами солей, обмениваясь с ними в эквивалентных отношениях анионами и катионами. В породе начинается развитие нового свойства, поглотительной способности, которое будет рассмотрено в дальнейшем.

Здесь уместно будет указать только на значение этого свойства, поглотительной способности, или адсорбции. Обыкновенно предполагают, что это свойство прямо выражает способность породы удерживать в себе запас зольной пищи растений. Адсорбция это свойство проявляет лишь косвенно, и ее преобладающее значение иного порядка.

Под влиянием химического выветривания в рухляке образуется углеизвестковая соль. Большая часть этой соли вымывается из породы, но часть ее удерживается силой частичного притяжения на поверхности иловатых частичек рухляковой породы.

Значение этого процесса очень велико. Под его воздействием механические элементы породы поддерживаются в состоянии агрегатов. Вся масса породы расчленяется на отдельные самостоятельные агрегаты, или системы. Причины этого процесса мне пока неясны.

Все процессы в таких агрегатах протекают совершенно изолированно от других агрегатов. Особенно большое влияние эта изолированность агрегатов оказывает на связность породы и на ее водный режим. Связность каждого отдельного агрегата может быть очень велика, но связность всей массы породы выражена очень слабо, так как поверхность соприкосновения агрегатов друг с другом очень невелика по сравнению с величиной поверхности соприкосновения между собой механических элементов, слагающих агрегаты.

То же касается и отношения агрегатной породы к воде. Проницаемость породы очень велика, ибо, попав в массу породы, вода сразу всасывается агрегатами и в них принимает свойства волосной воды, и так как агрегаты изолированы друг от друга, то и вода в них становится совершенно неподвижной.

Тем самым волосные ходы самой массы рухляковой породы остаются открытыми для дальнейшего волосного движения. Таким образом беспрерывно парализуется закон прогрессивного затухания скорости волосного движения воды, и агрегатная порода приобретает свойства так называемой всасывающей породы. Запас воды в агрегатах такой породы приобретает свойство обеспеченности, — он не передвигается волосным движением.

Но когда порода, обладающая агрегатным состоянием, по той или другой причине лишается углекислой извести, агрегатное состояние породы переходит в раздельночастичное. В таком состоянии порода приобретает большую связность, и вся вода в ней сливается в одну сплошную подвижную массу волосной воды.

Из всего вышеизложенного необходимо сделать один основной вывод, что из горной породы только процессы выветривания почвы создать не могут. Эти процессы могут только подготовить горную породу к процессу образования из нее почвы, положить только начало возможности развития тех отношений к воде и элементам пищи растений, одновременное наличие которых составляет существенный признак почвы, ее плодородие.

Под воздействием процессов выветривания из массивной горной породы образуется, рухляковая порода, которая обладает только зачатками существенного свойства почвы. Такие породы носят название почвообразующих, или материнских, пород, и совокупность процессов, путем которых на почвообразующей породе развивается почва, носит название почвообразовательного процесса.

Глава вторая

ОБЩАЯ СХЕМА ПОЧВООБРАЗОВАТЕЛЬНОГО ПРОЦЕССА

Накопление в почве элементов пищи растений.— Большой, геологический круговорот веществ.— Поглотительная способность почвы.— Избирательность поглотительной способности почвы.— Избирательная поглотительная способность—свойство зеленых растений, а не почвы.— Синтез и разрушение органического вещества как сущность почвообразовательного процесса.— Малый, биологический круговорот зольной и азотной пищи растений.— Количественная ограниченность биологически важных элементов.— Группы наземных зеленых растенийОтложение отмершего органического вещества группами зеленых наземных растений.—Группы низших бесхлорофилльных растений.— Растительные формации в аспекте почвоведения.— Перегнойные вещества почвы.— Природный перегной как продукт синтеза низших незеленых растений.— Лизиметры.— Природные перегнойные кислоты.— Ульминовая кислота.— Гуминовая кислота.— Креповая, или ключевая, кислота.— Апокреноваяf или осадочноключевая, кислота.— Анаэробное разложение органического вещества в природных условиях.— Аэробно-бактериальное разложение органического вещества в природных условиях.— Разложение мертвого деревянистого органического вещества грибным процессом.

Рухляковая порода, из которой развивается почва, для того чтобы стать последней, Должна накопить ряд количественных изменений, которые в своей общей совокупности сложатся в качественный признак, в' существенное свойство почвы, плодородие. Во время процесса выветривания тем же путем в породе постепенно возникают и развиваются свойства, обеспе

чивающие развитие первого элемента плодородия, отношения к воде. Сначала возникает проницаемость, далее развилась волосность, наконец, появились зачатки влагоемкости. Каждое из этих отдельных свойств в своем высшем проявлении представляет как бы антитезу другого. Большая проницаемость, т. е. крупность промежутков между частичками почвы, исключает большую волосность. Сильно выраженная волосность мешает проявлению значительной влагоемкости, так же как при высшем развитии влагоемкости окончательно затухает волосность. Между тем осуществление условий плодородия требует наличия одновременного присутствия всех этих свойств в их ясном выражении.

Накопление в почве элементов пищи растений. Одновременно в почвообразующей породе для осуществления наличия второго элемента плодородия должны скопиться в возможно большом количестве и в усвояемых соединениях элементы пищи, необходимые для построения органического вещества.

Все необходимые зольные элементы находятся в горных породах, но в совершенно различных количественных соотношениях, причем количественное содержание элементов пищи растений в горных породах находится почти в правильном обратном отношении к величине потребности в них растений. Наибольшие требования растения предъявляют к азоту, — в горных породах азота совсем не содержится. Дальше следует фосфор, требуемый растениями также в значительных количествах,— в горных породах фосфор содержится в таких ничтожных количествах, в состоянии такого редкого рассеяния по всей массе породы, что присутствие его во всех породах удалось установить лишь после выработки очень точных .способов его определения. Дальше в нисходящем порядке следуют калий и сера; они присутствуют в породах уже в значительных количествах. Затем кальций и магний требуются растениями в очень малых количествах, и в породах их почти всегда избыток. Наконец, ничтожная потребность растений в железе

и марганце встречает почти неограниченное количество их в породах.

Из рассмотрения процессов выветривания с очевидной ясностью вытекает, что этот процесс ни в какой мере не может служить объяснением факта концентрации в почве элементов пищи растений. Процесс выветривания служит только первоначальным тодчком для переведения веществ пищи в усвояемое растениями состояние, в форму растворимых в воде соединений или для освобождения их от каменной оболочки горных пород.

Большой, геологический круговорот веществ. Но самый факт обращения элементов пищи растений при процессе вы-ветривания в растворимое в воде состояние подчиняет их большому, геологическому круговороту веществ.

Вода беспрерывно испаряется с поверхности океана, падает дождем на поверхность суши, пропитывает кору выветривания, растворяет в ней все растворимое и в реках уносит все растворенное в океан. Часть унесенных этим путем элементов пищи растений усваивается планктоном моря и дальше, служа пищей рыбам, вновь возвращается на сушу с вылавливаемой птицами, животными и человеком рыбой. Но преобладающее количество элементов пищи растений остается в океане в виде отмерших организмов и их отбросов, принимая участие в образовании осадочных горных пород. Пройдут геологические эпохи, пока эти породы станут сушей. Очевидно, что почва должна обладать способностью удерживать и таким путем концентрировать элементы пищи растений.

Поглотительная способность почвы. В самые ранние периоды развития почвоведения предполагали, что во время выветривания горных пород в рухляке образуются из продуктов выветривания новые минералы, водные силикаты, которые, подобно минералам цеолитам, обмениваясь основаниями с солями, образующимися при выветривании породы, способны удерживать элементы пищи растений в почве. Эти минералы

называли почвенными цеолитами и считали, что они содержатся в тончайшей глинистой части почвы и от количества их зависит степень так называемой поглотительной способности почвы, или ее адсорбции.

Это представление было скоро опрокинуто. Оно противоречит основному закону, по которому конечные продукты процесса не могут войти во взаимоотношения при термодинамических условиях своего образования. Цеолиты — минералы глубинные и на дневной поверхности земли быстро подвергаются выветриванию с образованием знакомых нам конечных продуктов выветривания алюмосиликатов.

Если взять три почвы, супесь, суглинок и торфяную, то окажется, что поглотительная способность супеси едва выражена, она очень сильна в суглинке и в торфяной почве выражена настолько, что поглощенные ею основания становятся даже недоступными растениям. Между тем глинистых элементов, количество которых должно было бы определять степень поглотительной способности почв, содержится в супеси и в суглинке одинаковое количество (около 4%), а в торфяной почве их совсем нет.

Наконец, можно привести такое соображение: наш кишечный канал обладает несомненной поглотительной способностью. Из сложнейшей пищевой смеси он поглощает те минеральные элементы, которые нужны организму,— фосфор, известь, серу. Неужели можно из этого сделать заключение, что у нас в кишках находятся цеолиты?

Повидимому, не стоило бы останавливаться на таких архаизмах, но еще до сих пор приходится встречаться с указаниями на цеолиты почвы. И до сих пор еще пользуются «методом аналогии» для построения «научных» гипотез, особенно часто в области почвоведения.

Указывали далее на абсорбцию и на адсорбцию как на причины концентрации в почве элементов пищи растений. Но, как будет видно дальше, абсорбируются не основания или

кислоты, а соли или молекулы. Адсорбируются так называемые обменные основания, т. е. катионы ионизированных молекул, которые в адсорбированном состоянии сохраняют способность обмениваться в эквивалентных отношениях со всеми другими катионами присутствующих в почвенном растворе солей оснований с сильными кислотами. Поэтому адсорбированные основания представляют чрезвычайно подвижный комплекс соединений, которому совершенно чужда функция накопления и концентрации. Кроме того, адсорбция совершенно лишена избирательной способности.

Избирательность поглотительной способности почвы. Между тем почва отличается от образующего ее рухляка именно своей избирательной способностью концентрировать и накапливать элементы зольной пищи растений.

Сопоставление и анализ ряда процессов, наблюдаемых в природе, привели к верному объяснению причин основного отличия почвы от материнской породы. Уже пример приведенного в предыдущей главе увеличения содержания концентрации' фосфора в осадочных известняках дает ясное представление о характере процесса. Избирательная поглотительная способность кишечного канала высших животных, приведенная выше как пример суждения до аналогии, дает подобное же указание; повышенная поглотительная способность торфяных почв — все это процессы одного порядка. Обогащение почвы азотом, вслед-ствие роста на ней бобовых, усваивающих свободный азот воздуха, тоже факт, в котором биологические процессы неизменно• связаны с концентрацией жизненно важных элементов.

Нам известно только одно состояние минерального вещества, совершенно защищенного от растворения в воде,— это состояние живого органического вещества. Как только органическое вещество отмирает, его элементы минерализуютсяу тотчас делаются растворимыми в воде и поступают в большой, геологический круговорот воды. Они устремляются по направлению к океану, где на геологические периоды будут по-

гребены в недоступных биологическим элементам суши глубинах.

Избирательная поглотительная способность—свойство зеленых растений^ а не почвы. Самое общее представление о причине концентрации зольных элементов пищи растений и азота

в поверхностных горизонтах рухляковой породы легко составить на основе анализа распределения массы корневой системы зеленых растений и ее длины в послойно углубляющихся горизонтах почвы или породы. Всякому известно, что если из рыхлой почвы выкопать любое растение и отмыть приставшую к его корням землю, то вынутые из воды корни расположатся в форме конуса, обращенного основанием вверх и вершиной вниз. Если высушить полученную таким образом корневую

систему и разрезать ее по длине на равные отрезки, то взвешиванием легко установить, что наибольший вес или масса корней расположена сверху. По мере удаления от поверхности в глубину масса корней уменьшается (рис. 1).

В диаметрально противоположном направлении развита длина корней по горизонтам. В поверхностном горизонте мы видим всего несколько наиболее толстых корней или один главный корень. Чем глубже мы будет опускаться по горизонтам вниз, тем все больше будут ветвиться корни, и одновременно они будут становиться все тоньше.

Припомним также, что всасывание корнем воды осуществляется только посредством корневых волосков и что только в состоянии водного раствора элементы золы и соединения азота могут проникнуть в корень. Продолжительность существования корневых волосков не превышает одних суток, и на участке корня, на котором отмерли корневые волоски, они уже больше не возобновляются, кожица корня превращается в пробковую ткань, и поступление воды в растение через этот участок корня прекращается.

Ясно, что главная масса элементов поступает в корень из нижних горизонтов почвы, в которых длина молодых корней наиболее развита, и следовательно, глубокие горизонты породы обедняются сильнее верхних элементами золы и азотом.

Усвоенные из почвы элементы золы и азот откладываются растением в синтезированном им органическом веществе. И если даже пренебречь надземной массой, то и в корневой системе эти элементы распределяются пропорционально массе органического вещества, т. е. преимущественно в верхних горизонтах породы. В них же проникают после разрушения надземных частей растений нелетучие части органического вещества.

Таким образом, самый факт биологического процесса роста и развития растений, а следовательно, и образования органического вещества заключает в себе моменты, которые при-

водят к развитию второго элемента плодородия почвы, концентрации в ней элементов зольной пищи растений и азота.

Синтез и разрушение органического вещества как сущность почвообразовательного процесса. Само собой понятно, что приведенный процесс представляет лишь самую общую, самую широкую схему. В природном проявлении мы встречаем чрезвычайно сложный комплекс процессов, развертывающихся на общем фоне этой руководящей схемы.

Прежде всего в основной процесс врывается другой, также биологический, но противоположный первому процесс разрушения органического вещества гетеротрофными организмами.

Малый, биологический круговорот зольной и азотной пищи растений. Оба процесса неразрывно взаимно связаны, составляя в совокупности малый, биологический круговорот зольной и азотной пищи растений.

Этот биологический круговорот развертывается на части траектории большого, геологического круговорота веществ в природе, и выяснение преобладающего направления и темпа процессов, слагающих биологический круговорот, и представляет задачу первого раздела почвоведения как науки. Изучение же способов регуляции направления и темпа явлений, слагающих те же процессы, составляет задачу второго раздела почвоведения земледелия.

Прежде чем перейти к изучению отдельных моментов почвообразовательного процесса, необходимо установить следующее основное положение.

Развитие второго элемента плодородия почвы, концентрации в ней элементов пищи растений, представляет функцию развития самого растения на рухляковой почвообразующей породе.

Вместе с тем уже выше было выяснено, что под влиянием процессов выветривания элементы пищи растений неминуемо подвергаются выщелачиванию из рухляка выветривания.

Из сопоставления этих двух положений с очевидностью вытекает третье основное положение. Очевидно, что оба цикла

4 в. Р. Вильямс

процессов, и выветривания, и почвообразования, должны неминуемо протекать одновременно и совместно.

Процесс почвообразования не может ни предшествовать процессу выветривания, ни осуществляться по окончании процесса выветривания. Первый случай неосуществим вследствие того, что основной фактор почвообразовательного процесса, растительный организм, не будет иметь необходимой ему воды. Во втором случае тот же растительный организм будет лишен зольных элементов пищи.

Оба процесса должны осуществляться в порядке развития одновременно и совместно, и степень развития одного неминуемо определит степень развития другого.

Количественная ограниченность биологически важных элементов. В основе малого или биологического круговорота веществ на земном шаре лежит свойство всех элементов земли, их количественная ограниченность. В особенно выраженной форме это свойство касается элементов зольной пищи растений, без которых невозможно создание органического вещества, носителя потенциальной энергии, преобразованной зелеными растениями из кинетической энергии солнечного луча.

Единственный способ придать элементу конечному, количественно ограниченному, свойство бесконечного —это придать ему циклическое движение, заставить его вращаться в круговороте.

Природа широко использует этот принцип. Он покоится в основе симбиотических отношений между категориями организмов, которые путем продолжительного природного отбора выработали эти взаимоотношения. Ими из большого абиотического круговорота веществ на земном шаре вырывается ряд элементов, которые, постоянно увлекаемые в новый, малый, по сравнению с большим, биологический круговорот, надолго, если не навсегда, вырываются из траектории большого круговорота и вращаются непрерывно расширяющейся спиралью в обратном направлении в малом, биологическом. На безжиз-

н?нном фоне геологических процессов возникает и развивается жизнь.

С точки зрения почвоведения жизнь есть беспрерывная смена процессов создания и разрушения органического вещества. Так как эта беспрерывная смена производит как беспрерывные, так и скачкообразные изменения в условиях среды, в которой она совершается, то всякое новое поколение живого, наиболее приспособленное к новым условиям, должно нести в себе отличия, определяемые новыми условиями среды. Накопляясь, эти изменения неминуемо приводят к глубоким качественным различиям, которые в геологической перспективе мы воспринимаем как эволюцию. Плавность ничтожных количественных изменений часто ускользает от нашего внимания. Мы их воспринимаем лишь тогда, когда они сложились в качественное различие, в скачок. Качественные различия скачков мы и воспринимаем как революционные моменты эволюции.

Почвообразование представляет один из следов этого беспрерывного процесса эволюции жизни на земной поверхности. Это один общий, грандиозный по масштабу и продолжительности процесс, зародившийся в то время, когда термодинамические и электрохимические условия безжизненных процессов развития Земли определили появление жизни, которая в дальнейшем своем развитии определяет и смену геологических эпох. Но наука была в состоянии уловить лишь наступление качественных изменений эволюции почвообразования, которые и отличала как периоды, стадии и фазы его развития в современную геологическую эпоху.

При изучении взаимоотношения процессов создания и разрушения органического вещества необходимо разобраться в общих свойствах организмов, участвующих в процессах, и в совокупности последствий их жизнедеятельности, составляющей сущность процесса почвообразования.

Из организмов, создающих органическое вещество, в почвоведении будут рассмотрены преимущественно наземные зеленые

растения. Хемотрофные организмы будут рассмотрены лишь постольку, поскольку их участие в почвообразовательном процессе уже изучено.

Из организмов, разрушающих органическое вещество,в почвоведении рассматривается лишь деятельность бесхлорофиллъ-ных растений. Про участие животных и человека обыкновенно говорят, что оно мало изучено и не укладывается еще в рамки систематического изложения. Если это утверждение и справедливо по отношению к низшим животным, то оно совершенно не приложимо к влиянию высших животных и человека. Оно настолько полно изучено, что уже представляет предмет особого раздела почвоведения, земледелия.

Группы наземных зеленых растений. С точки зрения участия в почвообразовательном процессе все разнообразие наземных зеленых растений, обладающих корневой системой, укладывается в две основные группы: растений деревянистых и растений травянистых.

Отличие этих двух групп можно свести к нескольким моментам.

Растения деревянистые все многолетние. Продолжительность их жизни измеряется десятками лет, часто столетиями, иногда тысячелетиями. В противоположность первой группе растения травянистые —однолетники. Это утверждение как будто противоречит существованию «многолетних» злаков, осок, ситников, луковичных. На самом деле, у этих растений все вегетативные органы, стебли, листья и корни, существуют только один год и все растение целиком ежегодно отмирает, кроме созревших семян и подземных побегов, из которых на следующий год развивается новое растение с новой корневой системой, вновь целиком отмирающее после созревания семян и зимующих побегов.

Однолетние травянистые размножаются только семенами, которые могут быть отнесены на большие расстояния от материнского растения. «Многолетние» травянистые, кроме семян.

размножаются еще и подземными зимующими побегами. Последние отходят от материнского растения на незначительное расстояние и на следующий год развиваются рядом с местом, занимавшимся отмершим материнским растением, создавая этим иллюзию многолетности.

Группу действительно многолетних травянистых растений составляют только мхи, зеленые и сфагновые, которые занимают особое место в почвообразовательном процессе, но у них совершенно отсутствует корневая система.

Соединительное звено между многолетними и однолетними растениями составляют две группы растений. К первой принадлежат многолетние травянистые бобовые и немногие другие, у которых ежегодно отмирают все надземные органы, но корень и травянистая корневая шейка живут несколько лет, образуя ежегодно новые надземные стебли и поверхностные корни. Их можно называть полу травянистыми.

Вторая группа — так называемые полу деревянистые растения, или полукустарники, которые, кроме многолетней корневой системы, обладают еще и подземными деревянистыми стеблями или деревянистой простой или разветвленной корневой шейкой или пеньком. Из этих деревянистых подземных органов развиваются ежегодно отмирающие травянистые стебли.

Кроме разобранного основного отличия, группа деревянистых .растений отличается еще и тем, что все органы их содержат значительное количество древесины. Древесина придает всем частям деревянистых растений свое существенное свойство, упругость, степень которой возрастает вместе с увеличением влажности части деревянистого растения.

Вместе с древесиной все части деревянистых растений пропитаны дубильными веществами, как растворимыми в воде, так и их нерастворимыми производными Эти вещества придают всем частям деревянистых растений характерный вяжущий вкус.

Кроме дубильных веществ, во многих деревянистых растениях, например, в хвойных и вересковых (?) содержатся и настоящие смолы. Смолы представляют раствор смеси свободных смолевых кислот, пимаровой, абиэтиновой, сильвиновой и других, в смеси углеводородов, в скипидаре.

Эти кислоты после отгонки скипидара получаются в виде всем известной канифоли.

В противоположность деревянистым, все травянистые растения содержат лишь небольшое количество древесины, почему их органы и отличаются лишь малой упругостью в сухом состоянии и совершенно утрачивают ее в мокром или влажном состоянии. Они не обладают и устойчивой кислой реакцией. Кислый вкус некоторых травянистых растений зависит от содержания в их клеточном соке кислых солей и свободных кислот, щавелевой, яблочной, лимонной, реже других. Эти соединения только растворены в клеточном соке, а не пропитывают вещества тканей, и поэтому после отмирания растений легко вымываются дождевой водой из мертвых остатков, которые вскоре после отмирания приобретают нейтральную реакцию.

Сопоставляя все вышеизложенное, мы найдем глубокую разницу во влиянии этих двух групп растений на ту среду, в которой они развиваются.

Отложение отмершего органического вещества группами зеленых наземных растении* Деревянистые растения отлагают в течение года мертвое органическое вещество, отпадающие листья или хвою, отмершие ветви, чешуи коры и т. д., исключительно на поверхности породы. В массе породы в течение года деревянистые растения не откладывают мертвого органического вещества, — их корни многолетни.

Мертвое органическое вещество под пологом деревянистых растений откладывается рыхлым слоем вследствие своей упругости, и поэтому масса его легко проницаема в равной мере как для воды, так и для воздуха. Отложившееся органическое вещество всегда содержит дубильные вещества (рис. 2).

Травянистые растения ежегодно откладывают мертвое органическое вещество как на поверхности почвы, так и в массе <ее. Если припомнить, что надземная масса травянистых растений служит главной пищей многочисленным травоядным, в противоположность мертвым отбросам деревянистых, то необходимо притти к заключению, что мертвые остатки травянистых откладываются преимущественно в массе почвы.

Отложенное травянистыми органическое вещество почти не обладает упругостью, и вскоре после отмирания его в нем устанавливается нейтральная реакция.

Группа травянистых растений ярко подразделяется на две самостоятельные группы: луговые и степные растения. Эти последние две группы не отличаются резко по видовому составу. Между тем мы достаточно ярко различаем понятия луг и степь. Различие между ними основано только на моменте ежегодного отмирания травянистого покрова этих природных угодий.

Луг отмирает в начале зимы, с наступлением устойчивых морозов. Замерзание почвы, т. е. переход содержащейся в ней воды в твердое состояние, не доступное корням растений, определяет наступление момента физиологической сухости почвы.

Условия среды в момент отмирания массы органического вещества луговых растений ясны. Глубокой осенью почти все промежутки почвы заполнены водой. Во всяком пористом теле

вода и воздух — антагонисты на основании простой аксиомы физики, что два тела одновременно не могут занимать одно и то же пространство. Весной, когда почва оттает, количество воды в ней достигает своего максимального содержания, и следовательно, на основании предыдущего, содержание воздуха в почве достигает своего минимума. Условия температуры не требуют пояснений.

Степь отмирает летом, и не вследствие относительного недостатка в воде, а вследствие ее действительного отсутствия. Наступает не физиологическая, а физическая сухость почвы. Растительность степи сама испарила всю воду из почвы для создания своего урожая. Совершенно ясно, что органическое вещество, отмершее в степной почве, окажется в условиях, диаметрально противоположных тем, в которых оказывается органическое вещество луга в момент своего отмирания. В почве степи в это время влажность будет в минимуме, а аэрация, содержание воздуха, в максимуме.

Кроме того, для возможного освещения начальных моментов развития почвообразовательного процесса необходимо рассмотреть и значение синтезирующих органическое вещество хемотрофных микроорганизмов. Это будет сделано в дальнейшем.

Группы низших беехлорофилльных растений. Что касается организмов, разрушающих органическое вещество, использующих его как источник энергии и пищи, то, как уже было указано выше, будет рассмотрено только участие в почвообразовательном процессе низших, беехлорофилльных растений.

Прежде всего все бесхлорофилльные растения распадаются на две большие группы. Первая группа — растения, разрушающие органическое вещество в присутствии свободного кислорода воздуха, или аэробные организмы. Вторую группу составляют растительные организмы, разрушающие органическое вещество в отсутствие свободного кислорода воздуха,— это анаэробные организмы.

Группа анаэробов состоит только из одного ботанического класса растительных организмов. Ее слагают только анаэробные бактерии.

Что касается группы низших аэробных растительных организмов, то в состав ее входят два класса растений, аэробные бактерии и грибы (и актиномицеты).

Таким образом имеются три группы незеленых низших растений, разрушающих органическое вещество:

1)    анаэробные бактерии,

2)    аэробные бактерии и

3)    грибы (и актиномицеты).

Группы бактерий отличаются от группы грибов и актино-мицет, кроме морфологических и других признаков, изучаемых ботаникой, еще и своими отношениями к условиям среды, в которой они развиваются. Группы тех и других бактерий требуют для своего развития нейтральной или слабощелочной реакции среды, и присутствие в среде дубильных веществ служит непреодолимым препятствием для их развития. Дубители — антисептики против бактерий. Грибы и актиномицеты мирятся и с ясно выраженной кислой реакцией.

Растительные формации в аспекте почвоведения. При сопоставлении требований трех групп незеленых растений с условиями среды мертвого органического вещества, ежегодно отлагаемого тремя группами зеленых наземных растений, обнаруживается полное согласие между этими требованиями и создающимися условиями.

Деревянистые растения скопляют мертвое органическое вещество на поверхности почвы. Мертвые остатки этих растений всегда содержат дубильные вещества и лежат рыхлым слоем на поверхности почвы, т. е. в условиях полного аэро-биозиса.

Перечисленные условия в точности отвечают требованиям грибов, настолько строго, что влияние бактерий на древесину и все органы деревянистых растений исключено. Дубильные

вещества представляют непреодолимое препятствие для развития бактерий на всех органах деревянистых растений. Дубление применяется для предохранения от бактериального разложения такого легко гниющего вещества, как кожа. Между тем всякий из личного опыта знает, что дубление не предохраняет кожу от разложения грибами. При благоприятных условиях влажности дубленая кожа в сыром помещении легко плесневеет.

Мертвые органические остатки травянистых растении совершенно удовлетворяют требованиям бактерий, и на них редко наблюдается массовое развитие грибов, вероятно, вследствие соперничества бактерий. Из предыдущего ясно, что в условиях отложения остатков луговых растений будут преимущественно развиваться анаэробные бактерии, тогда как в условиях отложения мертвых остатков степных растений деятельность анаэробов совершенно исключена и господствует исключительно жизнь аэробных бактерий.

Природные комбинации этих групп зеленых и бесхлорофиллъ-ных растений называются в почвоведении растительными формациями.

Отличают следующие растительные формации наземных растений:

1.    Деревянистая растительная формация, слагающаяся из сожительства деревянистых зеленых растений, грибов, актиномицет и, как это будет видно дальше, анаэробных бактерий.

2.    Луговая травянистая растительная формация, в которой сожительствуют луговые травянистые зеленые растения, аэробные бактерии и в резко выраженном преобладании анаэробные бактерии.

3.    Степная травянистая растительная ф о р м а ц и я, состоящая всего из двух членов, степных травянистых зеленых растений и аэробных бактерий.

Повидимому, необходимо выделить и четвертую:

4. Пустынную растительную формацию, в которой роль организмов, созидающих органическое вещество, делится в последовательном порядке между хемотрофными бактериями и водорослями, а роль организмов, разрушающих мертвые остатки этих организмов, принадлежит в таком же последовательном порядке бактериям обоих типов и грибам, і Эта растительная формация еще очень мало изучена, главным образом, вследствие трудной доступности областей ее незамаскированного проявления. Прежде чем перейти к изучению обоюдного взаимодействия элементов растительных формаций и почвообразующей породы, необходимо вникнуть в некоторые отличительные признаки почвы.

Перегнойные вещества почвы. Из числа таких признакоа давно обратило на себя внимание содержание в почвах перегноя. Было время, когда содержание перегноя считалось признаком, отличающим почву от материнских пород. В настоящее время этот признак оставлен, так как мы знаем наземные образования, не содержащие перегноя, которым мы не можем отказать в названии почв; к таким принадлежат, например, почвы степной зоны.

Перегнойные вещества уже давно были основательно изучены Берцелиусом. Попытки * уточнения реззгльтатов, полученных этим ученым, привели к чрезвычайной путанице. Муль-дер и Детмер, предполагая получить перегнойные вещества в чистом виде, отождествили, на основании только сходства цвета, природные перегнойные соединения почвы с теми продуктами,-которые получаются в результате воздействия кислот и щелочей на углеводы: сахар и крахмал. Впоследствии группу окрашенных веществ, получаемых из углеводов, стали называть искусственными перегнойными веществами. Эти искусственные перегнойные вещества — безазотные тела — и представляют соединения иного порядка, чем природные перегнойные соединения. Последние все содержат азот, входящий в значительном количестве в состав их молекулы.

Кроме сказанного, почти все исследователи пользуются для извлечения перегнойных веществ растворами гидратов щелочей, их углекислых солей или фосфорнокислых щелочей. При этом получается сложнейшая вытяжка из всех живых и мертвых элементов почвы, и считать черную жидкость, вытекающую из почвы при этих условиях, за раствор перегнойных веществ нельзя. Такую черную жидкость можно получить из любого органического тела: муки, соломы, сена, опилок, трупа любого животного.

Насколько осторожно нужно относиться к «анализам» перегнойных веществ, можно видеть хотя бы из того, что часто при анализе навеску почвы предварительно обрабатывают по способу Грандо соляной кислотой и промывают водой для удаления всего «растворимого» перегноя. После удаления этого «растворимого» перегноя из почвы, раствором щелочи выделяют «нерастворимый» перегной, и после ряда операций определяют и находят в нем «растворимый» перегной, хотя он весь уже удален.

Чрезвычайная путаница во взглядах на перегнойные вещества привела, наконец, к признанию их «коллоидальными» веществами. Само собой разумеется, что это слово ничего не объясняет, так как коллоидальных веществ нет, а известно только состояние коллоидального измельчения тел.

Обыкновенно рассматривают перегнойные вещества как промежуточные продукты окисления органических веществу синтезированных зелеными растениями. Это крайне неопределенное понятие — пережиток того времени, когда разрушение органического вещества рассматривалось как чисто абиотический процесс, и с таким определением нельзя согласиться.

Существенное свойство всех промежуточных продуктов — их неспособность к накоплению в условиях их образования, так как при этих условиях они немедленно переходят в конечный продукт. Между тем скопляются колоссальные массы перегноя,

например, в черноземе, где количество перегноя достигает 14—17%, и в торфяных почвах, где это количество нередко дос тигае т 20 —25 % •

В отношениях между распадающимся телом и продуктами его распада также должны существовать определенные зависимости. Очевидно, что продукты распада должны быть молекулярно проще, чем распадающееся тело. В противном случае можно говорить только о синтезе, но не о распаде. Между тем все исследователи единогласно приходят к убеждению, что молекулярный вес перегнойных веществ чрезвычайно велик. Молекула перегнойных веществ сложнее, чем молекула белков, одного из самых конституционно сложных растительных веществ, «образующих» при своем распаде перегной.

Очевидно также, что продукты распада не могут содержать таких химических элементов, которые не содержались в распадающемся теле. В противном случае также должно говорить о синтезе. Между тем при распаде углеводов, не содержащих азота, получается перегнойное вещество, в котором конституционного азота больше, чем в белковых веществах.

Все эти соображения категорически йе позволяют остаться на старой точке зрения, рассматривающей перегной как продукт распада органического вещества, не только промежуточный, но и конечный.

Природный перегной как продукт синтеза низших незеленых растений. Теперь коренным образом изменился взгляд на причины распада природного органического вещества.

Необходимо признать за природным органическим веществом как за конечным продуктом той комбинации процессов, которая называется жизнью, свойство устойчивости при термодинамических условиях его образования. Природное органическое вещество может быть разрушено абиотическим путем только при изменении термодинамических условий его образования. Его можно сжечь, подвергнуть сухой перегонке при нормальном или измененном давлении, или оно может подвергнуться дей

ствию катализаторов или энзим, работа которых сводится к нарушению динамических условий его образования.

При термодинамических условиях своего образования природное органическое вещество может быть разрушено только биологическим путем.

Всякий жизненный процесс неизменно связан с выделением организмом ряда отбросов. Эти отбросы могут быть двоякого происхождения. Или они продукты обмена веществ, т. е. продукты распада того органического вещества, которое служит источником энергии и пищи организма, или они представляют энзимы и другие вещества, которые выделяются организмом во внешнюю среду для воздействия на органическое вещество, источник энергии организма, или его ійици, или для создания условий воздействия этих энзим.

Все отбросы организма обладают одним общим свойством. Все они представляют яды (токсины) по отношению к выделившему их организму и ко всем организмам того же порядка. Они могут накопляться в среде, окружающей организм, только до известного, очень невысокого предела, после которого их присутствие начинает действовать угнетающим образом на жизнедеятельность организма, и при дальнейшем их накоплении жизнедеятельность организма прекращается, и организм отмирает. Примером этого может служить угольная кислота, которую мы выдыхаем и присутствие которой в атмосфере в количестве только 0,5% делает последнюю безусловно смертельной. Другим примером может служить желчь, смесь нескольких ферментов и других веществ, необходимых при пищеварении. Мы постоянно выбрасываем отработавшую желчь, но при некоторых болезнях наступает смертельное, острое отравление желчью.

В природных условиях происходит беспрерывное взаимное оздоровление среды обитания благодаря процессу симбиоза организмов разных порядков. Отбросы организмов одного порядка разрушаются организмами другого порядка. Пример симбиоза

в масштабе земного шара: люди и животные и все зеленые и незеленые растения непрерывно выделяют углекислоту; зеленые растения непрерывно ее разрушают, сводя содержание углекислоты в атмосфере к безвредному минимуму в 0,03%.

Отбросы второго порядка, энзимы, выделяемые организмами, обладают рядом общих свойств. Все они представляют тела с большим содержанием азота, источника динамической энергии, и все они отличаются чрезвычайной сложностью состава и молекулярного строения.

Перегнойные вещества почвы отвечают этим двум условиям, и напрашивается мысль, на которую наводит все вышеизложенное, что главная масса почвенного перегноя представляет так называемые экзоэнзимы трех типов микроорганизмов: бактерий аэробных и анаэробных и грибов, которыми эти незеленые микроорганизмы действуют на мертвое органическое вещество, разрушая его для получения энергии и пищи. Чтобы проверить верность этого предположения, необходимо убедиться, что они отвечают и третьему условию — токсичности по отношению к группе организмов, их выделивших. Попытаемся подойти к проверке этого положения путем анализа условий и результатов трех типов разложения природного органического вещества, в природных же условиях.

Берцелиусом были установлены три перегнойные кислоты, которые он изучил и свойства которых были им твердо установлены. Но ему не удалось получить их в кристаллической форме, вследствие применения им метода выделения их из соответствующих материалов посредством слабых растворов углекислых щелочей. При этом способе извлекается всегда и кремневая, и титановая кислоты, в присутствии которых перегнойные вещества не кристаллизуются. Кроме того. Берцелиус применял небольшие навески и получал лишь очень малые количества перегнойных веществ.

Лизиметры. Мне удалось получить все три перегнойные кислоты Берцелиуса в кристаллической форме. Для получения

перегнойных веществ я употреблял большие объемы почв, по 4 куб. м каждой. Почвы были заключены в лизиметры с поверхностью в 4 кв. м (рис. 3—8). На этих почвах поддерживались в течение ряда лет природные условия анаэробного, аэробного бактериального и грибного процессов разложения. Анаэробный процесс шел в торфяной почве и установился в моренной красной глине после того, как она природным путем заселилась луговой флорой. Аэробный процесс бурно развивался на структурной пойменной глине. Грибной процесс развивался на трех типах почв: на моренной глине, засаженной еловыми саженцами на моренном песке под пологом густо посаженных саженцев березы и на таком же песке, покрытом мертвым покровом, лесной подстилкой из елового насаждения, собранным с 4 кв. м и ежегодно весной возобновлявшимся.

Кроме того, исследование велось в таких же лизиметрах, наполненных дерново-подзолистой почвой, черноземной почвой, черноземным солончаком под природной растительностью и лишенным всякой растительности моренным песком.

Все почвы были заложены в лизиметры с строгим соблюдением порядка слоями по 10 см и с уплотнением каждого слоя до природного объема.

Каждый лизиметр по диагоналям дна был снабжен дренажем из коротких, широких стеклянных трубок, выходящих в центральный коридор лизиметрической батареи.

Все количество воды, доставляемое каждым лизиметром, в течение круглого года ежедневно точно измерялось и немедленно фильтровалось через бактериальный фильтр, отдельный для каждого лизиметра. После фильтрации все количество воды количественно выпаривалось на водяных банях в фарфоровых чашках. Осадок с чашек отделялся острым, как бритва, стальным шпателем и высушивался до постоянного веса с точностью до 0,001 г. После высушивания осадки по каждому лизиметру соединялись, растворялись в воде и подвергались дробной кристаллизации.

Осадки с фильтров смывались обратным давлением столба воды и собирались отдельно. Кроме лизиметрических вод, исследовался таким же образом и плотный остаток из дренажных вод торфяного, песчаного и глинистого неорошаемых участ

ков Люблинских полей орошения г. Москвы, меженние и полые воды реки Москвы и атмосферные осадки.

Таким образом, перегнойные вещества по мере их образования извлекались из почвы чрезвычайно слабым раствором природных почвенных солей в природной воде атмосферных осадков. Растворы перегнойных веществ отличаются весьма "малой концентрацией, так что пришлось выпарить в среднем до 5 млн. куб. см жидкости для каждого лизиметра, чтобы получить достаточное для исследования количество перегнойных веществ.

Работа над природными перегнойными веществами, полученными при этих опытах, продолжается мною поныне. Природные перегнойные кислоты. Согласно исследованиям

Рис. 4. Лизиметр VII. Моренная глина под покровом щучки.

Берцелиуса, в общем подтвержденным в моей работе, природные перегнойные вещества почвы представляют три кислоты. Названия для них я предпочел сохранить те, которые вошли в историю науки, ульминовая, гуминовая и креновая. Эти три кислоты всегда приурочены к трем типам разложения природного органического вещества:

ульминовая или бурая перегнойная кислота к анаэробному; гуминовая или черная перегнойная кислота к аэробному бактериальному и

креновая или бесцветная перегнойная кислота к грибному.

Всегда при наличии этих процессов в почвах появляются соответствующие кислоты.

Свойства перегнойных кислот уже были изучены Берце

лиусом, и моими работами внесены лишь несущественные дополнения.

Ульминовая кислота. Ульминовая кислота выделяется в окружающую среду жизнедеятельностью анаэробных бактерий, легко растворима в воде, образуя жидкость темнобурого цвета, в тонких слоях —желтого цвета. Окрашивает лакмус в красный цвет. Дает легко растворимые в воде и кристаллизующиеся соли калия и натрия. Аммиачная соль получается путем реакции обмена.

При действии свободного аммиака ульминовая кислота окра

шивается в черный цвет и превращается в ближе не изученные продукты разложения. Соли двуокисей, полуторных окисей и тяжелых металлов в воде нерастворимы.

Ульминовая кислота обладает способностью денатурироваться, т. е. переходить без изменения состава в нерастворимое в воде состояние* Этот переход совершается при различных условиях. При продолжительном кипячении она постепенно переходит в порошковатое аморфное тело темнобурого цвета. При замораживании она целиком переходит в хлопьевидный слизистый осадок коричневого цвета. При высушивании этот осадок обращается в блестящие бурые чешуи или куски, обладающие раковистым изломом и легко измельчаемые. Денатурированные модификации ульминовой кислоты названы

Берцелиусом улъмином. Порошковидная форма ульмина ни при каких условиях не переходит в хлопьевидную модификацию. Реакция денатурирования необратима. При вытеснении дру

гими кислотами из солей или при разрушении ее солей иным путем ульминовая кислота всегда выделяется в хлопьевидной форме ульмина. Под влиянием раствора нейтральных и щелочных солей щелочных металлов хлопьевидный ульмин переходит в коллоидальный раствор разнообразной степени дисперсности. При этом катион части соли удерживается в состоянии поглощения. При замещении одновалентного катиона поглощенной соли многовалентными катиона мидву окиси или'трехвалентного железа ульмин выпадает в форме нерастворимого осадка агре

гатного порошка, но не в форме хлопьевидной модификации. При отделении поглощенной соли механическим путем при посредстве ультрафильтра ульмин выпадает в форме порошка.

Ульмин и соли ульминовой кислоты разрушаются как аэробными бактериями, так и грибами.

Гуминовая кислота. Гуминовая кислота, кроме состава, очень близка по свойствам к ульминовой кислоте, отличаясь от нее, повидимому, лишь в количественном отношении. Гуминовая кислота менее растворима в воде. Ее насыщенный водный раствор интенсивно черного цвета. В прямом свете

очень сильного источника раствор гуминовой кислоты в более тонких слоях просвечивает густым вишневым цветом, тогда как ульминовая кислота в тех же условиях просвечивает коричневым цветом. Отношения гуминовой кислоты к процессу денатурации те же, как и у ульминовой кислоты. Гуминовая кислота обладает всеми свойствами, описанными для ульминовой кислоты. Соли гуминовой кислоты и гумин интенсивно черного цвета, приобретают при тонком измельчении красные оттенки, в отличие от коричневых оттенков солей ульминовой кислоты.

Гумин и соли гуминовой кислоты разрушаются аэробными бактериями и грибами.

Бреновая, или ключевая, кислота. Совершенно особняком стоит креповая кислота. Она совершенно бесцветна, растворима в воде и кислотах во всех отношениях, обладает характерным запахом, хотя не летуча. Креповая кислота не денатурируется ни при каких условиях, и все ее соли растворимы вводе. Соли креновой кислоты легко образуют кристаллы. Ее железная соль дает довольно крупные яркожелтые призматические кристаллы.

Даже слабые растворы свободной креновой кислоты сильно разъедают фарфор и стекло, делая их матовыми, и легко растворяют металлическое олово и непрозрачную кварцевую посуду.

Апокреновая, или осадочноключевая, кислота. При действии на раствор кренатов в разведенных кислотах водорода в момент выделения получаются апокренаты, или соли апокре-новой кислоты. Свободная апокреновая кислота в неденату-рированном состоянии мне неизвестна. Соли апокреновой кислоты ‘с щелочными металлами легко растворимы в воде. Из солей ее с двуокисями соль извести отличается сравнительно большей растворимостью и при сгущении ее раствора выделяется на стенках сосуда в виде неплотно пристающего аморфного агрегатного осадка желтовато-белого цвета. Соль двухвалентного

железа легко растворима в воде. Соль трехвалентного железа легко растворима в крепкой соляной кислоте без разложения и при сгущении раствора легко выпадает в форме рубиновокрасных кристаллов ромбической системы, содержащих кристаллизационную соляную кислоту. При медленном сгущении раствора легко получаются кристаллы до 1 см в поперечнике.

При разбавлении водой концентрированных растворов апо-крената трехвалентного железа в крепкой соляной кислоте выпадает тончайший аморфный порошок апокрената. Он оседает на дно сосуда, пока присутствует в растворе соляная кислота. Но если последнюю удалить диализом, то апокренат в чистой воде остается взмученным неопределенно долгое время, создавая полную иллюзию взмученной красной глины. По удалении воды апокренат вновь целиком растворяется в крепкой соляной кислоте и дает такие же кристаллы, как и раньше.

При разбавлении слабого раствора апокрената окиси железа в соляной кислоте водой получаются, в зависимости от его концентрации, хлопья, не отличимые по виду от осадка гидрата окиси железа, или вся жидкость застывает в плотное желе.

Апокренат алюминия образует оранжево-желтые кристаллы, содержащие кристаллизационную соляную кислоту. При сильном разбавлении водой эта соль выпадает в осадок в виде мо-лочно-белой Эхмульсии, которая не осветляется месяцами и проходит через самые плотные бумажные фильтры (№ 602 extra hart. S. u. S.). После испарения воды остается соломенно-желтый аморфный осадок, растворимый в крепкой (30%) соляной кислоте и образующий вышеупомянутые кристаллы.

Особенно интересны отношения апокреновой кислоты к крепкой серной кислоте. Если кипятить апокренат окиси железа с крепкой серной кислотой, то апокренат разрушается, окись железа растворяется в серной кислоте, но жидкость не обесцвечивается даже после 100 часов кипячения на голом огне. В состоянии кипения серная кислота окрашена в золотисто-желтый или бурый цвет; после остывания, когда прекращается движ ение

жидкости, на дно сосуда оседают бурые хлопья апокреновой кислоты. Окисление апокреновой кислоты происходит только после многократного прибавления в кипящую серную кислоту ничтожными порциями тонко измельченной марганцево-калиевой соли до обесцвечивания жидкости.

Мы потому так долго остановились на перегнойных веществах почвы, что нам придется в дальнейшем использовать эти данные.

Обратимся теперь к анализу процессов, происходящих при природном проявлении разложения органических веществ.

Анаэробное разложение органического вещества в природ* ных условиях. Анаэробное разложение в природных условиях проявляется там, где органическое вещество скопляется в форме сконцентрированной массы. При этом не имеет значения, распределено ли органическое вещество в массе какого-либо пористого тела или оно скопилось сплошной самостоятельной массой. Основная причина этого процесса та, что поверхностный слой органического вещества, соприкасающийся с воздухом, неизбежно подвергается аэробному разложению. Это аэробное разложение поверхностного слоя поглощает весь кислород, который путем диффузии стремится проникнуть в массу органического вещества.

Состояние влажности органического вещества в этом случае не играет роли, лишь бы была обеспечена потребность анаэробных бактерий в воде.

Но отношение органического вещества к воде играет в разбираемом случае другую роль. Природные органические вещества, способнее быть смоченными, представляют самые влагоемкие тела. Влагоемкость же неразрывно связана в обратном отношении со скоростью волосцого движения воды в массе влагоемкого тела.Чем больше влагоемкость тела, тем медленнее происходит волосное движение воды в его массе. В природных органических веществах быстрота передвижения волосной воды практически равна нулю.

Очевидно, что при начавшемся анаэробном разложении в массе органического вещества должно начаться и накопление ульминовой кислоты, которая осмотически будет равномерно распределяться в среде. По мере накопления ульминовой кислоты ее угнетающее действие на ход разложения должно увеличиваться, так как застойная вода, заключенная в массе органического вещества, не может ее удалить вымыванием. Во время хода анаэробного разложения никаких веществ, которые могли бы нейтрализовать ульминовую кислоту, не образуется. Если рухляковая порода содержит обломки известняка, могущего нейтрализовать ульминовую кислоту, то вследствие полной нерастворимости образующегося ульмата >кальция обломки известняка быстро покрываются его бурой нерастворимой корочкой, не проницаемой для ульминовой кислоты.

Поэтому анаэробный процесс должен, постепенно затухая, прекратиться до тех пор, пока не наступят условия, обезвреживающие влияние ульминовой кислоты. Вредное влияние ульминовой кислоты или другого токсина может быть уничтожено или удалением его из среды промывкой, или испарением путем вентиляции, или его усреднением, обращением его в нейтральное тело, или обращением его в недеятельное нерастворимое тело, денатурированием.

В условиях осуществления анаэробного процесса вода, пропитывающая органическое вещество, находится в неподвижном состоянии, и удаление ульминовой кислоты промывкой не может осуществиться; также не может ульминовая кислота быть удалена испарением, вследствие ее нелетучести. При этом процессе не образуется веществ, могущих усреднить кислоту, и поэтому остается только денатурация, обращение в нерастворимое нейтральное тело, ульмин.

Денатурация ульминовой кислоты в природных условиях происходит только под влиянием понижения температуры, зимой. Вследствие этого анаэробный процесс интенсивно про-

мекает только весной, после зимних морозов, и по мере своего течения он постепенно затухает до полного прекращения. Очевидно, что чем энергичнее он протекает вначале, например, в случае благоприятной температуры, тем быстрее он должен затухнуть под влиянием энергичного темпа накопления ульминовой кислоты. Этот процесс повторяется ежегодно.

В результате такого прерывистого проявления и слагается существенное свойство анаэробного процесса, сохранение части мертвого органического вещества, консервируемого накопляющейся ульминовой кислотой.

Аэробно-бактериальное разложение органического вещества в природных условиях. Полную противоположность анаэробного процесса представляет процесс аэробный бактериальный. В природе он осуществляется в тех случаях, когда мертвое органическое вещество травянистых растений скопляется настолько рассеянной массой, что поверхностные горизонты -его не могут служить достаточно сомкнутым фильтром, задерживающим путем поглощения весь кислород, стремящийся проникнуть в массу органического вещества.

Отмирающее в природных условиях органическое вещество состоит всегда или из целых растений, или из целых органов растений: корней, листьев, ветвей. Их масса всегда содержит ряд азотсодержащих органических веществ. При бактериальном аэробном процессе разложения этих веществ всегда образуется аммиак в качестве промежуточного продукта. Аммиак как продукт обмена веществ представляет токсин по отношению к аэробному процессу. Его токсическое влияние настолько велико, что, например, при механическом анализе перегнойных почв приходится им пользоваться, чтобы предотвратить их аэробное разложение. Для этого достаточна прибавка такого количества аммиака, чтобы получить содержание его, равное 0,01 % в водном растворе (1 куб. см 40-процентного раствора аммиака на 3 л воды).

Одновременно с образованием аммиака во время аэробного

бактериального процесса выделяется и гуминовая кислота. Совершенно ясно, что свободная кислота, гуминовая, и свободное основание, аммиак, не могут остаться таковыми в одной и той же среде. Они немедленно по образовании соединяются, давая нейтральную гуминовоаммиачную соль. Эта соль как нейтральная не влияет токсически на жизнедеятельность аэробных бактерий; она сама служит субстратом для развития ряда аэробных бактерий.

Повидимому, в природе этот процесс, по крайней мере, в некоторых случаях, совершается по несколько более сложной схеме. Аммиак, повидимому, сперва соединяется с угольной кислотой, получающейся также в результате аэробного разложения органического вещества. Образующаяся углеаммиачная соль представляет, однако, устойчивое соединение только в атмосфере чистой углекислоты. В обычных условиях углеаммиачная соль диссоциирует вновь на .свободную углекислоту и аммиак, который и реагирует с гуминовой кислотой.

Аммиак гуминовоаммиачной соли как промежуточный продукт не может накопиться в сколько-нибудь значительном количестве, и под воздействием аэробных бактерий, нитро-зомонаса и нитробактера, обращается в азотистую и в азотную кислоты. Очевидно, что при этом процессе из гуминовоаммиачной соли вновь выделяется в свободном состоянии гуминовая кислота, так как связывавший ее в соль аммиак перестал существовать как таковой. Но из солей гуминовая кислота всегда выделяется в форме денатурированной, в виде гуминау совершенно не растворимого в воде.

Выделившийся гумин сам служит превосходным субстратом для развития аэробных бактерий, которые и разрушают его.

Образующиеся при процессе разрушения аммиака азотистая и азотная кислоты, в свою очередь, вытесняют из новых порций гуминовоаммиачной соли эквивалентное количество гуминовой кислоты, которая в виде гумина распадается дальше по той же-схеме.

Таким образом, при аэробном бактериальном процессе среда, окружающая природное органическое вещество, автоматически освобождается от вредных продуктов разложения, и при нем нацело разрушается как первоначальное органическое вещество, так и гуминовая кислота. Все элементы органического вещества быстро и полно минерализуются, и весь процесс в целом представляет диаметральную противоположность анаэробного процесса.

Разложение мертвого деревянистого органического вещества грибным процессом. Остается рассмотреть последний процесс разложения органического вещества, грибной.

Грибной процесс разложения деревянистого органического вещества также аэробный, и при нем в среду, окружающую органическое вещество, выделяется креновая кислота. При этом процессе из азотсодержащих соединений аммиак во внешнюю среду не выделяется, и, следовательно, креновая кислота не может быть нейтрализована. Креновая кислота неспособна денатурироваться; она нелетуча и в свободном состоянии не может быть разрушена ни одним из бактериальных процессов, вследствие ее яркокислой реакции, ни грибным процессом, так как она представляет биологический отброс самого грибного процесса.

Поэтому единственным способом обезвреживания среды, в которой протекает грибной процесс, остается вымывание креновой кислоты из среды током воды.

Очевидно, вымывание может осуществиться исключительно нисходящим током воды. Восходящий [ток] только повлек бы за собой концентрацию кислоты в поверхностном горизонте среды, в котором протекает аэробный грибной процесс. Поэтому грибной процесс требует для возможности своего осуществления нисходящего тока воды как безусловно необходимого условия.