Существует великое множество природных почвенных образований различных типов, которые морфологически отличаются друг от друга. Однако есть ряд общих признаков, которые позволяют нам называть их почвами: они располагаются на поверхности Земли, представляют собой компоненты соответствующих экосистем, накапливают органическое вещество в виде гумуса и, главное, они плодородны.
Рассмотрим более подробные характеристики почв как составных частей различных экосистем. Для экосистем характерно так называемое неосознанное целеполагание. Наиболее четко это положение сформулировал американский ученый Кеннет Уатт (Kenneth E.F. Watt): "Сообщество животных и растений в любом месте земного шара представляет собой совокупность видов, которая обеспечивает максимальное использование попадающей на Землю солнечной радиации". Почвы представляют собой среду, которую населяющие ее организмы приспосабливают для своего существования. Таким образом осуществляется оптимальное выполнение основной функции экосистемы. В итоге почвы должны эволюционировать в направлении повышения их устойчивости, достигая практически совершенных параметров для существования биоты.
Наиболее важную роль в обеспечении почвенного плодородия играет коллоидная составляющая почв. Именно она обеспечивает высокую влагоудерживающую способность почв, накопление в почвах питательных веществ, обусловливает существование почвенной макроструктуры и, как следствие, почвенного плодородия.
До недавнего времени представления о структурной организации почвенных коллоидов носили общий характер. Считалось, что коллоидные частицы существуют в почвах в виде двух коллоидных систем: плотных гелей на поверхности относительно крупных почвенных частиц, а также в виде органических и неорганических коллоидных частиц в почвенном растворе. Как следствие, почву часто рассматривали не как систему, обусловленную функциональным взаимодействием входящих в нее частей, а как набор частиц, различных, в том числе и коллоидных, размеров, т.е. очень часто в этой сфере применялся достаточно упрощенный подход.
Почвенные коллоиды на полуколичественном уровне активно изучали до середины прошлого века. Появление в тот период методов рентгенофазового анализа и электронной микроскопии переориентировало интересы исследователей и позволило получать новые интересные и важные для почвоведения результаты. Недостаточность внимания, которое уделяли изучению почвенных коллоидов, имела объективные причины. Химические методы анализа определения содержания ионов или молекул в почве были хорошо разработаны и достаточно просты. Рентгенофазовый анализ и микроскопия позволяли изучать вещества в микросостоянии. А вот методы исследования почвенных компонентов в коллоидном состоянии были в тот период разработаны недостаточно.
Наноструктурная организация почв
В материаловедении в последнее десятилетие большое внимание уделяется изучению наноструктурной организации материалов и взаимодействию между собой различных уровней их организации. К 2000 г. группа экспертов Национального научного фонда США сделала заключение о безусловном приоритете исследований в области нанотехнологий и наноматериалов, а в 2000 г. в США была начата долгосрочная комплексная программа, названная "Национальная нанотехнологическая инициатива".
Следует отметить, что изучение наноматериалов и развитие нанотехнологий было подготовлено рядом открытий, сделанных в последнее время: созданием сканирующего туннельного (1981 г.) и атомно-силового микроскопа (1986 г.), экспериментальным обнаружением фуллеренов (1985 г.), изучением размерных эффектов, гетероструктур, процессов самоорганизации, фрактальных образований и ряда других эффектов и явлений.
В мире существуют сотни почв различных типов, которые морфологически отличаются друг от друга
Развитие нанотехнологий и накопление в почвоведении новых данных заставили нас обратить внимание и на наноструктурную организацию почв. Необходимо было проверить наличие подобной организации в почвах и понять ее принципы.
Используя методы, применяемые в нанотехнологиях - просвечивающую и растровую электронные микроскопии, атомно-силовую микроскопию, рентгенолокальный анализ и ряд других, - удалось выяснить, что молекулы органического вещества почв взаимодействуют между собой, образуя матрицу гумусового студня, которая включает в свой состав минеральные частицы различных размеров. Коллоидная составляющая почв фактически представляет собой гумусовый студень, армированный минеральными частицами.
Несмотря на морфологические различия исследованных почв, во всех них наблюдается общий принцип наноструктурной организации. Для изучения ее единообразия ученые обратились к методу малоуглового рассеяния нейтронов. Этот метод обладает определенными преимуществами, т.к. не требует никакой пробоподготовки и позволяет видеть статистическую картину (размер пучка нейтронов составляет 14 мм).
Для лучшего понимания целесообразности использования метода малоуглового рассеяния нейтронов следует обратить внимание на суть его применения для исследования почв. Происходит взаимодействие пучка нейтронов с почвой. Частицы коллоидных размеров рассеивают нейтроны под малыми углами. Причем если они образуют фракталы и, взаимодействуя с излучением, ведут себя как независимые излучатели, т.е. находятся на расстоянии друг от друга, то показатель "порода" для этих объектов меньше трех, и они являются массовыми фракталами. Чем больше среднее расстояние между коллоидными частицами, тем меньше показатель "порода", который для массовых фракталов совпадает с фрактальной размерностью изучаемого объекта. Если показатель "порода" больше трех, то это означает, что коллоидные частицы находятся в контакте и не могут вести себя как независимые излучатели.
Основанием для предположения о фрактальной организации почвенных коллоидов стало то, что электронно-микроскопические фотографии наноструктур, выделенных из чернозема, напоминали снимки фрактальных кластеров. Первые же эксперименты подтвердили, что коллоидная структура почв обладает фрактальной организацией.
Таким образом, использование данного метода позволяло подтвердить (или опровергнуть) мысль о расположении коллоидных частиц в почвах, точнее, в матрице гумусового студня, на определенном расстоянии друг от друга.
Проведенные на образцах из нескольких десятков почв и почвенных горизонтов исследования свидетельствовали, что во всех случаях наблюдается рассеяние нейтронов, характерное для объектов, имеющих фрактальное строение. Причем для всех влажных и большинства воздушно-сухих почв фрактальная размерность меньше трех, т.е. коллоидные частицы находятся на расстоянии друг от друга.
Полученные результаты подтвердили единство наноструктурной организации всех исследованных почв и говорят о том, что, вопервых, коллоидные частицы во влажных и многих воздушно-сухих почвах находятся на расстоянии друг от друга, что можно объяснить только их стабилизацией в гумусовой молекулярной сетке, во-вторых, коллоидные частицы расположены в гумусовом студне упорядоченно, и подобные гелевые структуры распространены во всех изученных нами почвах и почвенных горизонтах.
Все вышеизложенное позволяет сделать вывод о том, что коллоидную структуру почв можно рассматривать как студень гумуса, армированный коллоидными частицами, который упрочнен за счет взаимодействия между органическими молекулами. При взаимодействии с водой армированный гумусовый студень ведет себя подобно многим полимерам - набухает, вбирая в себя воду и увеличиваясь в объеме. При высушивании происходит его усадка. Различные воздействия на почву изменяют состояние армированного полимерного гумусового студня, что приводит к наблюдаемому нами изменению свойств почв.
Практическое значение
Кроме того, что проведенные исследования расширяют наши представления о наноструктурной организации почв, они обладают также и практической значимостью. Проблема продовольствия во всем мире становится сейчас одной из приоритетных. Ее решение упирается в то, что ресурсы земель, которые можно использовать для сельскохозяйственного производства, ограничены. Огромное значение имеет также потеря почвами, в основном из-за их деградации, плодородия. Когда ухудшается почвенная структура, в первую очередь уменьшается содержание агрономически ценных агрегатов размером 2-5 мм. Как следствие, почвы уплотняются, нарушается водно-воздушный режим корневых систем растений. В результате после увлажнения в бесструктурных почвах сначала наблюдается период дефицита воздуха, затем период дефицита влаги.
Таким образом, структура почвы стала важнейшим фактором почвенного плодородия. И все остальные факторы, такие как, например, обеспеченность растений элементами питания, могут проявлять себя только на хорошо оструктуренных почвах. Внесение удобрений на почвах, лишенных структуры, недостаточно эффективно и не ведет к росту урожайности. Предпринимаются попытки отказаться от почвенной обработки, приводящей к ухудшению структуры почвы и минерализации гумуса, разрабатываются способы беспахотного выращивания однолетних культур и перехода на многолетние культуры. Однако эти технологии либо слишком дороги, либо находятся на ранних стадиях разработки. Поэтому одно из основных агротехнических мероприятий, направленных на повышение производительности сельского хозяйства, - это систематическое улучшение структурного состояния почв.
Почвенные гели определяют существование почвенной структуры - агрегацию почвенных частиц. Поэтому разработка способов получения искусственных гелей из дешевых природных материалов, медленно разлагаемых почвенной биотой, может оказаться весьма эффективным приемом улучшения свойств почв. Знание наноструктурной организации почвенных гелей позволяет целенаправленно разрабатывать способы их получения, используя подходы супрамолекулярной химии и синтеза гибридных материалов.
ОБ АВТОРАХ
Глеб Всеволодович Добровольский - академик РАН, доктор биологических наук, заслуженный профессор МГУ, лауреат Государственных премий СССР и России.
Геннадий Николаевич Федотов - доктор биологических наук, кандидат химических наук.
не удержалась.
Деньги приходится зарабатывать на науке. А это можно сделать только если твоя технология намного лучше аналогов. Кроме того, её надо ещё создать и откатать.