Как видим, в твердой части почвы в обменном состоянии находится двухвалентный катион (Са2+), а в растворе — хлорид одновалентного металла натрия, диссоциировавший на катион (Na+) и анион (Cl-). Катион натрия из раствора (Na+) поглощается ПК, а взамен из ПК в раствор переходит обменный катион Са2+. Вскоре между ПК и раствором наступит равновесие — в ПК и в растворе будут Са2+ и Na+. Но если процесс протекает в динамическом режиме, т. е. в почву поступают все новые и новые порции раствора (например, при засолении грунтовыми водами), то постепенно состав ПК может измениться и в нем вместо Са2+ начнет преобладать Na+ (рис. 1).
Исследования Гедройца показали, что в ПК почти всех почв входят обменные кальций и магний, в некоторых почвах содержатся также обменный натрий и водородный ион (Н+).
Позднее сам Гедройц и особенно его ученики и последователи доказали, что среди обменных катионов могут присутствовать также алюминий (Al3+), марганец (Mn2+) железо (Fe2+), аммоний (NH4+), калий (K+), микроэлементы — Ba2+, Sr2+, Cu2+, Ni2+ и т. д.
В некоторых почвах ПК содержит и обменные анионы — SO42-, Cl-, PO43- и др. Общее количество обменных катионов в почве обычно не превышает 1%, однако их роль отнюдь не пропорциональна количеству — она исключительно велика и определяет многие важнейшие характеристики почв, своеобразие отдельных типов. Различия, между черноземными, подзолистыми, солонцовыми и другими почвами Гедройц объяснял с позиций своего учения о поглощающем комплексе.
Рис. 1. Опыт, демонстрирующий обменную адсорбцию катионов (n и m — эквивалентные количества ионов)
Огромная заслуга Гедройца заключалась не только в исследовании сущности поглощения, но и в разработке аналитической методики определения обменных катионов, внедрившейся во все почвенные лаборатории мира.
Как же с позиций нового учения о поглотительной способности почв происходит формирование поглощающего комплекса, накопление обменных катионов? Легче всего разобрать этот вопрос, если рассмотреть почвообразование на гранитах и других изверженных породах, которые не содержат поглощающего комплекса.
В результате поселения и деятельности на скальной поверхности изверженных пород лишайников, а затем и высших растений начинается образование почв. Разложение органических остатков, выветривание минералов постепенно приводят к накоплению тонкодисперсных частиц — гумуса, глинистых минералов. Каждая частица обладает одной важной особенностью: атомы, расположенные внутри частицы, полностью уравновешивают свои валентности за счет соседних атомов, а атомы, расположенные на поверхности, уравновешивают не все валентные связи. Они-то и способны притягивать ионы из раствора, превращая их в обменные катионы и анионы (в зависимости от качества атомов). С этих позиций становится понятным, почему поглотительной способностью обладает преимущественно коллоидная часть почвы: только она имеет большую суммарную поверхность, большую поверхностную энергию.
Хотя обменные катионы и принадлежат к твердой части почв, они находятся в равновесии (или стремятся к такому равновесию) с катионами почвенного раствора. Поэтому почвы, в растворе которых среди катионов преобладают Са2+ и Mg2+, имеют ПК, насыщенный этими катионами. К таким почвам относятся черноземы. При разложении степной растительности в почву поступает много кальция и магния, которые постепенно насыщают поглощающий комплекс (в первую очередь кальций). Так ПК становится кальциево-магниевым. Это определяет специфические свойства почв — их нейтральную и слабощелочную реакцию[5], прочную структуру, высокое плодородие и т. д. Недаром Докучаев называл чернозем «царем почв» — в этом сказался и благоприятный для растений состав катионов.
Совершенно по-иному развиваются процессы в почвах тайги, где разложение хвои и других растительных остатков дает много органических кислот, для нейтрализации которых не хватает катионов кальция и магния. Поэтому в ПК в первую очередь входит водородный ион и в меньшей степени Са2+ и Mg2+. В результате ПК состоит уже из трех катионов — Н+, Са2+ и Mg2+. Это определяет так называемую обменную кислотность подобных почв, их менее благоприятные, чем у черноземов, агрономические свойства. Теория Гедройца объяснила, как нужно улучшать подзолистые почвы известкованием — надо вносить столько Ca, чтобы полностью вытеснить из ПК обменный водород. Так новая теория помогла практике решить исключительно важный вопрос о мелиорации кислых почв, занимающих большие площади в нечерноземной зоне нашей страны.
5
Преобладание кальция в поглощающем комплексе черноземов определяет и отражает господство этого катиона в почвенном растворе. А так как среди анионов преобладает HCO3- — продукт растворения CO2, то для почвенного раствора характерна система Са2+ + 2HCO3-, т. е. сочетание сильного катиона с анионом слабой кислоты, обеспечивающее слабощелочную реакцию (рН = 7—8,5).