В. Р. Вильямс (1937) считал, что структурный комок почв представляет простые уплотненные и прочно склеенные перегноем отдельности почвенной массы. К. К. Гедройц (1926) называет структурной способностью почвенной массы распадаться на комки или агрегаты различной величены, которые представляют комплексы механических элементов, склеенных между собой с большей или меньшей прочностью. Н. А. Качинский (1958), как и В. Р. Вильямс, считает, что агрономически ценная структура должна быть мелкокомковатой и зернистой с агрегатами диаметром 1-10 мм, механически прочной и водопрочной, что обуславливает длительное сохранение структуры при обработке почвы и после искусственного ее увлажнения. Автор считает, что в природе имеются почвы с ореховатыми или зернистыми водопрочными агрегатами, но они характеризуются отрицательным физическим режимом и, следовательно, в агрономическом отношение менее ценны. К таким почвам относятся солонцы, слитые черноземы и некоторые другие почвы.
Структура почвы классифицируется следующим образом:
Глыбистая часть почвы: крупные глыбы > 10 см
средние глыбы 3-10 см
мелкие глыбы 1-3 см
Комковатая часть почвы: крупные комки 3-10 мм
средние комки 1-3 мм
мелкие комки 0,5-1 мм
зернистые элементы 0,25-0,5 мм
Распыленная часть почвы: микроструктурные элементы 0,01-0,25 мм
пылевато-глинистые частицы < 0,01 мм
Различные агрегаты только тогда являются показателем степени физического состояния почвы, когда они способны противостоять разрушающему действию воды. Это свойство почвенных агрегатов В. Р. Вильямс называл водопрочностью. Она обуславливается физико-химической связью минеральной и органической частей почвы. Различают водопрочность истинную, или безусловную (Пигулевский, 1936), и ложную (Тюлин, 1928). Почвенные агрегаты характеризуются истинной водопрочностью, если они в воздушно-сухом состоянии при быстром погружении в воду не теряют формы и не разрушаются. Ложный агрегат этими свойствами не обладает.
Раманн (1890) считает, что образование структуры почвы обусловлено физико-химическими причинами. Формирование агрегатов происходит под влиянием растворимых солей, подобно осаждению глины от прибавления солей. Наиболее сильной осаждающей способностью обладают соединения кальция, затем магния и калия, последние место занимают натриевые соли. П. А. Костычев (1892) писал, что глина и перегнойные вещества играют роль цемента, связывающего механические элементы.
По мнению К. К. Гедройца, для образования водопрочной структуры почвы исключительно большое значение имеют поглощенные основания. Он писал, что структурообразователей надо искать в почвенном поглощающем комплексе, свойства которого, обуславливаемые в первую очередь составом его поглощенных катионов, являются решающими в отношении величены и характера прочности структуры. В образовании агрегатов почвы К. К. Гедройц придавал большое значение органическим веществам. Он считал, что органическая часть почвенно-поглощающего комплекса наиболее высокодисперсная и поэтому играет особо важную роль в процессах структурообразования почвы.
Согласно рассмотренным взглядам, ведущая роль в формировании водопрочной структуры почвы принадлежит в основном гумусовым веществам, глинистым минералам и поглощенным катионам (Хан Д.В., 1965).
Главный запас органических веществ в почве представлен соединениями специальной природы – собственно гумусовыми веществами, которые образуются из растительных и животных остатков, а также продуктов жизнедеятельности микроорганизмов. Содержание гуминовых веществ в почве составляет сравнительно не большой процент от ее веса. Несмотря на то, что большинство почв малогумусных, влияние гумусовых веществ на почвообразование и плодородие почвы исключительно велико.
Образование почвенной структуры может быть обусловлено различными силами. Чаще всего оно вызвано склеиванием частиц и микроагрегатов набухающих в воде периферийными оболочками частиц и последующим высыханием. Своим возникновением структура обязана всем процессам, вызывающим неравномерные объемные изменения в почвенной массе, - увлажнению и высыханию, замерзанию и оттаиванию почвы и др. Существенную роль в расчленении почвенной массы на структурные отдельности играют корневые системы растений, действие почвенной фауны, механическая обработка почвы и другие факторы.
Зависимость между общим содержанием гумусовых веществ и количеством водопрочных агрегатов в почве.
Отечественными и зарубежными учеными была предпринята попытка установить зависимость количества водопрочных агрегатов от содержания в почве гумусовых веществ и на этой основе показать значение гумусовых веществ в формировании водопрочной структуры. А. И. Набоких (1914), Ф. Ю. Гельцер (1940), финский ученый Хейнонен (1955) и ряд других зарубежных ученых (Baver, 1935; Rogers, 1939…) проводили исследования, но полученные ими данные не позволяют говорить о какой–либо определенной связи между количеством микроагрегатов и содержанием в них перегнойных веществ. Это обстоятельство послужило основанием заключить, что в образовании водопрочных почвенных агрегатов решающую роль играет не только количественное содержание гумуса, сколько его качественный состав (Качинский).
В формировании водопрочных агрегатов могут принимать участие различные компоненты, составляющие органическое вещество почвы: органические соединения неспецифической природы (полисахариды, полиурониды, слизистые вещества микробного происхождения, белковые вещества, битумы, смолы, лигнин), а также собственно гумусовые вещества – гуминовые кислоты и фульвокислоты.
При проведении ряда опытов с органическими соединениями неспецифической природы с: полисахаридами (гемицеллюлоза), полиуронидами, слизистыми веществами микробного происхождения, белковыми веществами, группами битумов, смол, восков и других органических соединений извлекаемых смесью спирта и бензола было выявлено, что они не играют заметной роли в формировании водопрочных агрегатов почвы.
Гуминовые кислоты и фульвокислоты.
И. В. Тюрин (1937) считал, что в процессе цементации макроструктурных агрегатов почвы главная роль принадлежит свежеобразованным гуминовым веществам, которые, кроме того, должны обладать и значительной устойчивостью к разложению, что является необходимым условием большей или меньшей прочности образующейся структуры.
И. Н. Антипов-Каратаев и И. А. Хаинский (1935) на основании косвенных наблюдений считали, что в структурообразовании участвуют молекулярно растворимые формы гуминовой и ульминовой кислот.
По мнению Н. А. Качинского и его соавторов (1950), структурные комки образуются при участии гуминовой и ульминовой кислот. Такие агрегаты почвы механически прочны и, что особенно важно, обладают водопрочностью, поэтому они длительное время могут противостоять размывающему действию воды.
Робинсон и Пейдж (1951) изучали стойкость агрегатов при удалении гумусовых веществ перекисью водорода. Оказалось, что по мере окисления гумусовых веществ агрегаты почвы теряли устойчивость и разрушались. На этом основании авторы сделали вывод, что гумусовые вещества цементируют почвенные частицы в агрегаты.
Одной из характерных особенностей гуминовых кислот и фульвокислот является их хорошая растворимость в щелочных растворах. Используя это свойства, И. Н. Антипов-Каратаев с соавторами (1948), А. Б. Рубашов (1949), В. В. Келлерман (1959) исследовали влияние гумусовых веществ на структуру почвы, наблюдая за распадом водопрочных агрегатов при непосредственном извлечении из них гуминовых кислот, фульвокислот и других органических веществ 0,1 н. раствором NaOH.
Удаление перегнойных веществ щелочным раствором вызывает сильное разрушение водопрочных агрегатов почвы. Это особенно резко проявилось на почвах Кура-Араксинской низменности, где агрегаты почти полностью распались. Количество фракций <0,25 мм в результате распада исходных водоустойчивых агрегатов достигло 70-80%. Несколько другая картина наблюдалась в черноземе. Исходные агрегаты распались полностью, но на более крупные фракции. Все это дает основания утверждать, что ведущая роль в образовании водопрочных агрегатов почвы играют именно перегнойные вещества типа гуминовых кислот и фульвокислот, так как они извлекаются совместно щелочным раствором.
А. В. Рубашов (1949) методом А. Ф. Тюлина (1928)выделил водопрочные агрегаты различного размера и пытался установить количественные закономерности содержания в них рыхлосвязанной гуминовой кислоты и фульвокислот. Однако устойчивой зависимости обнаружено не было. К такому же результату пришел С. А. Владыченский (1939).
И. Н. Антипов-Каратаев с сотрудниками (1948) и В. В. Келлерман (1959) изучали влияние гуминовых кислот и фульвокислот на образование водопрочных агрегатов в почвах различных типов.
Аналогичные исследования были проведены польскими учеными Бирецким и Гастолом (1961). Они подтвердили, что исследуемые агрегаты почвы как по общему содержанию, так и по содержанию гуминовых кислот и фульвокислот, независимо от вариантов опыта, не отличаются друг от друга. Но эти материалы не дают еще возможности установить, какая из фракций принимает участие в формировании водопрочной структуры почвы.
Японские ученые Егава и Секидо (1956) пытались выяснить влияние гуминовых кислот и фульвокислот на образование водопрочных агрегатов почвы размером 2,5-1 и 0,1 мм. Оказалось, что в агрегатах почвы размером 0,1 мм наблюдалась определенная тенденция увеличения фульвокислот, тогда как в агрегатох почвы размером 2,5-1,0 мм преобладали гуминовые кислоты. Это послужило основанием заключить, что гуминовые кислоты более эффективно действуют на образование агрегатов почвы, чем фульвокислоты.