XIII. ФОСФОР В ПОЧВЕ
XIII. ФОСФОР В ПОЧВЕ
«Исследование о нерастворимых фосфорнокислых соединениях почв было первой обширной опытной работой П. А. Коcтычева».
П. С. Коссович
В декабре 1879 года в Петербурге проходил шестой съезд русских естествоиспытателей и врачей. Съезды естествоиспытателей, созывавшиеся исключительно по почину передовых ученых России, были мощным и ярким выражением растущих сил отечественной науки. С трибуны шестого съезда о своем существовании заявила новая, еще мало кому известная отрасль естествознания — почвоведение. В. В. Докучаев, совместно с геологом профессором А. А. Иностранцевым (1843–1919), внес предложение «об основании в Петербурге почвенного музеума», который должен был играть роль первого научного центра по почвоведению у нас в стране. Предложение Докучаева было блестяще обосновано, и общее собрание съезда единодушно поддержало его.
Постановка важного вопроса о создании научного центра по почвоведению, естественно, привлекла внимание многих участников съезда — химиков, биологов, агрономов — к другому, уже специальному «почвенному» докладу — «О соединениях фосфорной кислоты, в виде которых она сохраняется в почве». Доклад этот был прочитан Костычевым. Прежде всего Костычев подверг глубокой критике существующие взгляды по этому вопросу, а затем изложил свою точку зрения. Невзирая на, казалось бы, непререкаемый авторитет таких известных химиков, как немец Петерc и французы Тэнар и Дегерен, Костычев показал несостоятельность их мнения о том, что фосфорная кислота содержится во всякой почве главным образом в виде солей железа или алюминия.
Костычев уже давно интересовался судьбой фосфора в почве. Этот химический элемент играл очень важную роль в жизни растений, но в почве его содержалось мало, обычно лишь около одной десятой доли процента. При анализах растений было замечено, что в соломе и листьях количество фосфора невелико, но зато в зерне его довольно много. Зерно же обычно отчуждается, увозится из хозяйства, и, следовательно, круговорот фосфора в земледелии носит дефицитный характер. Вот почему Энгельгардт и его ученики уделяли такое большое внимание применению в России в первую очередь именно фосфорных удобрений.
Но что делается с фосфором в почве? Для растений важное значение имеет тот фосфор, который находится в подвижном, легко растворимом состоянии. «Много ли такого фосфора бывает в почве?» — вот каким вопросом задался Костычев прежде всего.
Из образцов разных почв он делал «водные вытяжки», то-есть взбалтывал почву некоторое время с дистиллированной водой. Полученную мутную жидкость он тщательно отфильтровывал и в прозрачном фильтрате определял фосфор. Оказалось, что такого воднорастворимого фосфора в любых почвах содержится обычно очень мало. «При исследовании какой бы то ни было почвы, — говорил Костычев, — мы всегда найдем… что часть фосфорной кислоты может быть извлечена из почвы чистою водою; другая, большая часть фосфорной кислоты, напротив, в воде не растворяется».
Грандо утверждал, что вся фосфорная кислота почвы растворяется в черной перегнойной жидкости, но исследования Костычева этого не подтвердили. Оставалось предположить, что большая часть почвенного фосфора входит в состав каких-то труднорастворимых соединений. Большинство ученых считало, что этими соединениями будут фосфорнокислые соли железа и алюминия.
В те времена в качестве фосфорного удобрения применялись почти исключительно размолотые фосфориты. Они состояли из фосфорнокальциевой соли, или, иначе, из фосфорнокислой извести. Немецкий ученый Вагнер сделал предположение, что эта соль в почве тоже очень быстро целиком переходит в фосфорнокислое железо. Точка зрения Вагнера показалась Костычеву маловероятной, и он решил поставить специальные опыты по ее проверке. Он взял чистое фосфорнокислое железо и начал обрабатывать его водой; оказалось, что эта соль водой довольно легко разлагалась. Если к фосфорнокислому железу прибавить простой извести, то оно постепенно переходит в фосфорнокислую известь, а углекислый газ выделяется в атмосферу. Костычев доказал, что во многих почвах, и особенно в черноземах, фосфор присутствует в виде кальциевых солей фосфорной кислоты; солей же железа и алюминия содержится гораздо меньше. Это было важное открытие, но Костычев в своих исследованиях пошел дальше.
Он установил, что в почве могут встречаться разные фосфорно-известковые соли — более растворимая и менее растворимая. Эти две соли в почве постоянно переходят друг в друга. Если почва содержит много углекислого газа, то в ней увеличивается количество более растворимой фосфорно-известковой соли, пригодной для питания растений. В почве, бедной углекислотой, напротив, будет преобладать фосфор в виде труднорастворимого соединения. Это открытие Костычева давало возможность разработать методы перевода недоступного почвенного фосфора в форму, нужную для растений.
Костычев в то время еще не сделал из своих открытий такого вывода, что фосфор как-то должен быть связан с органическим веществом почвы. Но это и понятно: само это вещество он только начал изучать, о роли и работе микроорганизмов почвы он почти ничего еще не знал. Тем не менее его представления о минеральном фосфоре в почвах оказались совершенно правильными и даже в наше время претерпели лишь незначительные изменения.
На шестом съезде естествоиспытателей доклад Костычева с большим интересом слушали такие ученые, как К. А. Тимирязев, А. В. Советов, В. В. Докучаев, известный агрохимик профессор Петровской академии Г. Г. Густавсон (1842–1908) и многие другие. Открытием молодого ученого заинтересовался Д. И. Менделеев и посоветовал ему представить работу о фосфоре в почве как магистерскую диссертацию. Костычев решил воспользоваться этим советом: Ученая степень магистра могла дать ему возможность стать нештатным преподавателем, или, как тогда говорили, приват-доцентом университета, и читать там какой-нибудь специальный курс. Это, естественно, привлекало Костычева. Он очень быстро и с большим успехом сдает магистерские экзамены, проводит новые опыты и подготовляет свою диссертацию, которая в 1881 году была напечатана под названием «Нерастворимые фосфорнокислые соединения почв».
8 ноября 1881 года Костычев защищал свою диссертацию в открытом заседании физико-математического факультета Петербургского университета. По странной игре случая его оппонентами были профессора университета Д. И. Менделеев и А. В. Советов — те самые известные ученые, работы которых он в свое время подверг критике на страницах «Земледельческой газеты».
Сообщение самого Костычева было сделано в свойственной ему сжатой и ясной форме. Официальные оппоненты дали работе высокую оценку и приветствовали в лице Костычева многообещающего исследователя-экспериментатора. Многие видные ученые указывали на то важное значение, которое имела в истории науки работа Костычева о почвенном фосфоре.
«Благодаря Костычеву, — писал H. M. Сибирцев, — мы гораздо отчетливее представляем себе теперь состав и изменяемость фосфорнокислых солей в почве». И действительно, эта работа Костычева явилась крупным и совершенно самостоятельным исследованием очень важного и запутанного вопроса почвоведения. Здесь, как и во всем, ученый шел своим самобытным путем, смело ломая отжившие научные представления и создавая новые.
***
Русские лесоводы издавна интересовались той связью и взаимозависимостью, которые существуют между лесом и почвой. Они понимали, что от удачного выбора почвы и от правильного ухода за нею во многом зависит успех искусственных лесных посадок. Не ускользало от ученых и то влияние, которое и сами леса оказывают на почву.
Уже один из первых русских агрономов XVIII столетия, И. М. Комов, в своем замечательном труде «О земледелии» писал:
«Чернолесье, где дуб, клен, вяз, илем, яблынник растет; также где буквица, ромон, клубника обильно родится, показывает добрую землю; березник — убогую глину; сосняк, можжевельник и молодиль — сухую супесь; а тростник, мох, хвощ, осока — мокрую землю и болотную».
Ценные данные о географическом распределении различных типов лесов и о их взаимосвязи с почвами мы находим в старинных описаниях путешествий академика В. М. Севергина. Он показывал, что каждая древесная порода предпочитает для своего лучшего развития свою, особую почву.
«…справедливо, что по свойству лесов довольно надежно и о качестве почвы судить можно», — писал В. М. Севергин.
В первой половине XIX века русские лесничие при разделении лесов по их качеству на группы всегда стремились описывать почву и достигли в этом немалых успехов. Это явилось одной из причин выделения почвоведения в Лесном институте в самостоятельный курс.
Начиная с 1880 года, его и поручили вести Костычеву. Но это было совсем не такое почвоведение, как сейчас. Тогда еще не существовало научного понятия о самой почве.
«Почвою, — писалось в одном учебнике прошлого века по лесоводству, — называется верхний слой земли, способный производить и питать растения». Но как образовались разные почвы, каковы их типы — об этом почти ничего не говорилось. Почвоведение тогда являлось не больше, как собранием фактов, часто правильно установленных, но друг с другом обычно не связанных, почти даже не систематизированных. Теоретические представления о почвах, их образовании и развитии были крайне недостаточными. На долю Докучаева и Костычева выпала задача создания научного почвоведения. Но в 1880 году она далеко не была еще завершена. Докучаев в это время был целиком погружен в экспедиционное изучение природы черноземной полосы, сам Костычев едва успел прикоснуться к некоторым вопросам почвоведения.
Как же читать студентам курс этой еще только создаваемой науки? Костычев немало думал об этом. Курс его создавался постепенно; в этом деле он шел через ошибки и заблуждения, которые так до конца им и не были преодолены. Но это легко объяснимо. В его время не существовало ни одного учебника почвоведения, вопрос о том, что такое почва, не был решен окончательно, не ясно и противоречиво объясняли ученые происхождение даже такой распространенной почвы, как чернозем.
В поисках правильного построения своего курса Костычев на первых порах решает излагать студентам только сельскохозяйственное, прикладное почвоведение. Он полагал, что изучать почву в отрыве от растений недопустимо не только с практической, но и с научной стороны. «Изучение свойств почв по их отношению к жизни растений составляет предмет почвоведения», — вот как определял ученый главную задачу излагаемой им науки.
Лекции Костычева в Лесном институте привлекли большое внимание студентов. Свой курс он разделил на три части: химический состав и химические свойства почв, физические свойства почв, способы определения сравнительного достоинства почв. Все изложение было подчинено задаче правильного использования почв в сельском и лесном хозяйстве. По выражению академика В. Р. Вильямса, курс Костычева «представляет классический образец изложения прикладной естественнонаучной дисциплины».
К этому времени расхождение Костычева с Докучаевым достигло уже большой остроты, и, очевидно, поэтому в лекциях по почвоведению в Лесном институте почти никогда не упоминалось ни имя, ни работы выдающегося исследователя русского чернозема. Несомненно, это было ошибкой Костычева и свидетельствовало о его необъективном отношении к Докучаеву в эти годы.
Однако открытия других русских ученых и результаты личных научных исследований Костычев очень активно использовал в своих лекциях и на практических занятиях со студентами. Уже в первые годы чтения курса почвоведения он подробно излагал слушателям сущность теории Грандо и вскрывал ее ошибочность. Возрос о состоянии фосфора в почве в новом освещении был немедленно включен в курс лекций. Костычев таким способом еще раз как бы проверял достоверность своих открытий. Одновременно он призывал слушателей подвергать сомнению и те положения, которые он им сам высказывал.
Этот критический подход к науке, стремление сурово и публично обсуждать результаты своих собственных опытов привели к тому, что в лаборатории Костычева в Лесном институте начинает создаваться небольшой кружок талантливой молодежи.
У себя на квартире преподаватель почвоведения устраивал почти ежедневно «совещательные часы» — так назывались в то время консультации. На этих «часах» совершенно свободно обсуждались неясные вопросы науки, нередко возникали споры. Однажды произошел такой случай. Студенты Петров и Курмин высказали удивление по поводу того, что теория Грандо, несмотря на ее доказанную несостоятельность, пользуется еще довольно большим успехом у многих ученых в России и за границей.
— А может быть, точка зрения Грандо все-таки правильная? — смело поставили вопрос студенты.
— Не думаю, — спокойно отвечал Костычев. — Но для того чтобы вы в этом не сомневались, я бы советовал вам проверить выводы Грандо в лаборатории.
Студенты взялись за дело и в скором времени на личном опыте убедились в правоте своего учителя. Курмин написал дипломную работу, как тогда говорили, «рассуждение», «Критика способа оценки почв, предложенного Грандо». Подобную работу и од названием «Краткий разбор теории Грандо» представил и Петров.
В те времена, когда самостоятельной исследовательской работе студентов большинство преподавателей не уделяло никакого внимания, начинание Костычева имело огромный успех среди молодежи. Создалось постепенно странное и даже несколько нелепое положение: в Лесном институте у известных профессоров-лесоводов — А. Ф. Рудзкого, Н. С. Шафранова, П. Н. Верехи — студенты менее охотно брали темы для «рассуждений», чем в лаборатории почвоведения у Костычева, читавшего такой курс, который многими рассматривался как вовсе не обязательный для будущих лесничих.
Но большой работы со студентами Лесного института Костычев все же не мог организовать. Этому мешали и теснота в лаборатории, и недостаток средств, и малое число часов, выделяемых на практические занятия по почвоведению.
С осени 1882 года Костычев начал читать приват-доцентский курс почвоведения в университете. Здесь он надеялся найти дополнительных помощников из студентов для развертывания интересовавших его научных исследований. Курс почвоведения был достаточно обширным и охватывал:
«а) общую часть почвоведения (учение о химических и физических свойствах почв, о способах исследования их и принципах их классификации);
б) учение об обработке и удобрении почв;
в) общую часть учения о культуре растений». (Из докладной записки Костычева на имя декана физико-математического факультета Петербургского университета от 24 марта 1889 года.){ГИАЛО, фонд 14, дело 8350, связка 250, лист 8.} Из этого документа видно, что содержание университетского курса было близким к тому, что Костычев читал и в Лесном институте.
В своих курсах ученый уделил большое внимание состоянию земледелия в северной, нечерноземной полосе страны. Здешние подзолистые почвы являлись малоплодородными, и Костычев считал, что «посевы на них невозможны без удобрения». Главным и почти единственно применявшимся здесь удобрением был в то время навоз. Длительное унавоживание подзолистых почв и хорошая обработка делали их более плодородными. Однако скота здесь держали мало, и поэтому всегда не хватало навоза для вывозки на поля. Искусственные удобрения — фосфориты, калийные соли, известь — вот что, по мнению Костычева, могло радикально изменить земледельческую судьбу нечерноземной полосы.
Чтение лекций в университете не дало в первые годы тех результатов, которые ожидал Костычев. По агрономии специализировалось очень мало студентов, и привлечь их к научным исследованиям не удавалось. Но работа в университете принесла новому приват-доценту немалую пользу. Он стал чаще встречаться с крупными учеными. Из университетских преподавателей он особенно близко сошелся с доцентом, а впоследствии профессором Христофором Яковлевичем Гоби (1847–1919) — видным специалистом по низшим растениям: водорослям, грибам, который очень сильно интересовался только еще зарождавшейся тогда бактериологией. Частые беседы с Гоби наталкивали Костычева на мысль о том, что и в почве бактерии и другие низшие организмы, например грибы, должны играть колоссальную роль в превращениях различных веществ. Некоторые ученые говорили о том, что в почве накапливается много перегноя в результате отмирания высших растений, создающих с помощью солнечного луча из воды и углекислоты новое органическое вещество. Но никто еще тогда не говорил о противоположном процессе — процессе разложения этого органического вещества под влиянием грибов и бактерий. Костычев начинает приходить к мысли, что его представления о соединениях фосфора в почве не являются до конца верными. Он исследовал только чисто минеральные формы фосфора. А этот элемент, несомненно, входит в состав самых сложных органических веществ и в таком виде может накапливаться в почве. Химия почвы должна превратиться в ее биохимию — вот какая мысль все настойчивее и настойчивее овладевает умом Костычева.
В ученых кругах много говорили о Докучаеве, о его новой теории образования чернозема. Как утверждал Докучаев, чернозем образуется под влиянием травянистой степной растительности, способствующей накоплению больших масс перегноя. Но ведь в черноземе идет и противоположный, не менее важный, процесс — разложение перегноя, обеспечивающий пищей новые поколения растений. Накопление и разложение органического вещества в почве — это две стороны одного и того же процесса, который и составляет главную сущность почвообразования как самостоятельной категории природных явлений. Именно этим, а не только внешним видом и химическим составом отличается почва от горной породы.
Огромный интерес вызвали у (Костычева также физические свойства черноземных почв и их водный режим.
Все эти мысли Костычеву надо было проверить на опыте. Он уже давно понял, что одними лабораторными анализами этого не сделаешь. Докучаев тем и силен, что он знает природу, что он каждый год общается с нею, исследует почвы в связи с обстановкой, их окружающей. И Костычев каждое лето рвется в поле. Он приходит к выводу, что и для химических исследований образцы почв надо собирать самому, о них надо знать все, а не довольствоваться тем, что об этих образцах скажут другие исследователи, собравшие их. Он начинает понимать, что недостаток своего личного материала мешает ему и в привлечении студентов к большой исследовательской работе. Все это Костычев болезненно ощущал и при работе в Лесном институте, знакомство и более тесные связи с университетскими учеными еще больше усилили его стремление к исследованиям непосредственно в самой природе.
Еще в 1881 году Костычев был «причислен к Департаменту земледелия и сельской промышленности с оставлением в должности доцента института»{ГИАЛО, фонд 14, дело 31441, связка 1752, опись 3, лист 7.}. Департамент тогда предложил ему объехать степные государственные конные заводы и разобраться, почему там в последнее время произошло резкое ухудшение естественных пастбищ и сенокосов. Именно о такой работе мечтал Костычев. Он мог начать исследование чернозема и степной растительности в их взаимной связи.