Хімічні елементи та їх сполуки у грунтах

Для розуміння причин формування особливостей валового хімічного складу грунту і його варіювання по профілю завжди необхідно враховувати, що вміст окремих елементів визначається присутністю їх у грунті в складі різноманітних конкретних мінеральних і органічних сполук.

 

Кремній. Вміст цього елемента визначається в основному присутністю в грунті кварцу й у меншій мірі первинних і вторинних силікатів і алюмосилікатів. У ряді випадків може бути присутнім, у тому числі й у великих кількостях, аморфний кремнезем у вигляді опала або халцедону, генезис і накопичення яких у грунті зв'язані з біогенними (опалові фітолітарії, спікули губок, кістяки діатомей і т.п.) або гідрогенними (окремніння грунтів) процесами. Валовий вміст SiО₂ у грунті коливається від 40-70% у глинистих грунтах до 90-98% у піщаних, тоді як у фералітних грунтах тропіків може бути і набагато нижчим.

 

Алюміній. Вміст алюмінію в грунтах зумовлений в основному присутністю польових шпатів, глинистих мінералів і почасти деяких інших, багатих», алюмінієм первинних мінералів, наприклад, слюд, епідотів, граната, корунду. Може бути присутнім і у вільному глиноземі, у вигляді різноманітних гідроксидів алюмінію (діаспор, беміт, гідраргаліт) в аморфній або кристалічній формі. Валовий вміст А1₂O₃ у грунтах звичайно коливається від 1-2 до 15-20%, а у фералітних грунтах тропіків і бокситах може перевищити 40%.

 

Залізо. Цей елемент присутній у грунтах у складі як первинних, так і вторинних мінералів, будучи компонентом магнетиту, гематиту, титаномагнетиту, глауконіту, рогових обманок, піроксенів, біотиту, хлоритів, глинистих мінералів, мінералів групи оксидів заліза. Багато в грунтах міститься й аморфних сполук заліза, особливо різноманітних гідроксидів (гетит, гідрогетит і ін.). Загальний вміст у грунті Fe₂O₃ коливається в дуже широких межах (у%): від 0,5-1,0 у кварцово-піщаних грунтах і 3-5 у грунтах на лесах до 8-Ю у грунтах на елювії щільних феромагнезіальних порід і до 20-50 у фералітних грунтах і латеритах тропіків. У грунтах також часто спостерігаються залізисті конкреції і прошарки.

За С.В.Зонном (1982), сполуки цього елементу в грунтах представлені такими формами:

1) силікатним залізом, що входить до складу кристалічних решіток: а) первинних мінералів; б) вторинних (глинистих) мінералів;

2) несилікатним (вільним) залізом: а) слабко або сильно окристалізованим залізом оксидів і гідроксидів; б) залізистих і гумусово-залізистих аморфних сполук; в) обмінних і воднорозчинних рухливих сполук.

 

Кальцій. Вміст Са в безкарбонатних суглинистих грунтах складає 1-3% і визначається в основному присутністю глинистих мінералів тонкодисперсних фракцій, а також гумусом і органічними залишками, у зв'язку з чим спостерігається тенденція до біогенного збагачення кальцієм верхньої органо-акумулятивної частини профілю. Однак у ряді випадків його підвищений валовий вміст може бути зумовлений присутністю у великих фракціях уламків карбонатних порід і первинних мінералів, кальцієвмісних мінералів (кальциту, гіпсу, основних плагіоклазів та ін.). У грунтах сухостепової й аридної зон підвищений валовий вміст кальцію може бути зумовлений утворенням і накопиченням вторинного кальциту або гіпсу в процесі грунтоутворення. Багато кальцію може акумулюватись в грунті гідрогенним шляхом, аж до утворення вапняних або гіпсових кір.

 

Магній. Валовий вміст Mg у грунті звичайно близький до вмісту Са й зумовлений головним чином присутністю глинистих мінералів, особливо монтморилоніту, вермикуліту, хлориту. У крупних фракціях магній міститься в уламках доломітів, олівіні, рогових обманках, піроксенах; у грунтах аридної зони багато магнію акумулюється при засоленні грунтів у вигляді хлоридів і сульфатів.

 

Калій. Вміст К₂O складає в грунтах 2-3%. Цей елемент присутній частіше в глинистих мінералах тонкодисперсних фракцій, особливо в гідрослюдах, а також у складі таких первинних мінералів крупних фракцій, як біотит, мусковіт, калієві польові шпати. Поряд із кальцієм, калій відноситься до числа органогенів, необхідних для розвитку рослин; у ряді випадків калій може бути в дефіциті, у зв'язку з чим його внесення в грунт позитивно позначається на родючості.

 

Натрій. Валовий вміст у грунті Na₂O лежить біля 1-3%. У грунті натрій присутній у складі первинних мінералів, переважно в натрієвмісних польових шпатах. Вміст Na₂O в окремих складових крупних фракцій може досягати 5-6%, тоді як у мулистій фракції не перевищує 0,5-1%. У засолених грунтах сухостепової й аридної зон у значних кількостях може бути присутнім у вигляді хлоридів або входити в поглинальний комплекс грунтів, у зв'язку з чим вміст Na₂O у цьому випадку зростає до декількох відсотків. У грунті дефіциту цього елемента звичайно не спостерігається; присутність натрію в підвищених кількостях у складі рухливих сполук зумовлює формування несприятливих фізичних і хімічних властивостей грунту.

 

Марганець. Вміст Мn складає в грунті лише декілька десятих або навіть сотих часток відсотка й зумовлений присутністю марганцевих конкрецій, що утворилися в результаті мікробіологічної діяльності. У розсіяному вигляді марганець може входити до складу деяких первинних мінералів (олівінів, піроксенів, епідоту).

 

Сірка. Вміст S у грунті звичайно не перевищує декількох десятих відсотка. Сірка в грунті присутня у складі різних органічних сполук як рослинного, так і тваринного походження; у засолених грунтах при наявності значних кількостей сульфатів валовий вміст S може зростати до декількох відсотків. Підвищений вміст сірки у вигляді рухомих сполук може спостерігатися при забрудненні грунтів промисловими відходами (випадання з опадами газоподібних викидів сполук сірки). У крупних фракціях грунту сірка присутня у складі сульфідів (пірит), гіпсу, вторинних сполук заліза (II), що утворюються при болотному процесі.

 

Вуглець, азот, фосфор. Ці елементи належать до числа найважливіших органогенів. Присутність їх у грунті (перших двох практично цілком) зобов'язана впливу живої речовини і процесам грунтоутворення.

 

Вуглець. У грунті він міститься в основному в складі гумусу, а також органічних залишків. Багато вуглецю може знаходитися в складі карбонатів. Вміст вуглецю в грунті коливається від часток відсотка в бідних органічною речовиною піщаних грунтах до 3-5 і навіть 10% – у багатих гумусом чорноземах (у торф'янистих і торф'яних горизонтах до десятків відсотків). Значна частина грунтів, що використовуються у землеробстві, потребує внесення вуглецю у вигляді органічної речовини.

 

Азот. Так само, як і вуглець, азот майже цілком зв'язаний у грунті з його органічною частиною – гумусом і складає 1/10-1/20 від вмісту вуглецю. Незважаючи на невелику кількість (не більш 0,3-0,4, часто 0,1 і менше відсотка), азот відіграє надзвичайно важливу роль у родючості грунтів, тому що він життєво необхідний рослинам, для яких він доступний тільки у формі нітратного й амонійного іонів. Більшість культурних грунтів потребує систематичного внесення цього елемента. У природних умовах поповнення в грунті резервів азоту в доступних для рослин формах здійснюється азотфіксуючими бактеріями.

 

Фосфор. Є у грунті в дуже незначних кількостях: валовий вміст Р₂0₅ складає не більш 0,1-0,2%. Фосфор життєво важливий для рослин, але в більшості грунтів, особливо в піщаних, знаходиться в різкому дефіциті, у зв'язку з чим необхідно систематично вносити фосфор в грунт, особливо при їхньому інтенсивному використанні в сільськогосподарському виробництві. У грунті фосфор є у складі гумусу, органічних залишків, у мінеральній частині грунтів у складі апатиту, вторинного болотного мінералу – вівіаніту.

 

Поряд із перерахованими макроелементами, в грунті в дуже невеликих кількостях (тисячні частки відсотка) присутні розсіяні елементи і мікроелементи, однак вони надзвичайно важливі для життєдіяльності рослин. Валовий вміст цих елементів переважно пов'язаний із вмістом у грунті первинних мінералів, почасти глинистих мінералів і органічної речовини.

Спостерігається така приуроченість найважливіших мікроелементів і розсіяних елементів до первинних мінералів: Ni, Co, Zn – авгіт, біотит, ільменіт, магнетит, рогова обманка; Си – авгіт, апатит, біотит, гранати, калієві польові шпати, плагіоклази; V – авгіт, біотит, ільменіт, мусковіт, рогова обманка, сфен; Рb – авгіт, апатит, біотит, калієві польові шпати, мусковіт; Li – авгіт, біотит, рогова обманка, турмалін; В – турмалін; Zr – циркон; рідкоземельні елементи – епідот, монацит.

Носіями мікроелементів і розсіяних елементів у крупних фракціях грунтів можуть бути також зерна кварцу й уламків порід, що містять кварц, тому що в них нерідко зустрічаються субмікроскопічні вкраплення перерахованих первинних мінералів.

Хімічний склад грунтів впливає на їхню родючість як безпосередньо, так і визначаючи ті або інші властивості грунту, що мають вирішальне значення в житті рослин. З одного боку, це може бути дефіцит певних елементів живлення рослин, наприклад, фосфору, азоту, калію, заліза, деяких мікроелементів; з іншого – токсичний для рослин надлишок, як у випадку засолення грунтів.

 

У процесі грунтоутворення відбуваються дуже істотні перетворення хімічного складу вихідних материнських порід, що пов'язані з цілою серією загальних грунтових процесів:

1) перехід хімічних елементів з одних сполук в інші в зв'язку з мінеральними перетвореннями;

2) надходження елементів з атмосфери з опадами й імпульверизацією;

3) винос елементів низхідним рухом води в грунтові води і далі в гідрографічну мережу, у кінцевому рахунку – в океан;

4) привнесення елементів із грунтовими водами;

5) циклічне залучення елемента в біологічний кругообіг.

Тому профіль грунтів завжди у певній мірі диференційований за хімічним складом.

Контрольні питання

1. В чому полягає подібність і відмінність грунтів і порід за хімічним складом?

2. Які хімічні елементи переважають у грунті?

3. Як впливає хімічний склад порід і грунтів на грунтоутворення?

4. Порівняйте вміст вуглецю у грунтах і літосфері та визначте причину розбіжності.

5. Опишіть основні мікроелементи, що зустрічаються в грунтах, їх значення для живлення рослин.

ОРГАНІЧНА РЕЧОВИНА ГРУНТУ

Джерела гумусу у грунті

Невід'ємною складовою частиною будь-якого грунту є органічна речовина, тобто сукупність живої біомаси й органічних решток рослин, тварин, мікроорганізмів, продуктів їх метаболізму і специфічних новоутворених темнозабарвлених гумусових речовин, що рівномірно пронизують грунтовий профіль (рис. 12). Складний комплекс органічних сполук грунту зумовлений різним складом органічних решток, що надходять у грунт, неоднаковою спрямованістю мікробіологічного процесу, різноманітними гідротермічними умовами тощо. У складі органічної речовини грунту знаходяться всі хімічні компоненти рослин, бактеріальної та грибної плазми, а також продуктів їх подальшої взаємодії й трансформації. Це тисячі сполук, середній час існування яких у грунті може варіювати від доби до тисяч років.

 

Рис. 12. Система органічних речовин грунту (за Д.С.Орловим)

 

Джерелом гумусу є органічні рештки вищих рослин, мікроорганізмів і тварин, що живуть у грунті. Залишки зелених рослин надходять у грунт у вигляді наземного опаду та відмерлої кореневої системи рослин. Кількість органічної речовини, що надходить до грунту різна, і залежить від грунтово-рослинної зони, складу, віку та густоти насаджень, а також від ступеня розвитку трав'янистого вкриття.

Найбільш суттєвим джерелом грунтової органіки є рослинність, яка мобілізує та акумулює в едафотопах запас потенціальної енергії та біофільних елементів у надземних і підземних органах рослин, у їх рештках.

Продуктивність рослинності у різних екосистемах неоднакова: від 1-2 т/га в рік сухої речовини в тундрах до 30-35 т/га у вологих тропічних лісах. Під трав'янистою рослинністю основним джерелом гумусу є корені, маса яких у метровому шарі грунту складає 8-28 т/га (Степ). Трав'яниста рослинність у зоні хвойних та мішаних лісів (Полісся) на суходільних луках накопичує 6-13 т коренів на гектар у метровому шарі грунту, під багаторічними сіяними травами – 6-15 т/га; однорічною культурною рослинністю – 3,1-15 т/га органічних решток. Під лісовою рослинністю рослинний опад утворює підстилку, участь коренів у гумусоутворенні незначна. По профілю вміст кореневих решток із глибиною зменшується. Ці залишки нерідко використовуються грунтовою фауною та мікроорганізмами, внаслідок чого відбувається трансформація органічної речовини у вторинні форми.

Хімічний склад органічних решток дуже різноманітний: вода (70-90%), білки, ліпіди, лігнін, смоли, воски, дубильні речовини. Переважна більшість цих сполук високомолекулярні (мол. маса 10⁴-10⁶). Деревина розкладається повільно, тому що містить багато смол і дубильних речовин, які трансформуються лише специфічною мікрофлорою. Натомість дуже швидко розкладаються бобові трави, збагачені білками та вуглеводами. Зольних елементів у траві багато, а у деревних мало. В орних грунтах джерелом для гумусоутворення служать залишки культурних рослин і органічні добрива.

Значна роль у гумусоутворенні належить грунтовій фауні, яку за розмірами поділяють на чотири групи: мікро-, мезо-, макро-, ме-гафауну. Причому переважно саме мікро- та мезофауна беруть активну участь у переробці органічної речовини грунту, сприяючи цим гумусоутворенню.

Загальна біомаса мікроорганізмів у метровому шарі грунту складає до 10 т/га (приблизно 0,5-2,5% від маси гумусу), їх залишки становлять біля третини залишків рослин. Біомаса водоростей – 0,5-1 т/га, а біомаса безхребетних – 12,5-15 т/га (більша частина цієї біомаси формується червами).

 

Хімічний склад живих організмів такий (в% до сухої речовини):

1) бактерії – зола 2-10, білки 40-70, ліпіди та дубильні речовини 1-40%;

2) водорості – зола 20-30, целюлоза 5-10, геміцелюлоза 50-60, білки 10-15, ліпіди та дубильні речовини 1-30%;

3) багаторічні трави – зола 5-10, целюлоза 25-40, геміцелюлоза 25-35, білки 5-12, лігнін 15-20, ліпіди та дубильні речовини 2-10%;

4) листя дерев – зола 3-8, целюлоза 15-25, геміцелюлоза 10-20, білки 4-10, лігнін 20-30, ліпіди та дубильні речовини 5-15%.

 

Від хімічного складу джерел залежить характер гумусоутворення та якість гумусу.