Форми сполук хімічних елементів у ґрунтах і їх доступність рослинам.

      Кисень. Входить до більшості первинних і вторинних мінералів ґрунтів, є одним з основних елементів органічних речовин і води.

    Кремній. Найбільш поширена сполука кремнію в ґрунтах - кварц (SiО₂). Кремній входить також до складу силікатів. При їхній руйнації кремнезем переходить у розчин у формі аніонів орто- і метакремнійових кислот [ (SiО₄^4-) і (SiО₃^2-) ], силікатів натрію і калію, частково у формі золю. Одна частина розчиненого кремнезему вимивається з ґрунту, інша осаджується (при кислій реакції) у вигляді гелів (SiО₂ n Н₂O) - аморфних осадів, які, втрачаючи воду, можуть переходити в кварц вторинного походження.

    Алюміній. Містяться в ґрунтах в складі первинних і вторинних мінералів у формі органо-мінеральних комплексів і в поглиненому стані (у кислих ґрунтах). При руйнації первинних і вторинних мінералів, що містять алюміній, звільняється його гідроокис, значна частина якого при вивітрюванні залишається на місці і лише частково переходить у розчин у вигляді золю. При слаболужній реакції гідроокис алюмінію цілком випадає у вигляді колоїдних осадів – гелів (Al₂O₃ · nН₂O), що переходять при кристалізації у вторинні мінерали - гібсит (Al₂O₃ · 3Н₂O), беміт (Al₂O · 3Н₂O). У кислому середовищі (pН<5) гідроокис алюмінію стає більш рухливим і алюміній з'являється в ґрунтовому розчині у вигляді іонів Al(OH)₂⁺, Al(OH)²⁺, що негативно позначається на рості рослин. Водорозчинний і колоїдний гідроокис, алюмінію взаємодіючи з органічними кислотами, утворює рухливі комплексні сполуки, у формі яких може переміщатися по профілю ґрунту.

    Залізо. Необхідний для життя рослин елемент, без нього не утворюється хлорофіл. У ґрунтах воно зустрічається у вигляді первинних і вторинних мінералів - силікатів, у виді гідроокисів і окисів, простих солей, у поглиненому стані, а також у складі органо-мінеральних комплексів. У результаті вивітрювання мінералів, що містять залізо, звільняється його гідроокис - малорухома сполука, що випадає у формі аморфного гелю Fe₂O₃ · nН₂O, переходить при кристалізації в гетит Fe₂O₃ · nH₂O і гідро гетит Fe₂O₃ · 3Н₂O. Тільки в сильнокислому середовищі (pН<3) рухливість гідроокисів заліза збільшується й у ґрунтовому розчині з'являються іони заліза Fe³⁺. У відновлювальних умовах окисне залізо переходить у закисне з утворенням розчинних сполук FeСО₃, Fe(HCO₃)₂, FeSO₄, доступних рослинам. Підвищена розчинність сполук заліза пригнічує рослини. На ґрунтах нейтральних і лужних із яскраво вираженими окисними процесами рослини можуть відчувати нестачу заліза, що проявляється як хлороз. Гідроокис заліза може утворювати з органічними кислотами рухливі форми комплексних сполук, здатних переміщатися по профілі ґрунту.

    Азот. Входить до складу всіх білкових речовин, міститься в хлорофілі, нуклеїнових кислотах і ін. органічних речовинах живої клітини. Основна маса азоту ґрунтів зосереджена в органічній речовині. Кількість азоту перебуває в прямій залежності від вмісту в ґрунті органічної речовини, і насамперед гумусу. Накопичення азоту в ґрунті обумовлено біологічною акумуляцією його з атмосфери. У ґрунтоутворюючих породах азоту дуже мало. Азот доступний рослинам головним чином у формі амонію, нітратів, нітритів, що утворюються при розкладанні азотистих органічних речовин. Нітрити практично не містяться в ґрунтах. Амонійний і нітратний азот - основна форма азотистих сполук, якими живляться рослини. Іон NH₄ легко поглинається ґрунтом із частковим переходом у необмінний (фіксований) стан. Іон NO₃ перебуває переважно в ґрунтовому розчині і легко використовується рослинами. В вологих районах нітрати схильні до вимивання. Забезпеченість рослин азотом залежить від швидкості розкладання органічних речовин.

    Фосфор. Входить до складу багатьох органічних сполук, без яких не можлива життєдіяльність організмів. Поглинаючись у великих кількостях рослинами, фосфор акумулюється у верхніх горизонтах ґрунту. Валовий вміст його в чорноземах складає 0,35% і більше. У ґрунтах фосфор міститься в органічних і мінеральних сполуках. Органічні сполуки представлені нуклеїновими кислотами, нуклеопротеїдами, фосфатидами, сахарофосфатами і ін., мінеральні - солями кальцію, магнію, заліза й алюмінію ортофосфорної кислоти. Фосфор у ґрунті входить до складу апатиту, фосфориту, вівіаніту, а також перебуває в поглиненому стані у вигляді фосфат-аніона. Апатит зустрічається в багатьох магматичних породах і складає 95% сполук фосфору в земній корі. У мінеральних сполуках ґрунтів фосфор представлений здебільшого малорухомими формами. Розчинність фосфатів кальцію, магнію, алюмінію і заліза тим вища, чим менша їх основність. У кислих ґрунтах фосфор здебільшого знаходиться у вигляді фосфатів заліза й алюмінію або зв'язаний із полутораокисами у вигляді адсорбційних сполук, здатних до часткового обміну їх фосфат - іонів. Серед фосфатів заліза й алюмінію в ґрунті найчастіше представлені варісцит AlРO₄ · 2H₂O і стренгіт FePO₄ · 2H₂O. Зазнаючи вивітрювання, вони поступово трансформуються в більш основні і найбільш стійкі форми, наприклад аугеліт Al₃(OH)₃PO₄; вавеліт Al₃(OH)₃(PO₄)₂ · 5H₂O. У слабокислих, нейтральних і слаболужних ґрунтах переважають фосфати кальцію. Фосфати є основним джерелом фосфору для рослин. Фосфор органічних сполук засвоюється після їх мінералізації. Найбільш сприятлива реакція середовища для засвоєння рослинами фосфат-іонів слабокисла (pH 6 - 6,5).

    Сірка. Входить до білкових речовин, ефірних олій. Потреба рослин у ній невелика, менша, ніж у фосфорі. Біологічна акумуляція сірки у верхніх шарах ґрунту залежить від умови ґрунтоутворення, валовий вміст SO₃ у верхніх шарах ґрунтів коливається в широких межах - від 0,01 до 2% і більше. Сірка перебуває в ґрунті у вигляді сульфатів, сульфідів і в складі органічних сполук. При розкладанні органічної речовини, при окислюванні сульфатів утворюються сульфати. Сульфати калію, натрію, магнію й ін. добре розчинні у воді, слабко поглинаються у формі SO₄^2- - і можуть накопичуватися в них тільки в умовах вологого клімату. Звичайно в ґрунтах міститься достатня кількість сульфатів для задоволення потреб рослин у сірці.

    Калій. Здійснює важливі фізіологічні функції в організмах. Споживається рослинами у великих кількостях. Валовий вміст калію (К₂О) у ґрунтах відносно високий. У ґрунтах важкого механічного складу він складає 2% і більше, значно менше калію в легких ґрунтах. Основна частина калію в ґрунті входить до складу кристалічних ґраток первинних і вторинних мінералів у малодоступній для рослин формі. Деякі з цих мінералів, такі як біотит і мусковіт, віддають калій досить легко і можуть служити джерелом мобілізації доступного калію. Калій міститься в ґрунті також у поглиненому стані (обмінний і необмінний) і у формі простих солей. У цій формі він легкодоступний для рослин, але частина його незначна. Основним джерелом калію для рослин є обмінний калій. Його доступність тим більша, чим вища насиченість ним ґрунтів. Необмінний (фіксований) калій важкодоступний. Між обмінним і необмінним калієм у ґрунті існує певна рівновага. При споживанні обмінного калію його запаси поповнюються за рахунок необмінного.

    Кальцій і магній. Необхідні елементи живлення рослин. Їм належить важлива фізіологічна роль. Магній входить до складу хлорофілу. Кальцій має велике значення в створенні сприятливих для рослин фізичних, фізико - хімічних і біологічних властивостей ґрунту. У ґрунті кальцій і магній знаходяться в кристалічних ґратках мінералів, в обміннопоглиненому стані й у формі простих солей (хлоридів, нітратів, карбонатів, сульфатів, фосфатів). Кальцій серед поглинених катіонів займає в більшості ґрунтів перше місце, магній - друге. Іон кальцію і магнію переважають у ґрунтовому розчині. CaCO₃, MgCO₃, як малорозчинні сполуки, широко поширені в ґрунтах і служать найважливішим джерелом кальцію і магнію. При взаємодії з вуглекислим газом, розчиненим у воді, карбонати переходять у більш розчинні бікарбонати:

                       CaCO₃ + CO₂ + H₂O → Ca(HCO₃)₂

                       MgCO₃ + CO₂ + H₂O → Mg(HCO₃)₂

 

    Рослини звичайно не відчувають нестачі кальцію і магнію.

 

                       5.3 Мікроелементи ґрунтів

 

    Багато елементів у ґрунтах містяться в мікрокількостях (<n.10 %). Вони складають особливу групу мікроелементів. До них відносяться бор (В), марганець (Mn), молібден (Мо), мідь (Си), цинк (Zn), кобальт (Со), йод (J), фтор (F) і ін.

                           

5.3.1 Значення мікроелементів.

 

    Мікроелементи грають важливу фізіологічну і біохімічну роль у житті організмів. Вони входять до складу ферментів, гормонів, вітамінів. Недостатній або надлишковий вміст мікроелементів призводить до порушення нормальної життєдіяльності організмів і розвитку різноманітних захворювань. Так, надлишок молібдену сприяє розвитку подагри, нестача йоду - ендемії зобу.

    Нестача мікроелементів (B, Mn, Zn, Cu, Co і ін.) у грунтах призводить до зниження врожайності рослин, їхньої якості.

 

                       5.3.2 Біогеохімічні провінції.

        

    У зв'язку з особливостями складу порід, що утворюють ґрунт, наявності різноманітних рудних родовищ, розвитку елювіальних і акумулятивних процесів виділяють території з недостатнім або надлишковим вмістом тих або інших мікроелементів. Такі райони називають біохімічним провінціями. На території біохімічних провінцій у наслідок нестачі або надлишку мікроелементів і можуть виявлятися порушення нормального обміну речовин в організмів, і як наслідок, розвиватися специфічні захворювання - біогеохімічні ендемії.

    Крім відзначених природних чинників формування територій з аномальним вмістом мікроелементів, їхнє створювання може бути пов'язане з регіональним і локальним техногенним забрудненням, обумовленим викидами промислових підприємств, накопиченням надлишкових кількостей різноманітних компонентів, добрив і й іншими причинами.

 

                       5.3.3  Вміст мікроелементів у ґрунтах.

 

    Кількість мікроелементів у ґрунтах насамперед визначається їхнім вмістом у вихідній материнській породі і впливом ґрунтоутворювального процесу на їхній подальший перерозподіл. При активному гумусуакумулятивному процесі вони накопичуються у верхній частині профілю; при інтенсивному розвитку елювіальних процесів (опідзолювання, лесиваж і ін.) верхні горизонти ґрунту можуть збіднюватися мікроелементами.

    Як очевидно з даних, що приведені в таблиці 2, в основних ґрунтоутворюючих породах лісової, лісо-степової і степової зон міститься приблизно однакова кількість Zn, Co, Cu і Мо; піски і супіски істотно збіднені ними, а глинисті і сланці багатіші інших порід на Zn, Co і Cu.

    На поглинання мікроелементів ґрунтами при техногенному забрудненні впливають механічний склад, реакція, вміст гумусу і карбонатів, ємність поглинання й умови водяного режиму.

    У ґрунтах мікроелементи містяться в різноманітних формах: у кристалічних гратках мінералів у вигляді ізоморфної домішки, у формі солей і окисів, у складі органічних речовин, у іонообмінному стані й у розчинній формі в ґрунтовому розчині.

    На поводження мікроелементів і форми їхніх сполук у ґрунтах впливають роблять окислювально-відновні умови, реакція середовища, концентрація СО₂ і вміст органічної речовини. Зміна окислювально-відновного стану ґрунтів істотно відбивається на поводженні мікроелементів із перемінною валентністю. Так, марганець при окислюванні (Mn²⁺ → Mn⁴⁺) переходить у нерозчинні форми, а хром (Cr³⁺ → Cr⁶⁺) і ванадій (V³⁺ → V⁵⁺), навпаки, набувають рухливості і мігрують. При кислій реакції збільшується рухливість Cu, Zn, Mn, Co і зменшується рухливість Мо. Бор, фтор і йод рухливі в кислому і лужному середовищах.

    Збільшення концентрації СО₂ у ґрунтовому розчині призводить до збільшення рухливості Mn, Ni, Ba у результаті переходу карбонатів у бікарбонати. Гумусові речовини й органічні речовини неспецифічної природи (мурашина, лимонна, щавлева й інші кислоти) можуть зв'язувати мікроелементи, створюючи як розчинні, так і важкодоступні рослинам сполуки.

 

Таблиця 5.2 - Склад мікроелементів у ґрунтотворних породах, мг/кг

 

Порода	Zn	Co	Cu	Mo
Покривні суглинки	51,0	10,5	20,4	3,4
Валунні суглинки	50,4	10,3	20,0	2,9
Леси і лесовидні суглинки	81,1	8,0	24,3	3,6
Юрські глинисті сланці гірського Криму	138,0	18,0	37,0	3,0
Елювій юрських вапняків гірського Криму	73,0	4,5	17,5	5,9
Флювіогляціальні піски і супіски	12,3	1,5	5,6	1,1
Елювій андезіто-базальних порфіритів Кавказького узбережжя	98,0	7,0	56,0	5,4

       У зв'язку з особливостями складу і властивостей ґрунту розвитком ґрунтоутворювального процесу у різноманітних ґрунтах спостерігається неоднотипний розподіл як загального вмісту, так і рухливих форм мікроелементів. У чорноземних ґрунтах, як наслідок тривалого розвитку гумусово-акумулятивного процесу, максимальний вміст мікроелементів спостерігається в гумусовому горизонті і в міру зменшення вмісту гумусу у профілі поступово знижується і кількість мікроелементів із мінімумом їх у породі.

Таблиця 5.3 - Вміст рухливих форм мікроелементів у ґрунтах, мг/кг

 

Ґрунти	Cu у витяжці 1н HCL	Zn у витяжці 1н KCL	Mn у витяжці 1н HNO3	Mo у щавлево-кислій витяжці	З у витяжці 1н HNO3	У водяній витяжці
Підзолисті: мінімальне максимальне	0,1 6,7	0,05 26,0	2 300	0,02 0,45	0,1 3,0	0,02 0,6
Чорноземи: мінімальне максимальне	4 30	0,06 0,2	1 50	0,05 0,40	1 2,5	0,4 1,5
Каштанові: мінімальне максимальне	9,4 14	0,06 0,2	1,5 75	0,09 0,60	1 6	0,5 0,9

 

       Для оцінки умов забезпечення потреби рослин у мікроелементах важливе значення має визначення вмісту їх рухливих форм. Кількість рухливих форм сильно варіює (табл.3), що пояснюється як генетичними особливостями ґрунтів, так і інтенсивністю їх окультурення.

 

                                 5.4  Радіоактивність ґрунтів

 

    Радіоактивність ґрунтів обумовлена вмістом у них радіоактивних елементів. Розрізняють природну і штучну радіоактивність.

    Природна радіоактивність визивається природними радіоактивними елементами, що завжди в тих або інших кількостях присутні в ґрунтах і ґрунтотворних породах. Природні радіоактивні елементи підрозділяються на 3 групи.

    Першу групу складають елементи, всі ізотопи яких радіоактивні. До них належать ряди урану - радію - торію й актінію. Найбільше значення з цієї групи мають ²³⁸U, ²³⁵U, ²³²Th, ²²⁶Rа, ²²²Rn.

    До другої групи належать ізотопи звичайних елементів, які мають радіоактивні властивості. До них належать ⁴⁰K, ⁸⁷Rb, ⁴⁸Ca, ⁹⁶Zr і ін. Калій обумовлює найбільшу природну радіоактивність.

    Третя група включає радіоактивні ізотопи, що утворюються в атмосфері під дією космічних променів: ³H, ⁷Be, ¹⁰Be, ¹⁴C.

    Всі природні радіоактивні елементи - в основному довго живучі ізотопи із періодом піврозпаду 10⁸ - 10¹⁶ років. Вони випромінюють α і β- частинки і γ - промені. Природна радіоактивність в основному обумовлюється вмістом урану, торію, радію й ізотопу ⁴⁰К.

    Валовий вміст природних радіоактивних ізотопів в основному залежить від ґрунтоутворюючих порід ґрунту. Ґрунти, що сформувалися на продуктах вивітрювання кислих порід, містять радіоактивних ізотопів більше, ніж сформовані на основних і ультраосновних породах; важкі ґрунти містять їх більше, ніж легкі.

    Штучна радіоактивність обумовлена надходженням у ґрунт радіоактивних ізотопів, що утворюються в результаті атомних термоядерних вибухів, у виді відходів атомної промисловості, у результаті аварій на атомних підприємствах.

    Найбільшу небезпеку в цьому відношенні викликають ізотопи ⁹⁰Sr і ¹³⁷Cs, оскільки саме вони обумовлюють штучну радіоактивність, характеризуються тривалим періодом піврозпаду (близько 30-ти років), мають високу енергію випромінювання і здатні активно включатися в біологічний круговорот. Загальним для ⁹⁰Sr і ¹³⁷Cs є досить повне їхнє поглинання твердою фазою ґрунту, тому основна їхня кількість(80-90%) закріплюється у верхньому горизонті (5-9см). При цьому найбільшу сорбцію мають ґрунти з високим вмістом гумусу, багаті мулистою фракцією і з монтморилонітовим і гідрослюдним складом глинистих мінералів. За своїми властивостями ⁹⁰Sr близький до кальцію, а ¹³⁷Cs до калію. Тому поводження цих радіоізотопів близько до поводження кальцію і калію.

    Значна частина радіонуклідів цезію і стронцію закріплюється ґрунтами за типом обмінного поглинання, хоча ¹³⁷Cs здатний і до необмінного поглинання.

    Міграція радіонуклідів також залежить від міцності зв'язків із ґрунтом. У легких ґрунтах вона виражена в більшому ступені, ніж у важких.

 

 

                                          Контрольні питання.

 

1. У чому виявляється схожість і відмінність ґрунтів і порід за хімічним складом?

2. Які елементи переважають у ґрунтах? Зазначте форми їхніх сполук і рухливість.

3. Який валовий вміст азоту, фосфору, калію, сірки, кальцію, магнію в ґрунтах? Зазначте форми їхніх сполук і рухливість.

4. Як впливає хімічний склад ґрунтів і порід на ґрунтоутворення?

5. Розповісти про мікроелементи, їхнє значення для живлення рослин.

6. Чим викликається природна і штучна радіоактивність?

 

 

                                          Література.

 

1. Вернадский В.И. Очерки геохимии.- М.: Горгеонефтеиздат, 1934.

2. Виноградов А.П. Геохимия рідких и рассеянных химических элементов в почвах.- М.: АН СССР, 1957.

3. Дюшофур Ф. Основы почвоведения.- Прогресс, 1970.

4. Почвоведение. Под. ред. И.С. Кауричева. М.: Агропромиздат, 1988.

5. Роде А.А., Смирнов В.Н. Почвоведение.- М.: Высшая школа, 1972.