Тема 3. Хімічний склад і властивості ґрунту.
Питання теми
Хімічний склад грунту.
Хімічні властивості грунту.
Неорганічні речовини грунту.
Органічні речовини ґрунту.
Основні терміни: елементний склад ґрунту, поліхімізм, гетерогенність, полідисперсність, неорганічні речовини ґрунту, органічні речовини ґрунту, амоніфікація, нітрифікація, денітрифікація, сульфуризація, десульфуризація, мобілізація, імобілізація.
Хімічний склад грунту. Щоб зрозуміти процеси, які відбуваються в ґрунті, потрібно знати хімічний склад ґрунту та його зміни при ґрунтоутворенні і використанні ґрунту. Хімічний склад характеризується двома показниками: елементним і фазовим складом.
Елементним складом ґрунту називають склад і кількісне співвідношення хімічних елементів у ґрунті.
Елементний склад ґрунту – це основна хімічна характеристика ґрунту, яка необхідна для розуміння його властивостей, генезису і родючості.
Ґрунти містять майже всі елементи періодичної системи Д.І. Менделєєва. За вмістом елементів та їх кількісним співвідношенням ґрунти відрізняються від живих організмів, мінералів і гірських порід. У ґрунтах майже всі елементи є обов’язковими і необхідними. Ґрунти містять багато вуглецю і кремнію, що вказує на два фактори ґрунтоутворення – живі організми і ґрунтоутворюючі поріди. Особливістю елементного складу є великий діапазон концентрацій.
Вміст деяких елементів у ґрунтах (в %):
Si 26-44 Ti 0,2-0,5
Al 1-14 Mn 0,01-0,3
Fe 0,5-12 Cорг 0,5-4
Ca 0,5-5 N 0,05-0,2
K 0,2-3 P 0,02-0,1
Na 0,2-2 S 0,02-0,2
Mg 0,1-2 H 0,04-0,2
Елементний склад ґрунтів залежить від механічного складу, типу ґрунту і властивостей хімічного елемента. Наприклад, в легких ґрунтах велика концентрація кремнію (основна сполука SiO2). Багато вуглецю міститься у ґрунтах, які утворились на карбонатних породах. У червоноземах знижений вміст кремнію і підвищений алюмінію і заліза. Al і Fe. Біогенні елементи (C, N, P, S) накопичуються в ґрунті з гумусом, скелетні елементи (Si, Al, Fe, Mg, K, Na) успадковуються від ґрунтоутворюючої породи.
За вмістом у ґрунті елементи поділяються на:
1) макроелементи:
· Si і O, вміст яких у сумі складає 80-90%;
· Al, Fe, Ca, Mg, Na, K, вміст яких від десятих долей до декількох процентів;
2) мікроелементи: вміст 0,01-0,001% (Ti, N, P, S, H);
3) ультрамікроелементи: вміст n×10–4 – n×10–10%, до них належать (Ba, Sr, B, Rb, Cu, V, Cr, Ni, Co, Li, Mo, Cs, Se та інші).
За геохімічною спорідненістю хімічні елементи поділяють на такі групи:
1) літофільні елементи, споріднені до кисню і в умовах біосфери утворюють мінерали типу оксидів, гідроксидів, солей кисневовмістних кислот (Si, Ti, S, P, F, Cl, Al, Se, Na, K, Ca, Mg та інші). Всього 54 елементи;
2) халькофільні, схильні утворювати сполуки з сіркою (Cu, Zn, Pb, Cd, Ag, Mn, Fe);
3) сидерофільні елементи, які розчиняються в залізних сплавах і дають сплави з залізом (Fe, Co, P, C, Pt, Au, Sn, Mo та інші);
4) атмофільні елементи – це елементи земної атмосфери (H, N, C, O, He, Ne, Ar, Kr, Xe, Cl, Br, I);
5) біофільні елементи (C, H, O, N, P, S, Cl, I, B, Ca, Mg, K, Na, V, Mn, Fe, Cu).
Хімічні властивості грунту. У хімічних реакціях беруть участь не атоми, а іони і молекули, і тому хімія ґрунтів базується не лише на знаннях елементного складу, а на властивостях молекул.
Ґрунтоутворення здійснюється в результаті великої кількості хімічних процесів. Ці процеси мають складний характер. Це зумовлено специфікою ґрунту як природного тіла, а особливо хімічними особливостями ґрунту.
Можна виділити такі хімічні особливості ґрунту:
1) поліхімізм – ґрунт містить велику кількість хімічних елементів і речовин. Один елемент може бути представлений декількома сполуками, а одна й та сама сполука може бути в різних кристалічних чи аморфних станах;
2) гетерогенність і полідисперсність – ґрунт це багатофазна система з неоднорідними поверхнями стикання, на яких відбуваються процеси сорбції і десорбції органічних і мінеральних речовин;
3) органо-мінеральні взаємодії. У ґрунтах формуються не лише прості і комплексні сполуки, а й складні адсорбційні комплекси, які складаються з мінералів і органічних речовин – симплекси;
4) динамічність ґрунтових процесів – для ґрунтів характерна добова, сезонна, річна і вікова динаміка. Зміни відбуваються безперервно, що зумовлює зміни хімічного складу ґрунтів;
5) просторова неоднорідність пов’язана з просторовою неоднорідністю факторів ґрунтоутворення;
6) нерівноважний стан і термодинамічна незворотність процесів. Ґрунт – відкрита термодинамічна система через яку постійно проходить потік енергії і речовин, це не дає можливості досягнути рівноважного стану. Крім того, ґрунт має своєрідну кінетику грунтово-хімічних процесів в якій поєднуються дуже швидкі і дуже повільні реакції.
Неорганічні речовини грунту. Грунт містить велику кількість неорганічних сполук. Для мінерального живлення рослин найбільше значення мають сполуки азоту, сірки і фосфору.
Сполуки азоту. У ґрунтах найчастіше зустрічаються сполуки азоту з ступенями окислення –3 і +5.
Мінеральні сполуки азоту представлені нітратами, нітритами, солями амонію. У газовій фазі містяться оксиди азоту і молекулярний азот. У доступній рослинам формі знаходиться 1-3% загальної кількості азоту ґрунту. Доступний для рослин азот у вигляді нітратів і амонійний азот, частково засвоюються і низькомолекулярні органічні сполуки, наприклад амінокислоти. Основним резервом азоту для живлення рослин є органічні речовини.
Трансформація азоту в ґрунті включає фіксацію атмосферного азоту вільноживучими і бульбочковими бактеріями, перетворення азотовмісних сполук органічних решток у гумусові кислоти, амоніфікацію органічних азотовмісних сполук, процеси нітрифікації і денітрифікації, фіксацію амонійного азоту глинистими мінералами, вимивання сполук азоту з ґрунту. Сукупність цих перетворень це процес кругообігу азоту в природі.
Амоніфікація - це перехід азоту органічних речовин в аміачні сполуки. Амоніфікацію зумовлюють мікроорганізми, які здатні розщеплювати білкові сполуки і утворювати амонійні сполуки. Процес амоніфікації поширений в природі.
У ґрунті аміак вступає в реакцію з різними кислотами і утворює амонійні солі:
2NH3 + H2SO4 ® (NH4)2SO4
NH3 + H2O ® NH4OH.
Процес амоніфікації здійснюється в аеробними і анаеробними умовах.
Нітрифікація – це процес утворення азотної кислоти та її солей з аміачних сполук. Нітрифікація здійснюється в дві стадії. Спочатку бактерії Nitrosomonas окислюють аміак до азотистої кислоти:
2NH3 + 3O2 ® 2HNO2+2H2O,
а потім Nitrobacter продовжують окислення і перетворюють азотисту кислоту в азотну:
2HNO2+O2 ® 2HNO3.
Азотна кислота взаємодіє з різними основами і дає солі NaNO3, KNO3 і Ca(NO3)2, найбільш доступну форму азотного живлення рослин. Нітрифікація – процес окислення, отже для утворення нітратів в ґрунті необхідна аерація. На нітрифікацію впливають волога, теплота і реакція середовища. Найбільш інтенсивно процес протікає у ґрунтах з нейтральною, слабокислою чи слаболужною реакцією при вологості 60%, вільному доступі повітря і температурі 25-350С. Цим пояснюється неоднаковий вміст нітратів в різні пори року. Накопичення нітратів починається весною, сягає максимуму у літні місяці і зменшується восени. У землях, які підлягають обробітку, нітратів більше, ніж в цілинних землях. Це пояснюється сприятливими повітряними, водними і тепловими властивостями, які виникають в результаті механічного обробітку ґрунту.
Денітрифікація відбувається в анаеробних умовах. Процес зумовлюють бактерії Bac.denitrificans. Ці бактерії забирають кисень від нітратів і нітритів і та окислюють ним органічні речовини. При цьому виділяється велика кількість теплоти. Частина азоту, який виділяється, надходить в атмосферу, частина використовується на побудову плазми денітрифікаторів.
Процес денітрифікації можна виразити рівнянням:
5C+KNO3 ® 2K2CO3 + 3CO2 + 2N2, де
5С – органічна речовина.
Фіксація атмосферного азоту в ґрунті. Атмосфера містить велику кількість азоту, але рослинами він засвоюватись не може. Цей азот рослини можуть використовувати лише після його зв’язування азотфіксуючими мікроорганізмами. У ґрунті є дві групи азотофіксуючих мікроорганізмів. Одні з них, бульбочкові бактерії (Bact. radicicola), розвиваються на коренях бобових рослин, інші вільно живуть в ґрунті. Вільноживучі азотофіксатори можуть бути аеробними (Azotobacter chroococcum), та анаеробними (Clostridium pasteurianum).
Найбільше значення мають бактерії Azotobacter і бульбочкові бактерії. Clostridium pasteurianum в ґрунтах, які підлягають обробітку, пригнічуються.
При сприятливих умовах кількість азоту, який зв’язується бульбочковими бактеріями, може сягати 100-150 кг на 1 га за один вегетаційний період. Це свідчить про велике значення азотфіксуючих бактерій у покращенні родючості ґрунтів.
Сполуки фосфору. Фосфор у ґрунті знаходиться в малодоступному для рослин вигляді. Основна маса фосфору міститься в органічних речовинах, решта у солях ортофосфорної кислоти (H3PO4). Найбільше у природі ортофосфатів кальцію.
Сполуки фосфору в ґрунті підлягають різноманітним перетворенням. Найбільше значення для ґрунтоутворення мають мінералізація органічних речовин, зміна рухливості фосфорних сполук (мобілізація та імобілізація) і фіксація фосфору.
Мінералізація – це перетворення органічних сполук фосфору в мінеральні в результаті діяльності мікроорганізмів. При дії різних ферментів, наприклад фітаз, від органічних фосфоровмісних сполук відщеплюються залишки фосфорної кислоти. Їх поведінка залежить від реакції ґрунтового розчину і вмісту кальцію.
Мобілізація – це перетворення важкорозчинних солей в розчинні і перехід в ґрунтовий розчин. Наприклад, перетворення трикальційфосфату в ди- і монокальційфосфат:
Ca3(PO4)2 ® CaHPO4 ® Ca(H2PO4)2.
Значну роль в мобілізації відіграє вода. Ґрунтова вода здатна частково розчиняти нерозчинні фосфати кальцію і переводити їх в розчинні. Частково можуть засвоювати фосфор з важкорозчинних сполук самі рослини. Під дією органічних кислот, які виділяє коренева система, важкорозчинні фосфоровмісні сполуки переходять в розчин і фосфорна кислота стає доступною рослинам.
Суттєву роль в мобілізації фосфорної кислоти відіграють мікроорганізми. Вони розкладають органічні речовини і вивільняють фосфорну кислоту. Вона взаємодіє з основами і утворює фосфорнокислі солі, які можуть засвоювати рослини. Мікроорганізми виділяють кислоти, під дією яких важкорозчинні фосфати частково переходять в розчинні. У доступній для рослин формі фосфорна кислота накопичується в аеробних умовах.
Іммобілізація фосфорної кислоти – це засвоєння мікроорганізмами легкорозчинних сполук фосфору і перетворення їх в складні органічні речовини, які не можуть засвоювати рослини. Після відмирання мікроорганізмів і мінералізації їх тіл, фосфор знову переходить в розчинну форму і стає доступним для рослин.
Фіксація фосфору полягає в його переході у нерозчинний стан за рахунок утворення зв’язків з мінеральними компонентами ґрунту. У цих реакціях беруть участь, в основному, іони H2PO4–.
Сполуки сірки. Сірка в ґрунті представлена органічними і неорганічними речовинами. Їх співвідношення залежить від типу ґрунту і материнської породи. Інколи у ґрунтах зустрічається вільна сірка, вона може вивільнятись з сірковмісних сполук або успадковуватись від материнської породи.
Сірка та її сполуки відіграють важливу роль у процесі ґрунтоутворення і живленні рослин. Сірка в ґрунт надходить з добривами. Джерелом сірки, також, є сульфати і сірчана кислота техногенного походження.
У ґрунті міститься органічні і нетрагічні сполуки сірки. На долю органічних речовин припадає до 70-80% сірки.
Неорганічні сполуки сірки дуже різноманітні. Одна з головних груп сполук – похідні оксидів. Диоксид SO2 і триоксид SO3 легко розчиняються в воді, розчин SO2 дає сірчисту кислоту H2SO3, розчин SO3 – сірчану H2SO4. Ці кислоти утворюють солі - H2SO3 – сульфіти і гідросульфіти, H2SO4 – сульфати і гідросульфати. Найбільш поширеними сульфатами є гіпс CaSO4×2H2O, ангідрид CaSO4×0,5H2O і ангідрид CaSO4. В засолених ґрунтах зустрічається глауберова сіль.
Наступна група мінеральних сполук сірки в ґрунтах – сірководнева кислота H2S та її солі.
Сірководень – отруйний газ. Якби він накопичувавсь у великих кількостях, життя рослин було б неможливе. Але сірководень не накопичується, оскільки сіркобактерії окислюють його і переводять в сірчану кислоту. Це перетворення називається сульфуризацією:
2H2S + O2 ® 2H2O + S2
S2 + 2H2O + 3O2 ® 2H2SO4.
Сіркобактерії – це аеробні мікроорганізми. Чим пухкіший ґрунт тим краще відбувається газообмін і сірководень енергійніше перетворюється в сірчану кислоту. У щільних ґрунтах, де слабкий потік повітря, процес сульфуризації поступається процесу десульфуризації, при якому анаеробні бактерії відновлюють солі сірчаної кислоти до H2S.
Крім сульфуризації і десульфуризації, з сполуками сірки у ґрунті відбувається мінералізація, іммобілізація, окислення і відновлення.
Мінералізація – це перетворення органічних сполук сірки в мінеральні (сульфати). Мінералізація найбільш інтенсивно відбувається при оптимальних для мікроорганізмів умовах.
Іммобілізація – процес перетворення неорганічних речовин сірки в органічні в результаті діяльності мікроорганізмів. При цьому сірка сульфатів накопичується у вигляді сірковмісних амінокислот.
Окислення і відновлення здійснюється хімічним і біохімічним шляхом. Окислення сполук сірки інтенсивно відбувається в аеробних умовах киснем повітря або з участю сіркобактерій. Окислення сірки відбувається ступінчасто:
S ® S2O32- ® S4O62- ® SO32- ® SO42- .
В результаті процесів окислення у ґрунті накопичується сірчана кислота.
Реакції відновлення сульфатів відбуваються з участю сульфоредукуючих бактерій. Ці реакції ведуть до накопичення у ґрунті сульфідів заліза і соди і, як наслідок, формування содовозасолених ґрунтів і солончаків.
Органічні речовини ґрунту. Органічні речовини ґрунту – це сукупність рослинних і тваринних решток, які знаходяться на різних стадіях розкладу, і специфічних ґрунтових органічних речовин – гумусу.
Органічні речовини суттєво впливають на ґрунтоутворюючий процес, оскільки ґрунтоутворення – це біологічний процес.
Основна роль у накопичені органічних рослин відіграють зелені рослини. Їх роль полягає в тому, що вони здійснюють фотосинтез, в результаті якого утворюються органічні речовини. Після відмирання рослин синтезовані ними органічні речовини надходять у ґрунт.
Роль зелених рослин полягає ще й в тому, що своєю життєдіяльністю вони зумовлюють біологічну міграцію мінеральних речовин, а разом з мікроорганізмами – біологічний кругообіг речовин в природі. Чим інтенсивніший кругообіг, тим родючіші ґрунти.
Велику роль у накопичені органічних речовин відіграють мікроорганізми Діяльність мікроорганізмів протилежна діяльності зелених рослин - зелені рослини синтезують органічні речовини з мінеральних речовин, а мікроорганізми розкладають органічні речовини, синтезовані зеленими рослинами.
Розвиток мікроорганізмів в ґрунті пов’язаний з органічними речовинами - чим більше у ґрунті рослинних решток, тим більше мікроорганізмів. Найбільше мікроорганізмів у верхніх шарах ґрунту – в прикореневій зоні рослин.
Отже, ґрунт це складне органо-мінеральне утворення до складу якого входять неорганічні та органічні речовини. Присутність цих речовин зумовлює різноманітні хімічні властивості. Для мінерального живлення рослин найбільше значення мають сполуки азоту, сірки і фосфору. Також, родючість ґрунту не можлива без органічних речовин.
25 26 27 Наверх ↑