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 C_орг 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 ® S₂O₃^2- ® S₄O₆^2- ® SO₃^2- ® SO₄^2- .

 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.