4. Хімічний склад ґрунтів.

Хімічний склад ґрунтів характеризує наявність хімічних еле­ментів у ґрунті та їхню кількість незалежно від того, у формі яких сполук вони містяться. Якщо порівняти вміст елементів у ґрунті та в літосфері, то можна помітити, що вміст карбону у ґрунті більший у 20 разів, нітрогену - у 10 разів, також більший вміст оксигену, гідрогену, силіцію, зате дещо менший вміст лужних і лужнозе­мельних металів (табл. 1.7).

Головними елементами у ґрунтах (вміст від декількох % до декількох сотих %) є:

магній, кальцій, натрій, калій, фосфор, сульфур, карбон у формі карбонату, менше титану. їхній вміст визначають у формі оксидів:

Вміст неорганічного Фосфору досить сталий, а вміст сульфуру та карбону коливається, так само коливається і вміст органічного нітрогену та карбону. Залежно від дисперсності ґрунти містять -10 % вологи.

Оксиген та гідроген наявні в складі мінералів, води, розчинних солей, органічних речовин, тобто є основою ґрунту, тому їхній вміст у ґрунтах не аналізують.

Карбон наявний переважно у складі органічних сполук, у кар­бонатних мінералах, лише незначна кількість його може бути у формі НСОз в ґрунтовому розчині. Цей елемент є основою ґрунту в складі органічних речовин і карбонатів.

Силіцій утворює основний мінерал піщаних ґрунтів та складо­ву ґрунтів усіх типів - кварц (90-98 % у піщаних і 40-70 % у гли­нистих), є в складі алюмосилікатів, інших силікатних мінералів. Ці сполуки практично малорозчинні і теж є основою ґрунтів. У ґрунто­вому розчині міститься невелика кількість малорозчинної Н₄ Sі0₄.

Алюміній у формі оксиду та гідрооксиду є в складі алюмоси­лікатів, у ґрунтовому розчині гідроксид та невелика кількість фос­фату утворюють колоїдні частинки. Розчинні форми сполук алюмі­нію шкідливі для рослин. Вміст алюмінію коливається від 1-2 до 20 %.

Ферум є у різних формах. Цей елемент міститься в складі за­лишків мінералів (гематиту, магнетиту, лимоніту), у формі фосфа­ту. Ферум (III) гідроксид утворює колоїдні частинки; у відновному середовищі для рослин доступні водорозчинний та розчин­ний у слабких кислотах FеС0₃. Вміст феруму коливається у широ­ких межах: 0,5-1,0 % у піщаних, 8-10 % У збагачених феромагнезіальними породами, до 20-50 % у збагачених мінералами феруму тропічних лісах.

Калій - один з важливих елементів живлення рослин, є у скла­ді мінералів, особливо глинистих.. У ґрунтовому розчині калій наявний у формі розчинних солей, добре доступних для рослин, його загальний вміст - > 2 %.

Кальцій наявний у склад карбонатних, сульфатних, фосфатних мінералів. У солонцевих ґрунтах його недостатньо. У некарбонатних ґрунтах вміст кальцію - 1-3 %. У ґрунтовому розчині він може бути у формі розчинних солей.

Магній міститься в складі мінералів такого ж типу, як кальцій, хоча його загальний вміст менший. У піщаних ґрунтах є нестача магнію. У ґрунтовому розчині він може бути у формі розчинних солей.

Натрій у ґрунті є у формі мінералів, багато з яких розчинні, і тому міститься у ґрунтовому розчині. Переважно вміст натрію ста­новить 1-3 %, а надлишок NаСІ призводить до засолення ґрунту.

Нітроген у ґрунті є в різних формах. Велика кількість його міститься в органічних сполуках (10-5 % від вмісту С у складі гу­мусу): це аміногрупи білків, гетероциклічні сполуки. Під час розк­ладу органічних речовин накопичується NН₄", унаслідок подаль­шого окиснення в разі мінералізації утворюється N03 і всі вони є у ґрунтовому розчині. Отже, у ґрунті відбувається кругообіг сполук нітрогену. Нітроген у формі N03 засвоюють рослини (лише бобові засвоюють N2), він є важливим елементом живлення.

Фосфор наявний у ґрунті в різноманітних формах, хоча загаль­ний вміст його невеликий - 0,1-0,2 %. Велика кількість фосфору є в складі різноманітних мінералів разом з алюмінієм, кальцієм, ферумом, флуором (фосфорити, апатити), деяка кількість важкороз­чинних фосфатів утворює в ґрунтовому розчині колоїдні частинки. На органічні речовини припадає всього 0,35 % ґрунтового фосфо­ру. Внаслідок мінералізації органічних сполук у ґрунт повертається фосфор у вигляді Р0₄³ , який є дуже важливим елементом жив­лення всіх рослин. У піщаних ґрунтах сполуки фосфору наявні у недостатній кількості.

Сульфур є у складі мінералів у вигляді сульфатів, сульфідів, у розчинному сульфаті ґрунтового розчину, в органічних сполуках його вміст становить 0,01-2,0 %, це білки, ефірні масла. Внаслідок мінералізації органічних сполук він повертається у ґрунт у вигляді сульфату. Нестачі сульфуру в ґрунтах переважно нема.. Навпаки, антропогенне потрапляння у ґрунт сульфату призводить до його забруднення і підкислення.

Отже, форми сполук головних елементів:

• переважно важко­розчинні силікатні мінерали, карбонати, фосфати;

• у розчині йони лужних металів і NН₄⁺, невелика кількість аніонів сильних кислот (N0 , S0₄ , СІ , НС0₃ ), комплекси з органічними та фульвокисло тами;

• у формі колоїдних частинок гідрооксиди й фосфати;

• у складі органічних речовин.

Мікроелементи у ґрунті (вміст не перевищує 10 ³ %) - це бор, необхідний для розвитку і плодоношення рослин (1-200 мг/кг), манган (20-5 000 мг/кг), купрум (1-150 мг/кг), цинк (5-100 мг/кг)' кобальт (0,5-20,0 мг/кг), молібден (0,2-10,0 мг/кг), нікель, фторид, йодид, а також інші зі ще меншим вмістом..

Залежно від мінерало­гічного складу ґрунту змінюється і вміст мікроелементів.

Вміст мікроелементів різний і вглиб профілю ґрунту. Під час активного гумусоакумулятивного процесу вони накопичуються у верхній частині профілю, у іншому випадку зазнають вимивання вниз.

Ґрунти з підвищеним чи зниженим вмістом деяких елементів на певній території утворюють біогеохімічні провінції. Наприклад, біля родовищ корисних копалин простежують підвищений вміст мікроелементів;

у Поліській низовині і на Закарпатті в ґрунтах і водах є нестача йодиду.

Мікроелементи в ґрунті трапляються пере­важно:

• у складі залишків мінералів як ізоморфні домішки, як мінерали солей та оксидів;

• у ґрунтовому розчині - найчастіше у формі комплексів з гуміновими і фульвокислотами та іншими органічним­и речовинами;

• у складі органічних сполук (переважно ферментів).

Кислотність ґрунтів (табл. 1.10).

Якщо у ґрунті є досить ве­лика кількість вільних кислот, то він підкислений. Підкислюють грунт також іони А1³⁺ внаслідок гідролізу.

Лужні ґрунти містять ве­лику концентрацію йонів С0₃² та вільних лугів (зрідка).

Для нор­мального існування рослин придатні ґрунти нейтральні та слабко лужні (рН 6,5-8,0).

Радіоактивні елементи у ґрунті - це, головно, елементи при­родного походження:

• елементи, всі ізотопи яких радіоактивні –

• радіоактивні ізотопи нерадіоактивних елементів - ⁴⁰К, ⁴⁸Са ,⁸⁷РЬ, ⁹⁶ Zг цирконій;

• у ґрунтовому повітрі

Важкі ґрунти і ґрунти на основі кислих порід містять радіоак­тивних ізотопів більше. Сильно акумулюють радіоактивні ізотопи торфи і торфово-болотні ґрунти. їх використовують для дезактива­ції ґрунтів, особливо від важких радіоактивних елементів ( ). Значним є внесок у радіоактивність ґрунтів ізотопу ⁴⁰К, на який припадає 0,011 % усього ґрунтового калію. Саме ⁴⁰К спричиняє 66- 90 % -випромінювання і 43 % -випромінювання. Природна радіоактивність вища у верхніх горизонтах ґрунту і більша у темно- сірих і бурих ґрунтах (Карпати), а менша у ясно-сірих (Передкарпаття). Радіоактивні метали у ґрунті, здебільшого, є міцно зв'язані.

Штучну радіоактивність спричиняє робота атомних електро­станцій, атомні вибухи. Найнебезпечніші серед радіоактивних ізо­топів з періодами піврозпаду 28 і 33 роки, відповідно. Ці елементи закріплюються у верхньому шарі ґрунту (5-9 см). Найви­щу сорбційну здатність щодо них виявляють сильно збагачені гу­мусом і глинисті ґрунти. Радіоактивні елементи включаються у біологічний кругообіг, у кругообігу замінюють Са і К.

Ґрунтове повітря - це гази :

• у твердій фазі

• та розчинені у ґрун­товій воді.

Грунтове повітря ділиться на:

• Вільне повітря;

• Защемлене повітря.

Вільне повітря містить гази, притаманні атмосферному повітрю, та леткі органічні речовини.

У порах міститься защемлене повітря. У глинистих ґрунтах на нього припадає 12 % усього повіт­ря. Деякі гази і леткі органічні речовини сорбовані ґрунтовими час­тинками на поверхні - це адсорбоване повітря.

У ґрунтовому роз­чині міститься розчинене повітря - гази, розчинені у воді. Ці леткі речовини забезпечують фізіологічні потреби рослин, мікроорганіз­мів. Найбільш рухомими є 0₂ і С0₂. Вміст їх коливається залежно від інтенсивності споживання кисню і продукування С0₂, якого може бути в десятки разів більше, ніж в атмосфері. Концентрація кисню у газовій фазі може зменшитися до 10 %.

Вміст 0₂ і С0₂ в орних ґрунтах наближається до вмісту у повітрі. Кількість у ґрунтовому повітрі мало відрізняється від вмісту в атмосфері, деяке зменшення його спричинене засвоєнням бульбочковими бак­теріями та перебігом процесу денітрифікації.

Вологість ґрунту. Вода у ґрунті розміщується в:

• порах

• і нав­коло твердих частинок і утримується завдяки різним механізмам: сорбційним (фізично зв'язана), капілярним, гравітаційним.

Сорбція (від лат. Sorbeo - поглинаю), поглинання твердим тілом чи рідиною речовини з навколишнього середовища. Тіло, що поглинає називається сорбентом, а речовина, котра поглинається ним - сорбатом (або сорбтівом). Розрізняють декілька видів поглинання речовини: всією масою рідкого сорбенту (абсорбція); поверхневим шаром твердого або рідкого сорбенту (адсорбція); поглинання речовини з газового середовища всією масою твердого тіла або розплаву (оклюзія); сорбція, що супроводжується хімічною взаємодією сорбенту з поглинаючою речовиною (хемосорбція); сорбція парів високопористими тілами (капілярна конденсація).

Вода може бути у пароподібному, рідкому і твердому стані. Рідка ґрун­това вода є фізично зв'язана і вільна (хімічно зв'язана, тому не зу­мовлює вологості).

Сорбовану воду поділяють на щільнозв'язану і легкозв'язану.

Щільнозв 'язана вода утворює на поверхні твердих частинок дуже щільну плівку з декількох молекулярних шарів, замерзає за темпе­ратур від -4 до -78° С, недоступна рослинам. Вона зумовлює гігро­скопічність ґрунту. Переважно це сорбована пароподібна волога.

Легкозв 'язана вода утворює наступні молекулярні шари на шарах щільнозв'язаної води. Ці плівки води дуже повільно можуть пере­міщатися від одної частинки до іншої. Деколи її вміст у глинистих ґрунтах сягає 30-35 %, а у піщаних знижується до 3-5 %.

Вільна вода не зв'язується з частинками ґрунту сорбційними силами і може вільно переміщатися в ньому. Капілярну воду утри­мують у порах капілярні сили, вона розчиняє і переміщує речовини рослинам.

Гравітаційна вода переміщається в ґрунті під дією своєї ваги, добре доступна для рослин. Вона може просочуватися з верх­ніх шарів ґрунту, а також накопичуватися у водонепроникній поро­ді, насичуючи нижні горизонти й утворюючи підземну ґрунтову воду. Ґрунтова вода, точніше - ґрунтовий розчин, за хімічним складом подібна на прісні води, однак має більший вміст розчин­них гумусових речовин, фосфату, іонів алюмінію, феруму, амонію, нітрату.

Відношення загальної кількості води до абсолютно сухого ґрунту називають вологістю ґрунту. Вологість ґрунту зумовлена вільною та легкозв'язаною водою, яка здатна випаровуватися за температури понад 100 °С (105-110 °С).

Однією з найважливіших характеристик ґрунту є його водо­проникність. Вона пов'язана з особливостями складу ґрунту, впли­ває на його родючість та на особливості формування ґрунтового стоку. Якщо у ґрунтах є набряклі колоїдні частинки, особливо на­сичені іонами натрію та магнію, то в разі сильного зволоження вони ще більше набрякають, і ґрунт стає практично водонепро­никним.

Механізм зв'язування інгредієнтів у ґрунті

Ґрунт - гетерофазова система, тому більшість процесів у ньо­му пов'язана з перерозподілом речовин між фазами. Глинисті міне­рали, оксиди, гумус утворюють гідрофільні і гідрофобні колоїдні частинки. Процеси поглинання ґрунтом речовин є переважно сорб­ційними. За К. К. Гедройцем, поглинальна здатність ґрунту полягає у спроможності затримувати сполуки або їхні частини, які є в розчинному стані, а також колоїдно-розпилені частинки мінераль­ної та органічної речовини, живі мікроорганізми і грубі суспензії.

У ґрунті хімічні речовини зв'язані по-різному: легкорозчинні, малорозчинні, нерозчинні.

Ґрунтовий поглинальний комплекс (ҐПК) - сукупність мі­неральних, органічних і органо-мінеральних сполук високого ступе­ня дисперсності, нерозчинних у воді і здатних поглинати й обмі­нювати йони.

Є п'ять видів поглинальної здатності ґрунту.

• Механічне захоплення пористою поверхнею ґрунту частинок з води, повітря, розміри яких не перевищують розмірів ґрун­тових пор.

• Фізичне поглинання, зумовлене зміною поверхневого натягу певними речовинами, що змінює процес адсорбції ґрунтом речовин з ґрунтової рідини та повітря.

• Фізико-хімічне захоплення - сорбція молекул води, газів, органічних сполук, пестицидів унаслідок вандервальсової взаємодії (міжмолекулярне притягання та відштовхування); катіонний та аніонний обмін між твердою фазою і розчином, катіонне ізоморфне заміщення. Воно необмінне у сильногумусних ґрунтах. Обмінно зазнають поглинання Sг²⁺,

• Хімічне захоплення – утворення нерозчинних сполук у процесі йонного обміну з ґрунтовим розчином

• Ще один механізм - утворення складних комплексів катіонів (часто гідроксо-) з органічно-неорганічними конгломерата­ми у ґрунті. Це супроводжується і комплексоутворенням, і злипанням частинок.

• Сорбція газоподібних речовин, які утворюють ґрунтове по­вітря.

• Біологічне поглинання - здатність живих організмів у ґрунті поглинати різні елементи, причому таке поглинання є ви­бірковим для різних організмів.

Сорбційна ємність, або ємність поглинання (Є/7) чи ємність катіонного обміну, - загальна кількість усіх поглинутих (обмінних) катіонів, які можуть бути витіснені з грунту. Її виражають у мі лімолях на 100 г ґрунту або у мілімолях на 1 кг ґрунту.

Сорбційна ємність є різною для обмінної і необмінної сорбцій, залежить від типу ґрунту, механізму обміну. Найвища поглинальна здатність у чорнозему, який містить багато гумусу, а найменша - у піщаних ґрунтах. ЄП тим більша, чим більший ступінь дисперс­ності частинок; органічна частина ґрунту має вищу ємність погли­нання, ніж мінеральна; з підвищенням рН середовища пог­линання збільшується.

Сумарна ємність поглинання за йонами, для чор­нозему становить 20-50 ммоль/100 г, для підзолистих піщаних і су­піщаних - 3-6 ммоль/100 г.

Обмінна здатність ҐПК за йонами є показником доступності для рослин елементів живлення.

Селективність іонного обміну. Іон виявляє тим більшу спо­рідненість з твердою фазою ґрунту, чим більші його маса і заряд.

Головні катіони й аніони ґрунту за сорбційною здатністю утворю­ють такі ряди:

Fе³⁺>А1³⁺>Н⁺>Са²⁺>Мg²⁺>Сs⁺> NН₄⁺ > К⁺> Na⁺> Lі⁺

0Н>Sі04⁴ >Р04³ >S0₄² NOз ~ СL

Однак на цей ряд впливають значення рН ґрунту, температура.

Буферність ґрунту — це протидія ґрунту зміні кислотності, концентрації речовин у разі їхнього внесення у ґрунт, зміні редокс- потенціалу(ред.-редукція =відновлення, оск-оскидація=окислення) ґрунту. Тому у випадку невеликого забруднення ґрунт здатний протидіяти цьому, а внесення мінеральних добрив повин­но бути дещо більшим від розрахованого.

Поглинальна здатність ґрунту має важливе екологічне значен­ня. Висока ємність сприяє високій родючості ґрунту. Крім того, поглинуті і міцно зв'язані токсичні елементи не переходять у ґрун­товий розчин у слабкокислому середовищі, і тому їх не засвоює рослинність. Обмінну поглинальну здатність широко використову­ють у хімічній меліорації ґрунтів.

За здатністю до переходу у розчинний стан розрізняють такі форми зв'язування інгредієнтів у ґрунті.

Необмінні йони - це ті, які є в складі мінералів, а для переве­дення їх у розчин необхідна дія концентрованих розчинів кислот.

Обмінні йони містяться у ґрунтовому поглинальному комп­лексі. Для переведення їх у розчин діють розведеними (0,1 М) кис­лотами та 1 М розчинами солей (КС1, NН₄С1).

Рухливі форми йонів - іони та сполуки, наявні в ґрунтовому розчині. їх переводять у розчин дією розведених кислот, розчинів солей, буферними розчинами з нейтральною або слабкокислою реакцією, наприклад, СН₃СООМН₄+СН₃СООМа, рН = 7.

Для перевірки здатності рослин засвоювати певні інгредієнти, їх переводять з ґрунту в розчин дією ацетатного буфера СН₃СООМН₄ з рН = 4,5, дія якого імітує дію коренів більшості рослин.

Особливість хімічного складу інгредієнтів у довкіллі полягає в їхній лабільності в просторі та часі, чого немає під час аналізу тех­нічних матеріалів.

Вміст елементів у ґрунтах і донних відкладеннях виражають переважно вмістом їхніх оксидів у повітряно-сухій речовині (мг/кг), у воді - концентрацією (мг/л), у повітрі - вмістом у одиниці об'єму (мг/м³).