2.5.2. Топырақтағы химиялық қосылыстар

Топыраќ ќ±рамына кіретін элементтер химиялыќ ќосылыстар т‰рінде болады. Оттегі бастапќы жєне туынды минералдар ќ±рамында жєне органикалыќ заттар мен судыњ ќ±рамында болады.

Топыраќтаѓы кремний элементініњ мµлшері кварцтыњ мµлшеріне тікелей байланысты жєне сонымен бірге бастапќы жєне туынды силикаттармен алюминосиликаттардыњ кµлеміне де тєуелді. Балшыќты топыраќта SіО₂ мµлшері 40-70%, ал ќ±мды топыраќта –90 –98% дейін болады.

Алюминий топыраќтаѓы бастапќы жєне туынды минералдардыњ, органикалыќ минералды комплекстердіњ ќ±рамында жєне топыраќтыњ ќатты бµлігімен сіњірілген ион к‰йінде болады.

Темір топыраќ минералдары ќ±рамында, гидрототыќтар, тотыќтар, т±здар к‰йінде, органикалыќ, минералды ќосылыстар ќ±рамында жєне сіњірілген ион к‰йінде кездеседі. Темір µсімдіктер тіршілігіне ќажет, темірсіз хлорофилл т‰зілмейді.

Азоттыњ басты бµлігі топыраќтыњ органикалыќ заттары ќарашірінді ќ±рамында болады. ¤сімдіктерге тиімді азот ќосылыстары нитрат, аммоний, нитрит иондары топыраќтыњ органикалыќ заттары ыдырауы кезінде т‰зіледі. Азот µсімдіктердіњ аќуызы ќ±рамына жєне басќада химиялыќ ќосылыстарда кездеседі. Ол µсімдік тіршілігіне ќажет басты элемент.

Фосфор топыраќта органикалыќ жєне минералды ќосылыстар ќ±рамында болады. Олар органикалыќ заттар-фитин, нуклеин ќышќылы, нуклеопротейдтер, фосфатидтер де жєне минералды ќосылыстар– ортофосфор ќышќылыныњ кальцийлі, магнийлі, темірлі, алюминийлі т±здары ќ±рамында болады. Сонымен бірге фосфор топыраќтаѓы апатит, фосфорит, вивианит минералдарыныњ ќ±рамында жєне топыраќтыњ ќатты бµлігіне сіњген фосфат анионы ретінде болады. Фосфор µсімдіктердіњ µніп- µсуіне ќажетті негізгі элементтердіњ бірі.

Калийдіњ топыраќтаѓы жалпы ќоры мол болып келеді. Ауыр механикалыќ ќ±рамды топыраќта калийдіњ мµлшері 2% жєне одан жоѓары болады, біраќ жењіл механикалыќ ќ±рамды топыраќтарда оныњ мµлшері кемиді. Калийдіњ негізгі ќоры топыраќтаѓы бастапќы жєне туынды минералдарда шоѓырланѓан. Сонымен бірге топыраќтыњ ќатты бµлігімен сіњірілген калий иондары жєне ќарапайым т±здар ќ±рамындаѓы калий ќоры да бар. ¤сімдіктер негізінен топыраќта алмаса сіњген калий иондарын ќоректенуге пайдаланады.

Топыраќта кальций мен магний минералдардыњ ќ±рамында, оныњ ќатты бµлігімен алмаса сіњірген иондар жєне ќарапайым т±здар к‰йінде кездеседі. Топыраќтыњ ќатты бµлігі сіњірген иондардыњ ішінде мµлшері жаѓынан бірінші орында кальций ионы, сонан кейін магний ионы болып келеді. Топыраќ ерітіндісі ќ±рамында да кальций жєне магний иондары да мол болады.

Бақылау сұрақтары

1. Топырақтың химиялық құрамының аналық тау жыныстары құрамынан өзгешеліктері қандай?

2. Топырақ құрамында көп тараған элементтерді атаңыз.

3. Литосферамен салыстырғанда топырақта қандай элементтер мол, ал қандай элементтер аз?

4. Өсімдіктердің қоректенуіне керек негізгі элементтер топырақта қандай қосылыстар күйінде кездеседі?

2.6 Топыраќтыњ сіњіру қабілеті

2.6.1. Топыраќ коллоидтары

Топыраќ кµлемі єр т‰рлі бµлшектерден т±ратын к‰рделі ж‰йе. Оныњ ќ±рамында ірі, ±саќ бµлшектермен ќатар µте майда, ±нтаќталѓан коллоид бµлшектері де бар. Коллоидтардыњ кµлемі (0,001- 0,2мкм) болып келеді. Олар топыраќ салмаѓыныњ 1-2%-нен –30-40%-на дейінгі мµлшерін алуы ыќтимал. Коллоидтардың ењ басты маңызы топырақтың сіњіру ќабілетініњ µте жоѓары болуына ықпал етуі. Өйткені біріншіден, топырақтың қатты бөлігінің жалпы бет ауданының негізгі үлесі коллоид бөлшектер арқылы қалыптасады, екіншіден, коллоид бµлшектерініњ физикалыќ жєне химиялыќ ќасиеттері олардыњ бетінде сіњіру ќ±былыстарыныњ белсенді ж‰руіне жаѓдай жасайды.

Ірі бµлшектермен салыстырѓанда ±нтаќ бµлшектердіњ бет ауданы µте мол болады (19-кесте). Осы кестеде кµрсетілген есептеулер салмаѓы жаѓынан кем болып т±рса да, алатын бет ауданыныњ мөлшеріне байланысты ±нтаќ бµлшектер топыраќта басты орын алатынын дєлелдейді. Топыраќ салмаѓыныњ 4% ѓана ќ±рап т±рѓан коллоид бµлшектер (0,00001мм) оныњ жалпы бетініњ ауданыныњ 81,0% ќалыптастыруѓа ќатысты болып келеді.

19-кесте. Орташа саздаќ топыраќтыњ жалпы бетініњ ауданыныњ ќалыптасуына єр кµлемді бµлшектердіњ ыќпалы (21)

Бµлшектердіњ кµлемі, мм	Топыраќтағы мµлшері,%	1г топыраќ ќ±рамындаѓы бет ауданы, ш.м.	Жалпы бет ауданы ішіндегі мµлшері,%
0,25-0,05	17	0,5	0,2
0,05-0,01	50	4,1	1,7
0,01-0,005	20	9,9	4,1
0,005-0,001	6	12,7	5,2
0,001-0,0001	3	18,8	7,8
0,00001	4	194,0	81,0
Ќосындысы	100	240	100

Топыраќ коллоидтарыныњ ќасиеттері олардыњ ќ±рамына жєне ќ±рылысына байланысты. Коллоид бµлшектердіњ негізін оныњ өзегі (ядросы) ќ±райды (29-сурет). Ол аморфты немесе кристаллды ќ±рылымды к‰рделі ќ±рамды химиялыќ ќосылыстан т‰зіледі. Өзектің ‰стіне коллоидтыњ потенциялын аныќтайтын ќозѓалмайтын иондар ќабаты орналасќан. Өзекпен осы ќабат бірігіп коллоид т‰йіршігін (грануласын) ќ±райды. Олар топыраќ ертіндісінен µзіне потенциалы арќылы ќарсы заряды бар иондарды тартып жинаќтап, тењгеру иондары ќабатын т‰зейді. Сµйтіп коллоид бµлшектіњ қос иондар ќабаты ќ±рылады. Екінші, соњѓы ќабат екіге жіктелген болып келеді. Оныњ ішкісі ќозѓалмайтын тењгеру иондарынан, ал сыртќысы жылжымалы, ќозѓалмалы иондардан ќ±ралѓан. Коллоидтыњ соќтасы, потенциал аныќтаушы жєне жылжымайтын тењгеру иондары ќабаты коллоид т‰йірін (частицасын) т‰зейді. Ал барлық ќабаттары бар коллоид бµлшегі- Г.Вигнер ұсынысы бойынша мицелла деп аталады. Коллоидтардыњ сыртќы жылжымалы иондары топыраќ ерітіндісіндегі µзі тектес иондарѓа эквивалентті т‰рде ауысуѓа ќабілетті болып келеді. Жоѓарыда сипатталѓан ерекшеліктерініњ себебінен коллоидтардыњ иондарды сіњіру ќабілеті µте жоѓары болады.

Коллоидтар топыраќта минералды, органикалыќ, органикалыќ- минералды ќосылыстар т‰рінде кездеседі.

Минералды коллоидтарѓа балшыќты минералдар, кремнийдіњ, темірдіњ, алюминийдіњ тотыќтарыныњ коллоидты т‰рлері жатады. Ал органикалыќ коллоидтарды ќарашірінді жєне аќуыз тектес ќосылыстар ќ±райды. Ќарашірінді коллоидтарыныњ алмаса сіњіру ќабілеті µте жоѓары (400-500м-экв 100г топыраќта) жєне олар кµбінесе шµгінді (гель) к‰йінде болады. Органикалыќ-минералды коллоидтар ќарашірінді заттарыныњ балшыќ минералдарымен жєне ‰ш валентті металл тотықтарының шµгінділерімен ќосылыстар т‰зуі арќылы ќ±ралады. Б±л коллоидтардыњ да сіњіру ќабілеттері жоѓары болып келеді.

29-сурет. Коллоид бөлшектің құрлысының сұлбасы (8)

Теріс заряды бар коллоидтар ацидоидтар, ал оњ заряды барлар- базоидтар деп аталады. Кейде топыраќ коллоидтарыныњ заряды ќоршаѓан ортаныњ реакциясына байланысты µзгермелі болады. Ондай коллоидтарды амфолитоидтар дейді. Топыраќтаѓы коллоидтардыњ басым бµлігі теріс зарядты ацидоидтар.

Коллоидтар топырақта золь (коллоидтік ерітінді) және гель (коллоидті қоймалжың тұнба) күйлерінде кездеседі және олар бір күйден екінші күйге көше береді. Коллоидтардың ерітіндіден (зольдан) тұнбаға көшуін коагуляция, ал керісінше, тұнбадан (гельден) ерітіндіге көшуін пептизация (бытырау) деп атайды. Золь күйінде коллоидтар топырақтың қабаттарында жылжып, жиылады, ал гель күйінде топырақта бекіп қалады. Яғни, коллоидтар құрамындағы қоректік заттар жылжиды және бекиді. Сонымен бірге коллоидтар гель күйіне көшу барысында топырақ түйіршіктілігін қалыптастырады. Сумен єрекетіне ќарай коллоидтар гидрофильді жєне гидрофобты болады. Гидрофильді коллоидтар суды мол сіњіріп тұтады, ал гидрофоботылардыњ осы ќасиеті керісінше, шамалы.

Топыраќтаѓы коллоидтардыњ физикалыќ жаѓдайы оныњ ќ±рамына сіњген катиондарѓа байланысты. Коллоидтар ‰лкенірек валенттілігі бар катиондарѓа бай болса, олар тезірек коагулцияѓа ±шырайды. Ал оларда бір валентті натрий иондары мол болса, онда коллоидтар золь к‰йіне кµшіп, ыдырап, суды мол сіњіріп түйіршіктілігін жоѓалтады. Егер натрий иондарын кальций ионымен алмастырсаќ топыраќта коагуляция ж‰ріп, суда ерімейтін берік түйіршіктер пайда болады. Сонымен бірге топырақтың температурасы өзгергенде, топырақ кепкенде каогуляция құбылыстары байқалады. Топырақта коллоидтар негізінен гель күйінде болады.

2.6.2. Сіњіру қабілеті жєне оныњ мањызы

Топыраќтыњ ќатты, с±йыќ заттарды жєне газдарды µз бойына сіњіріп ±стау ќабілетін оныњ сіњіру ќасиеті деп атаймыз. Б±л топыраќтыњ басты ќасиеттерініњ бірі. Топыраќтыњ осы ќасиетін зерттеуге ‰лкен ‰лес ќосќан орыс ѓалымдары К.К.Гедройц, А.Н.Соколовский, И.Н.Антипов-Каратаев, Н.И.Горбунов, швед ѓалымдары Г.Вигнер, С.Маттсон ж.т.б.

Топыраќтыњ сіњіру ќабілеттерініњ пайда болуыныњ т‰рлі себептері бар. Осыларѓа байланысты К.К.Гедройц топыраќтыњ сіњіру ќабілетініњ бес т‰рі бар екенін аныќтады. Олар механикалыќ, физикалыќ, химиялыќ, физикалық-химиялық жєне биологиялыќ сіњіру т‰рлері.

Сумен не ауамен топыраќќа келіп т‰скен ќатты бµлшектердіњ топыраќтыњ ќуыстарынан тµмен єрі ќарай µте алмай оныњ бойында кептелініп сіњіп ќалуы топыраќтыњ заттарды механикалыќ жолмен сіњіру т‰рін кµрсетеді. Топыраќ ќуыстарыныњ мµлшеріне байланысты топыраќта ±сталынып ќалатын бµлшектердіњ кµлемі єр т‰рлі. Егер топыраќ ќуыстары µте нєзік болса, онда осы топыраќ ±саќ бµлшекті заттарды кµп сіњіреді, ал керісінше болѓан жаѓдайда топыраќта тек ірірек заттар жиналады. Б±л сіњіру т‰рі кµктемде ќар еріп, µзен тасыѓанда, ќатты нµсер жањбырлардан кейін ылайлы судыњ топыраќќа сіњуі кезінде байќалады.

Топыраќтыњ ќатты бµлігініњ сыртќы ‰стінде еріген заттардыњ, газдардыњ концентрациясыныњ артуы топыраќтыњ сіњіру ќабілетініњ физикалыќ т‰рін ањѓартады. Топыраќтыњ ќатты бµлігініњ сыртќы молекулалыќ к‰ші єсерінен газдардыњ, су буыныњ, органикалыќ заттардыњ молекулалары осы ќатты бµліктіњ ‰стіне ќатпарланып орналасады. Біраќ олар топыраќтыњ ќатты бµлігініњ ішкі ќ±рамына араласпайды.

Топыраќ ертіндісіндегі катиондардың эквивалентті т‰рде топыраќтыњ ќатты бµлігініњ ќ±рамындаѓы катиондардыњ бір бµлігініњ орнына алмасып сіњуін оныњ физикалыќ-химиялыќ немесе алмаспалы сіњіру ќабілеті деп атаймыз. Алмаспалы сіњіруді келесі н±сќамен сипаттауѓа болады:

Топыраќта катиондардыњ алмаспалы сіњуімен ќатар аниондардыњ да алмаспалы сіњуі жєне катиондардыњ алмаспай сіњуі де байќалады.

Химиялыќ сіњіру т‰рініњ мєні топыраќ ќ±рамындаѓы заттардыњ µзара химиялыќ єрекеттерге ±шырап оныњ ќ±рамында ерімейтін т±раќты т±здар т‰зілуінде болып келеді. Мысалы:

1)

2)

Химиялыќ сіњіру нєтижесінде пайда болѓан ќоспалар сумен шайылмайды. Сондыќтан топыраќта µсімдіктердіњ ќорегіне керек заттар сіњіріліп ±сталынады.

Топыраќтыњ биологиялыќ жолмен заттарды сіњіруі оныњ ќ±рамындаѓы µсімдік тамырлары жєне микроаѓзалар тіршілігіне байланысты. Олар топыраќтан жылжымалы ќоректік заттарды сіњіріп, µз денелерінің талабына пайдаланып, ерімейтін к‰рделі органикалыќ ќосындылардыњ ќ±ралуына ќатысады. Мысалы, азот элементі биологиялыќ сіњіру арќасында µсімдіктер мен микроаѓзалардыњ денесіндегі аќуыздыњ ќ±рамында бекіп ќалады. ¤сімдіктер мен аѓзалар µздеріне керекті элементтерді тањдап сіњіреді. Осы аѓзалар әрекеті аяќталѓан соњ олардыњ денесі ыдырап, минералданып, топыраќќа элементтер ќайтып оралады.

Топыраќ ќ±рамындаѓы сіњіру ќ±былыстарына ќатынасатын заттар ќосылысы топыраќтыњ сіњіру кешені [ТСК] деп аталынады. Топыраќтыњ сіњіру кешенініњ басты бµлігін топыраќ коллоидтары ќ±райды.

Топыраќ коллоидтарыныњ бойына алмаспалы сіњген катиондардыњ жалпы мµлшері топыраќтыњ сіњіру кµлемі немесе алмасуѓа жарамды катиондар кµлемі (АЖК) деп аталынды. Осы кµрсеткішті 100г топыраќтаѓы миллиграмм-эквивалентпен µлшенген катиондар кµлемімен есептейді (м-экв/100г).

Топыраќтыњ сіњіру кµлемі оныњ типіне, коллоид бµлшектердіњ мөлшеріне жєне топыраќтыњ механикалыќ ќ±рамына байланысты.

Ќазаќстанныњ жазыќтыќ аймаѓында таралѓан топыраќ типтерініњ сіњіру кµлемі 100г кєдімгі ќара топыраќта 35-40, оњт‰стік ќара топыраќта 30-35, к‰њгірт ќара-ќоњыр топыраќта 25-30, ќара-ќоњыр топыраќта 20-25, ашыќ қара-ќоњыр топыраќта 15-20 м-экв болады (К.Ш.Фаизов, 2001).

Катиондардыњ ќ±рамы топыраќтардыњ типіне, т‰ріне байланысты µзгермелі болады. Топыраќтыњ сіњіру кешенініњ ќ±рамына µсімдіктерге ќажет барлыќ макро-жєне микроэлементтер кіреді. Олардыњ басым кµпшілігініњ мµлшері аз дєрежеде болады. Ќазаќстанныњ жазыќтыќ жер аймаѓында таралѓан ќара топыраќ, ќара-ќоњыр топыраќ типтерініњ катиондары ќ±рамында кальций ионы мол болып келеді, сонымен бірге магний ионы да кездеседі. Орманныњ с±р топыраѓы ќ±рамында кальций, магний иондарымен бірге сутегініњ жєне алюминийдіњ катиондары болады. Ал кебір жєне кебірленген топыраќтарда натрий ионыныњ мµлшері мол болады.

Топырақтың сіңіру кешені қалыпты, тең жағдайда ерітіндіден түрлі катиондарды немесе аниондарды әр мөлшерде сіңіреді. Яғни топырақ кейбір катиондарды немесе аниондарды жақсы сіңіреді, ал кейбіреулерін нашар сіңіреді. Бұл құбылыс топырақтың иондарды сұрыптап, таңдап сіңіруін көрсетеді. Көптеген топырақтарда алмаспалы сіңіруге иондардың қабілетінің артуы бағыты келесі көрсетілген қатарларға сәйкес болады:

Na⁺< NH₄⁺≤K⁺<Mg²⁺≤Ca²<H⁺<Al³⁺;

Сl^-≈NO₃^-<SO₄^2-<PO₄^3-(НРО₄^2-, Н₂РО₄^-)

Топыраќ ќ±рамындаѓы сутегі жєне алюминий катиондарынан басќа катиондар ќосындысы топыраќтаѓы алмаспалы сіњген негіздер кµлемін кµрсетеді. Топыраќтың сіңіру кешені ќ±рамында сутегі жєне алюминий иондары болмаса осы топыраќ негіздерімен ќаныќќан болып, ал осы иондар бар болса- негіздермен ќаныќпаѓан топыраќ болып есептелінеді.

¤сімдіктердіњ µсуіне ќолайлы жаѓдайы бар топыраќтардыњ ќ±рамында кальций жєне басќа ќоректік заттар катиондары мол болып келеді. Ал топыраќтыњ сіњіру кешенініњ (ТСК) ќ±рамында Н⁺, Аl³⁺ немесе Nа⁺ катиондары мµлшері молыраќ болса б±л топыраќ µсімдіктер µсуіне ќолайсыз жаѓдай туѓызады. Егер ТСК ќ±рамында Н⁺, Аl³⁺ катиондары болса топыраќ ертіндісініњ реакциясы ќышќыл, ал Nа⁺ иондары болса–ол сілтілі болып келеді жєне топыраќтыњ ќ±рылымы нашарлап, физикалыќ ќасиеттері де тµмендейді.

Топыраќ сіњіру ќабілеті арќылы µзініњ экологиялыќ ќызметін толыќ атќаруѓа м‰мкіндік алады. Осы ќабілеті оныњ ќ±нарлылыѓын ќалыптастырады жєне топыраќтыњ т‰зілуі ќ±былыстарына ыќпалын тигізеді. Топыраќтыњ ќоректік заттар режимі, оныњ ертіндісініњ реакциясы, физикалыќ ќасиеттерініњ ќалыптасуы да осы ќасиетімен тыѓыз байланысты. Коллоидтардыњ ќасиеті мен ќалыпты күйі топыраќтыњ т‰йіршіктерініњ т‰зілуіне, ќуыстылыѓына, тыѓыздылыѓына, физикалыќ-механикалыќ ќасиеттеріне оњ ыќпал жасайды. Сµйтіп µсімдіктермен аѓзалардыњ тіршілігіне ќолайлы жаѓдай жасалынады. Сонымен бірге топыраќтыњ эрозияѓа жєне басќа ќолайсыз жаѓдайларѓа тµзімділігі артып, т±раќтылыѓы саќталынады.

Ауыл шаруашылыѓын ќарќынды ж‰ргізу барысында ќолданылатын тыњайтќыштардыњ, мелиоранттардыњ жєне пестицидтердіњ топыраќпен єрекетініњ тиімділігі оныњ сіњіру ќабілетімен тыѓыз байланысты. Сіњіру ќабілеті шамалы механикалыќ ќ±рамы ќ±м топыраќ ќолданылѓан тыњайтќыштардыњ, пестицидтердіњ біраз бµлігін сіњіре алмауы м‰мкін. Сµйтіп олар ќоршаѓан ортаныњ, жер асты суларыныњ ластануына жаѓдай жасайды.

Топыраќтыњ физикалыќ сіњіру ќабілеті газдарды, органикалыќ ќосылыстарды, пестицидтерді топыраќпен сіњірілуін ќамтамасыз етіп оныњ тазалықты ќорѓау ќызметініњ артуына ыќпал жасайды. Химиялыќ сіњіру кезінде т‰зілетін балшыќты-ќарашірінділі ќосылыстар топыраќ ќ±рылымыныњ пайда болуына ‰лес ќосады, сµйтіп оныњ физикалыќ ќасиеттерін жаќсартады.

Топыраќ ќ±рамындаѓы алмаспалы сіњген катиондар µсімдіктердіњ µніп дамуына ќажетті жаѓдайларѓа кµп ыќпалын тигізеді. Мысалы, топыраќ колоидтары кальций иондарына бай болса, осы топыраќтыњ ертіндісініњ реакциясы бейтарап болып келеді, б±л коллоидтар ылѓалдылыќ артќанныњ µзінде гель к‰йінде саќталынады, яѓни ќ±рылымы жойылмайды. Осындай ќасиеттері бар топыраќ ќатарына ќара топыраќты жатќызуѓа болады. Алмаспалы сіњген катиондар ќ±рамында натрий иондары мол болѓан жаѓдайда (кебір топыраќтарда) оныњ ертіндісініњ реакциясы сілтіленген болып келіп, µсімдіктердіњ µніп µсуіне ќолайсыз жаѓдай туады. Коллоид бµлшектер тез суда ыдырап кетеді, топыраќ ќ±рылымын жоѓалтады. Сµйтіп топыраќтыњ кµптеген ылѓалдылыќ- физикалыќ ќасиеттері нашарлайды.