1.11 Топырақтың химиялық құрамы, қасиеттері және сіңіру қабілеті
Топырақта әртүрлі биохимиялық және геохимиялық процестер ұдайы жүріп жатады.
Осының әсерінен топырақтың химиялық құрамын құрайтын аналық жыныстардың да химиялық құрамы өзгерістерге түседі. Сондай-ақ, гипергенез факторларының, олардың ішінде жануарлар және өсімдіктер тіршіліктерінің әсерінен топырақта химиялық элементтердің кеңістікте таралуы жүреді. Кейбір химиялық элементер және олардың қосындылары топырақтардың түзілуне әртүрлі әсер етеді. Мысалы, топырақ жаратылу процесінде кремнийдің топырақтағы орташа мөлшері 33% болғанымен, мөлшері 2% көміртегінен гөрі аз роль атқарады. Далалық топырақтар типтері жасалуында мөлшері алюминийден 10 есе кем натрийдің маңызы артық болады. Сол сияқты әлем топырақтарында кальций мен калийдің мөлшері шамалас болғанымен, кальцийдің көп бөлігі топырақ түзілуіне активті қатынасады, ал калийдің көп бөлігі мұндай активті қатынас жасамайды. Топырақтың құрамында кремнезем және пероксидтер, сол сияқты С, Н, О, Р, S, R, Са, Mg және т.б. органогендік элементтер бар. Бұл дармен қатар Na, Al, Mn, Cl және аз мөлдерде болса да, Менделеев кестесіндегі химиялық элементердің барлығы дерлік кездеседі.
Өсімдіктер негізгі қоректік элементтерді азотты, фосфорды, калийді, кальцийді, магнийді, темірді, күкіртті топырақ ерітіндісінен сіңіреді. Өсімдіктер өздерінің физиологиялық дамуы жақсы жүруі үшін әртүрлі витаминдерің, ферменттердің, гармониярдың құрамына кіретін мырыш, мыс, бор, йод, фтор, кобальт және т.б. микроэлементтерді де керек етеді.
Өсімдектер үшін топырақтағы химиялық элементтердің барлық массасы маңызды емес. Олардың өсімдіктер сіңіре алатын жылжымалы (еріген) түрлері ғана бағалы болады. Сонымен, топырақта барлық қоректік элементтердің қоры көп болғанымен, өсімдіктерге түсетін жылжымалы формалары жеткілікті болмайды. Сондықтан ауылшаруашылығы дақылдарынан мол өнім алу үшін топыраққа органиқалық және минералдық тыңайтқыштар енгізіледі. Топырақтың жасалуында органиқалық (қарашірік) және әртүрлі анорганиқалық қосындылар, негізінен тұздар (карбонаттар, сульфаттар, хлоридтер, нитраттар, фосфаттар), кальцийдің, натрийдің, магнийдің тұздары, темірдің, марганецтің, сирек кремнийдің, алюминийдің гидроксидтері және екіншілік силикаттар түзіледі.
Азот қарашіріктің, нитраттардың, аммоний тұздарының құрамына кіреді, атмосферада және топырақ ауасында болады.
Бұл элементті өсімдіктер көп мөлшерде пайдаланады, бірақ жылжымалығы жоғары болғандықтан және денитрификациялаушы бактериялардың эсерінен, сол сияқты химиялық жолмен топырақтан тез жоғалып кетіп отырады.
Фосфор өсімдік қөрегіндегі негізгі элементтердің бірі. Оның топырақтағы қоры жеткілікті, бірақ ерімейтің (жылжымайтын) формасы басым.
Калийде өсімдіктердің күлдік қоректік элементтерінің негізгілерінің бірі болып саналады. Топырақтағы қоры жеткілікті болғанымен көп жағдайларда жетіспейді.
Топырақта бұлардан басқа табиғи және жасанды радиоактивтілік жасайтын радиоактивті химиялық элементтер де кездеседі. Топырақтардың табиғи радиоактивтілігі аналық жыныстардың құрамындағы уранға, радийге, торийге, радиоактивті изотоптар: калийге(К40), кальцийге (Са48), көміртегі (С14) байланысты. Жасанды ракдиоактивтілік топыраққа атом өнеркәсібінің ластарымен түсетін радиоактивті изотоптардың немесе атом жарылыстарының бөліну заттары стронцийдің (Sc137) себебінен болады. Топырақта радиоактивті заттардың мөлшері аз болғанымен, олар атомдық сынақтардың әсерінен көбейеді.
Топырақтың химиялық қасиеттері, негізінен, топырақтың қатты фазасы мен сұйық фазасының арасында жүретін процестердің әсерінен пайда болады.
Топырақтың қатты және сұйық фазалары арасында жүретін бұл процестердің әсерінен топырақ ерітіндісіне әртүрлі заттар түсіп, ондағы заттардың концентрациясының тепе-теңдігі сақталып тұрүы шарт. Өсімдіктердің өсуіне, дамуына әсер ететін топырақтың басты және активті бөлігі-топырақ ерітіндісі немесе топырақтың сұйық фазасы.
Топырақ ерітіндісі деп, топырақта әрдайым қозғалыста болатын және әртүрлі еріген заттары бар тамшы – сұйық ылғалды атайды. Оның құрамы топырақ ылғалында еріген тұздардан, қышқылдардан тұрады.
Топырақ ерітіндісі топыраққа судың ұзақ уақыттар бойы капилляр және капилляр емес қуыстар арқылы қозғалуының нәтижесінде жасалады.
Өсімдіктер топырақ ерітіндісімен тамыр түкшелері арқылы көректенеді және физиологиялық қышқыл тұздардан (NH4 )2 SO4, KCl негіздерді алып, байланысты қышқылдарды босатып, топырақ ерітіндісінің ерітушілік әсерін күшейтеді. Ал физиологиялық сілтілік тұздардан NaNO3, KNO3, Ca(NO3)2 өсімдіктер аниондарды алып, топырақ ерітіндісін сілтілендіреді. Топырақтан күшті қысыммен (50 атм/ см2), центрофугалаумен алынған топырақ ерітіндісінің ерекше түсі, реакциясы және концентрациясы болады. Соңғысы климат құрғақтанған сайын (солтүстіктен оңтүстікке қарай) көбейеді. Топырақ ерітіндісінің тұз режимі ыза судың тұздық құрамына, концентрациясына әсер етеді. Сорланған топырақтарда ыза су күштірек минералданған, ал шайылған және күлгінденген топырақтарда ыза суы тұшы болып келеді.
Топырақ ерітіндісінің құрамын анықтау топырақ түзілу процесінің сипатын, бағытын, тұздардың концентрациясын білу және жерді тиімді пайдалану шараларын белгілеу үшін керек.
Топырақ ерітіндісінің құрамына минералдық, органикалық, органико-минералдық заттар кіреді. Топырақ ерітіндісіндегі минералдық заттар негізінен азот қышқылының NaNO3, KNO3, фосфор қышқылының Na2HPO4, Ca(H2PO4)2, K2HPO4, CaHPO4 тұздары, көмір қышқылының тұздары – карбонаттар және бикарбонаттар: Na2CO3, Ca(HCO3)2, тұз қышқылының тұздары NaCl, CaCl2 және күкіртқышқылының тұздары - сульфаттар CaSO4, MgSO4, Na2SO4, т.б түрінде кездеседі Коллоидтық сипаттағы минералдық заттар топырақ ерітіндісінде көбінесе темірдің және кремний қышқылының гидроксидтері формасында болады.
Топырақ ерітіндісіндегі органиқалық қосындылар қарашіріктік қышқылдар және олардың тұздары, сол сияқты өсімдіктер жануарлар және микроағзалар бөлетін аминқышқылдары, спирттер, эфирлер антибиотиктік заттар және токсиндер түрінде болады. Топырақ ерітіндісің сандық және сапалық құрамы әртүрлі топырақтарда, әртүрлі. Мысалы, сорланбаған топырақ типтерінде ріген заттардың мөлшері өте аз – литрде грамның оңдық бөлігіне жетпейді, сорланған топырақтарда керісінше, топырақ ерітіндісіндегі еріген қосындылардың мөлшері өте жоғары, тығыз қалдық литрде бірнеше грамға жетеді. Мысалы, Тәжікстанның суармалы сұр топырағының беткі 10 см қабатында тығыз қалдық 0,980г/л, төменгі 100-110см қабатында 3,520г/л болған (О.Грабовская, И. Гаркуша, 1962)
Шымды-күлгін топырақтардың топырақ ерітіндісінде органиқалық қосындылар басым, қара топырақтарда органиқалық және минералдық қосындылар тең, қызыл қоныр, қоныр, сұр топырақтарда минералдық қосындылар көп болады. Топырақ ерітіндісінің концентрациясы өзгермелі болып тұрады. Топырақ ылғалы көп болса, топырақ ерітіндісі сұйық, ал аз болса, топырақ ерітіндісінің концентрациясы жоғарылайда. Сорланған топырақтарда ылғалдың (ерітушінің) көбеюі есебінен топырақ ерітіндісінің көлемі ғана үлкейеді, концентрациясы аз өзгереді. Температура жоғарылаған сайын көптеген тұздардың ерігіштігі артып, топырақ ерітіндісінің де концентрациясы күшейеді. Өсімдіктердің өсу кезеңдерінде олардың көректік заттарды сіңіруіне байланысты топырақ ерітіндісі концентрациясының едәуір ауытқуы болады. Осмостық қысым да топырақ ерітіндісінің концетрациясымен тығыз байланысты болып, өсімдіктің қоректенүіне әсер етеді. Ерітінді концентрацисы өскен сайын осмостық қысым да жоғарылайды. Сорланбаған топырақтарда ерітіндінің осмостық қысымы шырынының қысымынан төмен – 1-3 атмосферадан аспайды.
Топырақ ерітіндісінің концентрациясы жоғары болатын сорланған топырақтарда осмостық қысым 20-30 атмосфераға жетеді де, өсімдіктер қоректік элементтерді топырақтан ала алмайды. Олардың қоректік заттарды сіңіруі үшін қолайлы осмостық қысым 2-3 атмосфера шамасында болады.
Топырақ суспензиясының (ерітіндідегі қатты бөлшектердің) топыраққа қышқыл, не сілті түскенде (көбінесе тыңайтқыштар енгізгенде) оның активті реакциясының (қышқылдығының) өзгеруіне қарсы тұру әрекетін топырақтың буферлігі дейді. Буферлілік топырақтың қатты фазасына тән, ол ұсақ дисперсті, коллоидты және қарашірікті болған сайын буферлілік те жоғары болады. Осы себепті топырақ ерітіндісінің реакциясы (қышқылдығы) шартты түрде тұрақты болады да, өскен өсімдіктердің, микроағзалардың түрлер құрамының өзгеріп кетуінен сақтайды.
Топырақтың сіңіру қабілеті, оның суда суспензия түрінде жүрген қатты минералдық және органиқалық бөлшектерді, газдарды, қосынды заттарды, ұсақ ағзаларды тұтып ұстау және сіңіру қасиетін атайды.
Топырақтың сіңіру қабілеті – топырақ ерітіндісінің концентрациясының реттейтін басты қасиеті. Эсіресе өсімдіктердің қоректік элементтері K, N, Ca, Mg, P топырақтың сіңіру кешеніне күшті сіңеді де, шайылып кетпейді, олар топырақта жиналып, өсімдіктер қорегіне жұмсалады.
Топырақтың сіңіру қабілеті оның гранулометриялык құрамына, ең бастысы коллоидтық бөлігіне байланысты. Саз және сазды топырақтарда құм, құмайт және тасты топырақтарға қарағанда сіңіру қабілеті жоғары болып келеді. Структуралы топырақтардың баттасқан структурасыз топырақтардан гөрі сіңіру қабілеті күшті болады.
Академик К.К. Гедройц топырақтың сіңіру қабілетінің төрт түрін механиқалық, физиқалық, физика-химиялық, химиялық сіңірулерді, ал академик В.Р. Вильямс сіңірудің бесінші түрін биологиялық сіңіруді дәлелдеді.
1) механиқалық сіңіру қабілеті. Топырақтың суда жүрген қатты бөлшектерді қуыстарда, капиллярларда тұтып (сүзіп) ұстау қасиетін механиқалық сіңіру қабілеті дейді. Сонымен, суда лай түрінде жүрген саздың, құмның, органиқалық заттардың ұсақ бөлшектері, майда детритустер (бақалшақ сыңықтары), микроағзалар және т.б. топырақ қуыстарында, капиллярларда сүзіліп қалады екен. Су осылайша топырақ қабаттарында сүзіліп, лайынан және тұз қоспаларынан тазарады. Сүзіліп келген заттардың шөгінді тұнба түрінде жиналуы иллювиалдық (В) қабаттың беткі бөлігінен бастап жүреді. Мысалы, мөлдір бұлақ суы осылай тазарудан өткен. Топырақтың механиқалық сіңіру қабілеті теңіздер, көлдер жағалуындағы елдердің ертеде ащы суларды топырақ қабаттарынан өткізіп, тұщытып пайдалануына көмектескен;
2) физиқалық (молекулалық-сорбциялық) сіңіру қабілеті. Топырақтың физиқалық сіңіру қабілеті деп топырақ ерітіндісінен заттар молекулаларын адсорбциялау (лат. ад-жанында, өзіне, сорбция – сіңіру) қасиетін атайды. Бұл топырақтың қатты бөлшектері беттерінің тарту энергиясына байланысты болады. Топырақ ұсақ дисперсті, коллоидты болған сайын оның газдардың молекулаларын (мысалы, ауадағы су буының молекулаларын), сұйық заттардың молекулаларын тарту энергиясы да жоғары болады. Топырақ бөлшектерін айнала қоршаған қабықтық ылғалдың жасалуы да осы тартылыс күшіне байланысты. Сол сияқты молекулалық ерітіндегі иондарға диссоциацияланбаған заттар молекулалары да топырақ бөлшектерінің беттеріне тартылады. Мысалы, көң сұйығы топыраққа сіңгенде органиқалық қосындылар (аммиак, т.б.) топырақ бөлшектері беттеріне тартылып қалады.
Сорбцияланған молекулалар топырақтың қатты бөлшектерінің құрамына кірмейді, тек қана бетінде жиналады;
3) физика – химиялық (иондық – сорбциялық) немесе ауыспалы сіңіру қабілеті. Топырақтың физика – химиялық немесе ауыспалы сіңіру қабілеті деп, оның топырақ ерітіндісіндегі бір элементтердің иондарын сіңіріп, ұстап топырақтың сіңіру кешеніндегі (ТСК) басқа элементтердің иондарына ауыстыру қасиетін атайды.
Ca2+ K+
ТСК + 2КСl= ТСК + СаCl2
K+
Бұл схемада калий хлориді топырақ кешеңіндегі кальций ионын ығыстырып, топырақ ерітіндісіне шығарады, оның орнына кешенде бір валентті калийдың екі ионы орналасады. Сонымен, топырақ бөлшектерімен сорбцияланған иондар топырақ ерітіндісіндегі иондармен ауысып тұрады екен. Топырақтың ұсақ дисперсті массасымен топырақ ерітіндісі арасында өзгермелі тепетеңдік орнайды. Топырақ құрамының өзгеруіне байланысты сіңген иондар құрамында да өзгерістер жүреді, әсіресе топырақтағы катиондар (Ca++, Mg++, Na+, K+, H+, NH4+, Al+++, Fe+++ және т.б) алмасуы үлкен роль атқарады, ал аниондардың алмасуы аз зерттелген. Әртүрлі топырақ типтері бір-бірінен сіңіру сыйымдылығы және сіңген катиондар құрамы бойынша өзгеше болады. Сіңіру кешенінде металдар катиондары (сілтілік және сілтілік жер металдары катиондары Na, Ca, Mg) сіңген топырақтарды негіздермен қаныққан топырақтар дейді. Бұларға қара топырақтар, қызыл қоңыр топырақтар, сұр топырақтар, т.б. бір қатар топырақтар негізінен аридтық ландшафтық топырақтар жатады.
Сіңіру кешенінде сіңген катиондар ішінде сутегі, алюминий иондары болса, ондай топырақтар негіздермен қанықпаған топырақтар деп аталады. Бұларға күлгін, шымды-күлгін топырақтар, қызыл топырақтар және басқа гумидтық ландшафтар топырақтары жатады. Топырақтардың сіңіру сыйымдылығының дәрежесі оның жоғары дисперсті минералдық бөлігіне және қарашіліктігіне байланысты болады. Ауыр саз топырақтардың сіңіру сыйымдылығы құм топырақтардан гөрі жоғары болып келеді. Мысалы, қара топырақта сіңіру сыйымдылығы 90 миллиэкв., құмды күлгін топырақта ол 1-2 миллиэкв. болады.
Сіңген катиондардын құрамы топырақтың әртүрлі қасиеттеріне әсер етеді. Мысалы, топырақтың агрегаттарының суда ерігіштігі, электр өткізгіштігі, максимальды гигроскопиялык ылғалдылығы, судың капиллярлармен биікке көтерілуі және т.б. сіңіру кешенінде натрийдың концентрациясы өскен сайын жоғарылайды. Ал бұл қасиеттердің төмендеуі кальцийдің, магнийдің, концентрацияларының көбеюіне байланысты болады.
Топырақтың суды өткізу жылдамдығы, топырақ структурасының беріктігі және т.б. көрсеткіштері мына сіңген катиондар кезегімен төмендейді: Ca < Mg < K < Na.
4) химиялық сіңіру қабілеті топырақтың химиялық сіңіру қабілеті деп, оның топырақ ерітіндісіндегі заттарды химиялық реакциялардың нәтижесінде ұстап қалуын, яғни оларды қиын еритін немесе ерімейтін (жылжымайтын) жағдайда өткізуін атайды. Топырақ ерітіндісінде болатын кейбір элементтер (жылжымалы) химиялық реакцияның әсерінен тұнбаға түсетін (жылжымайтын) жағдайда өтеді. Мұны былай түсіндіруге болады; топырақ ерітіндісіне кальций хлориді болса, оған натрий гидрофосфаты қосылса химиялық реакция нәтижесінде
3CaCl2+2Na2HPO4=Ca3(PO4)2 +HCl+4NaCl түзіледі
Ауыл шаруашылығы өндірісінде топыраққа ұнтақ (порошок) суперфосфаты – Ca(H2PO4)2 енгізгенде:
2Сa(HCO3)2+Ca(H3PO4)2=Ca3(PO4)2+4CO2+4H2O
Осы екі жағдайда да суда ерімейтін үш кальцийфосфат Ca3(PO4)2. түзіледі.
Осы себептен топыраққа жанасуы аз болу үшін заводтар суперфосфатты гранулациялап (түйіршіктеп) шығарады. Табиғатта топырақ кесінділеріндегі гипс жаңа түзіндісі де осы химиялық жолмен жасалады:
CaCl2+Na2SO4=2NaCl+CaSO4
Топырақ ерітіндісінде топырақ химиялық жолмен сіңіре алмайтын заттар да кездеседі. Мысалы, азот қышқылының тұздары (нитраттар) суда тез еритіндіктен топырақта тұрақтамайды, шайылып кетеді. Сондықтан да химиялық сіңбейтін қосындыларға жатады;
5) биологиялық сіңіру қабілеті топырақтың құрамына онда тіршілік ететін ағзаларда (жануарлар мен өсімдіктер де) кіреді. Бұлар тіршілік циклдерінде өздеріне керекті химиялық элементтерді жинайды және тіршіліктерін тоқтатқаннан кейін топырақта қалдырады. Осылайша топырақтарда көміртегі, азот, фосфор және т.б. элементтер, сондай-ақ микроэлементтер (кобальт, мыс, мырыш, т.б.) қоры пайда болады.
Химиялық және биологиялық сіңірулер толық зерттелмеген, ал физика-химиялық сіңіру қабілеті топырақта ауысу катиондарын және сіңіру сыйымдылығын анықтауға қолданылады.