Назаренко І.І., Польчина С.М. Нікорич В.А.
Грунтознавство

Загальний хімічний склад грунтів. Хімічні елементи та їх сполуки у грантах

4. Хімічний склад мінеральної частини грунту

4.1. Загальний хімічний склад грунтів

Оскільки грунт є верхньою частиною кори вивітрювання літосфери, то саме він майже повністю успадковує її хімічний склад (табл. 6). Проте саме майже повністю, а не на 100 відсотків, оскільки внаслідок впливу живої речовини вміст деяких елементів зазнає кардинальних змін у порівнянні з літосферою.

Таблиця 6. Вміст основних хімічних елементів у літосфері та грунті, % (доступно при скачуванні повної версії книжки)

Отже, як у літосфері, так і в грунті близько половини займає кисень. Друге місце (майже четверта частина) – кремній. Приблизно десяту частину – алюміній та залізо. Всього лише декілька відсотків займають кальцій, магній, натрій, калій. На всі інші елементи, за винятком вуглецю, припадає менше одного відсотка.
Окрім елементів, у грунті наявна вода, гази та органічні речовини.
Проте необхідно зауважити, що суттєві зміни у вмісті біогенних елементів пов'язані з живою фазою. Зокрема, вуглецю у грунтах в понад 20 разів більше, ніж у літосфері, а азоту – у 10. Оскільки водень є елементом води, то і його вміст у педосфері вищий.
У більшості випадків грунти майже на 90% представлені мінеральними ЕГЧ, а тому їх валовий хімічний склад буде визначатись в основному складом і кількісним співвідношенням мінералів. Серед основних мінералів крупну фракцію складають кварц і польові шпати, а тонкодисперсну – глинисті алюмосилікати. Відповідно до цього, у валовому хімічному складі грунтів переважають кисень і кремній, менше алюмінію, дуже мало заліза, титану, кальцію та натрію, інші елементи – у мікрокількостях.
Хімічний склад варіює з глибиною. Різниця у валовому хімічному складі окремих горизонтів грунтового профілю використовується для визначення хімічного перетворення породи. Елювіально-ілювіальний профіль характеризується тим, що в елювіальному горизонті спостерігається збіднення півтораоксидами й збагачення кремнеземом; в ілювіальному спостерігається зворотна картина. Разом з цим, однаковий профіль за хімічним складом може формуватись під впливом таких елементарних грунтотворних процесів (ЕГП): опідзолення, знемулення, лесиваж, відбілювання (зняття залізних плівок з крупних частинок у верхній частині профілю та їх перенесення у нижню, ілювіальну), осолодіння (руйнування мінералів у лужному середовищі у верхній частині та виніс продуктів руйнування до ілювіальної частини), глеє-елювіальний процес (руйнування мінералів у відновних умовах у верхній частині профілю та винесення продуктів руйнування в ілювіальну).
Отже, напрямок та інтенсивність прояву грунтотворного процесу безпосередньо впливає на перерозподіл хімічного складу по профілю. Тому за характером профільних змін валового хімічного складу можна проводити діагностику грунтоутворення.

4.2. Хімічні елементи та їх сполуки у грунтах

Для розуміння причин формування особливостей валового хімічного складу грунту і його варіювання по профілю завжди необхідно враховувати, що вміст окремих елементів визначається присутністю їх у грунті в складі різноманітних конкретних мінеральних і органічних сполук.

Кремній. Вміст цього елемента визначається в основному присутністю в грунті кварцу й у меншій мірі первинних і вторинних силікатів і алюмосилікатів. У ряді випадків може бути присутнім, у тому числі й у великих кількостях, аморфний кремнезем у вигляді опала або халцедону, генезис і накопичення яких у грунті зв'язані з біогенними (опалові фітолітарії, спікули губок, кістяки діатомей і т.п.) або гідрогенними (окремніння грунтів) процесами. Валовий вміст SiО2 у грунті коливається від 40-70% у глинистих грунтах до 90-98% у піщаних, тоді як у фералітних грунтах тропіків може бути і набагато нижчим.

Алюміній. Вміст алюмінію в грунтах зумовлений в основному присутністю польових шпатів, глинистих мінералів і почасти деяких інших, багатих», алюмінієм первинних мінералів, наприклад, слюд, епідотів, граната, корунду. Може бути присутнім і у вільному глиноземі, у вигляді різноманітних гідроксидів алюмінію (діаспор, беміт, гідраргаліт) в аморфній або кристалічній формі. Валовий вміст А12O3 у грунтах звичайно коливається від 1-2 до 15-20%, а у фералітних грунтах тропіків і бокситах може перевищити 40%.

Залізо. Цей елемент присутній у грунтах у складі як первинних, так і вторинних мінералів, будучи компонентом магнетиту, гематиту, титаномагнетиту, глауконіту, рогових обманок, піроксенів, біотиту, хлоритів, глинистих мінералів, мінералів групи оксидів заліза. Багато в грунтах міститься й аморфних сполук заліза, особливо різноманітних гідроксидів (гетит, гідрогетит і ін.). Загальний вміст у грунті Fe2O3 коливається в дуже широких межах (у %): від 0,5-1,0 у кварцово-піщаних грунтах і 3-5 у грунтах на лесах до 8-10 у грунтах на елювії щільних феромагнезіальних порід і до 20-50 у фералітних грунтах і латеритах тропіків. У грунтах також часто спостерігаються залізисті конкреції і прошарки.
За С.В.Зонном (1982), сполуки цього елементу в грунтах представлені такими формами:
1) силікатним залізом, що входить до складу кристалічних решіток: а) первинних мінералів; б) вторинних (глинистих) мінералів;
2) несилікатним (вільним) залізом: а) слабко або сильно окристалізованим залізом оксидів і гідроксидів; б) залізистих і гумусово-залізистих аморфних сполук; в) обмінних і воднорозчинних рухливих сполук.

Кальцій. Вміст Са в безкарбонатних суглинистих грунтах складає 1-3% і визначається в основному присутністю глинистих мінералів тонкодисперсних фракцій, а також гумусом і органічними залишками, у зв'язку з чим спостерігається тенденція до біогенного збагачення кальцієм верхньої органо-акумулятивної частини профілю. Однак у ряді випадків його підвищений валовий вміст може бути зумовлений присутністю у великих фракціях уламків карбонатних порід і первинних мінералів, кальцієвмісних мінералів (кальциту, гіпсу, основних плагіоклазів та ін.). У грунтах сухостепової й аридної зон підвищений валовий вміст кальцію може бути зумовлений утворенням і накопиченням вторинного кальциту або гіпсу в процесі грунтоутворення. Багато кальцію може акумулюватись в грунті гідрогенним шляхом, аж до утворення вапняних або гіпсових кір.

Магній. Валовий вміст Mg у грунті звичайно близький до вмісту Са й зумовлений головним чином присутністю глинистих мінералів, особливо монтморилоніту, вермикуліту, хлориту. У крупних фракціях магній міститься в уламках доломітів, олівіні, рогових обманках, піроксенах; у грунтах аридної зони багато магнію акумулюється при засоленні грунтів у вигляді хлоридів і сульфатів.

Калій. Вміст К2O складає в грунтах 2-3%. Цей елемент присутній частіше в глинистих мінералах тонкодисперсних фракцій, особливо в гідрослюдах, а також у складі таких первинних мінералів крупних фракцій, як біотит, мусковіт, калієві польові шпати. Поряд із кальцієм, калій відноситься до числа органогенів, необхідних для розвитку рослин; у ряді випадків калій може бути в дефіциті, у зв'язку з чим його внесення в грунт позитивно позначається на родючості.

Натрій. Валовий вміст у грунті Na2O лежить біля 1-3%. У грунті натрій присутній у складі первинних мінералів, переважно в натрієвмісних польових шпатах. Вміст Na2O в окремих складових крупних фракцій може досягати 5-6%, тоді як у мулистій фракції не перевищує 0,5-1%. У засолених грунтах сухостепової й аридної зон у значних кількостях може бути присутнім у вигляді хлоридів або входити в поглинальний комплекс грунтів, у зв'язку з чим вміст Na2O у цьому випадку зростає до декількох відсотків. У грунті дефіциту цього елемента звичайно не спостерігається; присутність натрію в підвищених кількостях у складі рухливих сполук зумовлює формування несприятливих фізичних і хімічних властивостей грунту.

Марганець. Вміст Мn складає в грунті лише декілька десятих або навіть сотих часток відсотка й зумовлений присутністю марганцевих конкрецій, що утворилися в результаті мікробіологічної діяльності. У розсіяному вигляді марганець може входити до складу деяких первинних мінералів (олівінів, піроксенів, епідоту).

Сірка. Вміст S у грунті звичайно не перевищує декількох десятих відсотка. Сірка в грунті присутня у складі різних органічних сполук як рослинного, так і тваринного походження; у засолених грунтах при наявності значних кількостей сульфатів валовий вміст S може зростати до декількох відсотків. Підвищений вміст сірки у вигляді рухомих сполук може спостерігатися при забрудненні грунтів промисловими відходами (випадання з опадами газоподібних викидів сполук сірки). У крупних фракціях грунту сірка присутня у складі сульфідів (пірит), гіпсу, вторинних сполук заліза (II), що утворюються при болотному процесі.

Вуглець, азот, фосфор. Ці елементи належать до числа найважливіших органогенів. Присутність їх у грунті (перших двох практично цілком) зобов'язана впливу живої речовини і процесам грунтоутворення.

Вуглець. У грунті він міститься в основному в складі гумусу, а також органічних залишків. Багато вуглецю може знаходитися в складі карбонатів. Вміст вуглецю в грунті коливається від часток відсотка в бідних органічною речовиною піщаних грунтах до 3-5 і навіть 10% – у багатих гумусом чорноземах (у торф'янистих і торф'яних горизонтах до десятків відсотків). Значна частина грунтів, що використовуються у землеробстві, потребує внесення вуглецю у вигляді органічної речовини.

Азот. Так само, як і вуглець, азот майже цілком зв'язаний у грунті з його органічною частиною – гумусом і складає 1/10-1/20 від вмісту вуглецю. Незважаючи на невелику кількість (не більш 0,3-0,4, часто 0,1 і менше відсотка), азот відіграє надзвичайно важливу роль у родючості грунтів, тому що він життєво необхідний рослинам, для яких він доступний тільки у формі нітратного й амонійного іонів. Більшість культурних грунтів потребує систематичного внесення цього елемента. У природних умовах поповнення в грунті резервів азоту в доступних для рослин формах здійснюється азотфіксуючими бактеріями.

Фосфор. Є у грунті в дуже незначних кількостях: валовий вміст Р205 складає не більш 0,1-0,2%. Фосфор життєво важливий для рослин, але в більшості грунтів, особливо в піщаних, знаходиться в різкому дефіциті, у зв'язку з чим необхідно систематично вносити фосфор в грунт, особливо при їхньому інтенсивному використанні в сільськогосподарському виробництві. У грунті фосфор є у складі гумусу, органічних залишків, у мінеральній частині грунтів у складі апатиту, вторинного болотного мінералу – вівіаніту.

Поряд із перерахованими макроелементами, в грунті в дуже невеликих кількостях (тисячні частки відсотка) присутні розсіяні елементи і мікроелементи, однак вони надзвичайно важливі для життєдіяльності рослин. Валовий вміст цих елементів переважно пов'язаний із вмістом у грунті первинних мінералів, почасти глинистих мінералів і органічної речовини.
Спостерігається така приуроченість найважливіших мікроелементів і розсіяних елементів до первинних мінералів: Ni, Co, Zn – авгіт, біотит, ільменіт, магнетит, рогова обманка; Си – авгіт, апатит, біотит, гранати, калієві польові шпати, плагіоклази; V – авгіт, біотит, ільменіт, мусковіт, рогова обманка, сфен; Рb – авгіт, апатит, біотит, калієві польові шпати, мусковіт; Li – авгіт, біотит, рогова обманка, турмалін; В – турмалін; Zr – циркон; рідкоземельні елементи – епідот, монацит.
Носіями мікроелементів і розсіяних елементів у крупних фракціях грунтів можуть бути також зерна кварцу й уламків порід, що містять кварц, тому що в них нерідко зустрічаються субмікроскопічні вкраплення перерахованих первинних мінералів.
Хімічний склад грунтів впливає на їхню родючість як безпосередньо, так і визначаючи ті або інші властивості грунту, що мають вирішальне значення в житті рослин. З одного боку, це може бути дефіцит певних елементів живлення рослин, наприклад, фосфору, азоту, калію, заліза, деяких мікроелементів; з іншого – токсичний для рослин надлишок, як у випадку засолення грунтів.

У процесі грунтоутворення відбуваються дуже істотні перетворення хімічного складу вихідних материнських порід, що пов'язані з цілою серією загальних грунтових процесів:
1) перехід хімічних елементів з одних сполук в інші в зв'язку з мінеральними перетвореннями;
2) надходження елементів з атмосфери з опадами й імпульверизацією;
3) винос елементів низхідним рухом води в грунтові води і далі в гідрографічну мережу, у кінцевому рахунку – в океан;
4) привнесення елементів із грунтовими водами;
5) циклічне залучення елемента в біологічний кругообіг.
Тому профіль грунтів завжди у певній мірі диференційований за хімічним складом.

Контрольні питання

1. В чому полягає подібність і відмінність грунтів і порід за хімічним складом?
2. Які хімічні елементи переважають у грунті?
3. Як впливає хімічний склад порід і грунтів на грунтоутворення?
4. Порівняйте вміст вуглецю у грунтах і літосфері та визначте причину розбіжності.
5. Опишіть основні мікроелементи, що зустрічаються в грунтах, їх значення для живлення рослин.

Скачати повну версію книжки (з малюнками, картами, схемами і таблицями) одним файлом