Топырақтың сіңіру қабілеті

Өсімдікке қажетті қоректік заттардың топырақта жиналуы, оның сіңіру қабілетімен тығыз байланысты болады. Топырақтың сіңіру қабілеті деп, оның ерітіндідегі түрлі заттардың молекулалары мен иондарын өз бойына сіңіріп, және оларды ұстап қалуын айтады. Топырақтың бұл қасиетті ертеден белгілі болған. 1850-1854 жылдары Д.Уэй өзінің зерттеу жұмыстарында топырақ бүкіл тұзды сіңірмей, тек оның негіздік тобын ғана қабылдайтынын дәлелдеді.

Топырақтың сіңіру қабілеті жөніндегі ғылымның дамуына коллоидты химия үлкен әсерін тигізді.

Топырақтың сіңіру қабілетін зерттеуге К.К. Гедройц, Г.Вагнер, С.Маттсон, Д.Н.Прянишников сияқты ғалымдар көп үлес қосты. Мұндай құбылыстарды зерттеу әрбір топырақ -климат аймақтарында тыңайтқышты қолданудың теориялық және практикалық негіздерін, топырақты химиялық жолмен мелиорациялау, өсімдіктің қоректенуі туралы ілімнің дамуына үлкен мүмкіншілік жасады.

К.К. Гедройц топырақтың сіңіру қабілетінің механикалық, биологиялық, физикалық, химиялық және физика-химиялық түрлері болатынын ашты. Механикалық сіңіру қабілеті деп топырақтың басқа қуыс денелер сияқты, өзінен өткен судың құрамындағы заттарды (құм, лай т.б.) ұстап қалуын айтады. Топырақтың бұл сіңіру қабілеті оның механикалық құрамы мен түйіртпектігіне байланысты болады. Мәселен, саздақ, саз топырақтардың механикалық сіңіру қабілеті құм, құмдақ топырақтарға қарағанда жоғары болады. Механикалық сіңіру қабілеті топырақтың коллоидты бөлшектерін сақтауда үлкен рөл атқарады. Өсімдік пен микроорганизмдердің іс-әрекеттерінің арқасында, топырақтың құрамында азот және күл элементтері бар органикалық заттарды жиналуын, оның биологиялық сіңіру қабілеті дейді. Топырақты мекендейтін әрбір организм қоректік элементтерді сіңіруде талғампаздық танытады. Атап айтқанда, өсімдік тамыры мен микроорганизмдер топырақтан тек қана өздеріне қажетті элементтерді сіңіреді.

Топырақтағы түйнек және еркін тіршілік ететін бактериялардың атмосферадағы азотты байланыстыру құбылысы да биологиялық сіңіру болып саналады.

Биологиялық сіңіру тыңайтқыш қолдануда маңызды рөл атқарады. N15 таңбалы изотопын қолдану арқылы жүргізілген зерттеу жұмысы нитратты тыңайтқыштардың 10-20%, азоты және аммиакты тыңайтқыштардың 20-40% азоты топырақта органикалық формада болатынын дәлелдеді.

Топырақтың биологиялық сіңіру қабілетінің қарқынына топырақ аэрациясы, топырақта энергетикалық заттардың (өсімдік қалдықтары, органикалық тыңайтқыш) болуы елеулі әсер етеді. Мысалы, топыраққа астық дақылдарының сабанын енгізгенде микроорганизмдер клетчатканы ыдырату үшін топырақ құрамындағы азотты пайдалануынан ауыл шаруашылығы дақылының азотпен қоректенуі нашарлайды, өнім төмендейді. Мұндай жағдайда сабанға минералдық азот тыңайтқышын қосып пайдалану керек.

Сыртқы тарту күшінің әсерінен топырақ бөлшектерінің әртүрлі заттардың молекулаларын сіңіріп, өз бойында ұстап тұру қабілетін физикалық сіңіру деп айтады. Қатты заттардың бөлшектері неғұрлым майда болған сайын олардың сыртқы тарту күші үдейді. Бұл тұрғыдан, майда дисперсті коллоидты бөлшектердің тарту күші зор, сондықтан топырақ бөлшектерінің бетінің көлемі үлкен болса, оның физикалық сіңіру қабілеті жоғары болады. Егер топырақ бөлшектеріне еріген заттардың молекулалары су молекуласына қарағанда күштірек тартылса, онда бөлшек бетіндегі заттың концентрациясы жоғары болады да, мұны оң молекулалық адсорбция дейді. Минералдық тұздардың ерітіндісі топырақ бөлшектерімен әрекеттескенде олардың бетіне су молекулалары күштірек тартылады. Мұны теріс молекулалық адсорбция деп атайды. Теріс физикалық сіңіру құбылысын топырақ хлорид және нитрат тұздарының ерітінділерімен әрекеттескенде байқауға болады. Мысалы, топырақты NaNO3 ерітіндісімен жуғанда cүзінді құрамында нитрат ионының концентрациясы өседі. Мұны топырақтың су молекуласын сіңіруден деп түсіну керек. Хлоридтер мен нитраттардың топырақта теріс физикалық сіңірілуі, олардың жылжымалылығының артуына әсер етеді.

Физикалық сіңіру қабілеті тыңайтқыштарды қолданудың мерзімін белгілеуге көмектеседі. Мысалы, хлор ионы бар тыңайтқыштарды күзде, ал нитратты тыңайтқыштарды тұқым себер алдында немесе үстеп қоректендіруде берген жөн. Себебі хлор ионының топырақтағы мөлшерінің көп болуы өсімдіктер үшін зиянды. Мұндай тыңайтқыштарды күні бұрын қолдану хлор ионының топырақтың астыңғы қабатына шайылуына әкеп соғады.

Топырақтағы физикалық сіңіруді бөліп ажырату өте қиын. Ол әрдайым химиялық және физика-химиялық сіңіру құбылыстарымен өзара тығыз байланыста болады.

Химиялық реакциялар нәтижесінде пайда болған, суда қиын еритін немесе ерімейтін қосылыстарды топырақтың ұстап тұруын оның химиялық сіңіру қабілеті дейді. Мәселен, суда еритін аммоний монофосфаты кальций бикарбонатымен әрекеттескенде нашар еритін кальций дифосфаты түзіледі:

 

(NH4 )2HPO4 + Ca(HCO3)2 CaHPO4 + 2NH4HCO3;

 

Аниондардың химиялық сіңірілуі олардың топырақтағы иондармен әрекеттескенде, қиын немесе ерімейтін тұздар түзілуіне байланысты. Азот, тұз қышқылдарының аниондары (NO3- және Cl- ) топырақта кең таралған катиондардың (Ca2+, K+, Mg2+ т.б.) ешқайсысымен де қиын еритін қосылыс түзбейді. Сондықтан, оларды топырақ химиялық жолмен сіңірмейді. Көмір, күкірт қышқылдарының аниондары (СО32-, SO42-) бір валентті катиондармен суда еритін, ал екі валентті катиондармен (Ca2+ және Mg2+) қиын еритін қосылыстар түзіп, топыраққа химиялық жолмен сіңіріледі. Фосфор қышқылының аниондары (Н2РО4- және НРО42-) бір валентті катиондармен ерігіштігі әртүрлі тұздар түзеді. Мысалы, Са(Н2РО4)2 суда жақсы, ал СаНРО4 , Са3(РО4)2 нашар ериді. Бұл жағдай суда еритін фосфор тыңайтқыштарының топырақпен әрекеттесуінде маңызды рөл атқарады. Мәселен, реакциясы бейтарап қара немесе боз топырақтарға суперфосфатты қолданғанда, реакция мынадай бағытта жүреді:

Са(Н2РО4)2 + Са(НСО3)2 → 2СаНРО4 + 2Н2СО3;

Са(Н2РО4)2 + Са(НСО3)2 → Са3(РО4)2 + 4Н2СО3.

 

Суда еритін фосфор тыңайтқыштары топырақтағы алмаспалы кальциймен әрекеттесуі нәтижесінде де химиялық жолмен сіңіріледі:

Н

(топырақ) Са + Са(Н2РО4)2 → (топырақ) Н + 2СаНРО4 ;

 

Са

(топырақ) Са + Са(Н2РО4)2 → (топырақ)Н + Са3 (РО4)2.

Н

 

Бірақ, топырақ ерітіндісі қышқыл болғанда қиын еритін кальций фосфаттары керісінше суда еритін түрге айналады:

 

Са3 (РО4)2 + 4НNO3→ 2Ca (NO3)2 + Ca (Н2РО4)2.

Қышқыл шымды-күлгін топырақтың құрамындағы алюминий, темір гидрооксидтері фосфор қышқылымен әрекеттескенде олардың фосфаттары пайда болады:

 

Al(OH)3 + H3PO4 → AlPO4 + 3H2O;

Fe(OH)3 + H3PO4 → FePO4 + 3H2O.

Өсімдік бұл жаңадан түзілген қосылыстардан фосфорды жақсы сіңіреді, бірақта уақыт өткен сайын олардың ерігіштігі нашарлап, өсімдікке сіңімділігі төмендейді. Фосфор қышқылының қарқынды түрде химиялық сіңірілуі топырақтағы фосфордың жылжымалығын баяулатады. Мұның өзі өсімдіктің фосфор тыңайтқыштарының құрамындағы фосфорды қабылдауын төмендетеді.

Теріс зарядты майда дисперсті минералдық және органикалық коллоидты бөлшектердің, топырақ ерітіндісіндегі катиондарды сіңіруін физика-химиялық немесе катиондардың алмаспалы сіңірілуі дейді. Мұнда , топырақтың қатты фазасынан топырақ ерітіндісіне эквивалентті мөлшерде басқа катиондар шығарылады. Мысалы, құрамында кальций катионы көп қара топырақты калий хлоридінің ерітіндісімен өңдесек, калий катиондары кальций катиондарымен алмасып топыраққа өтеді:

K

топырақ) Са + 2KCl → ( топырақ) K + CaCl2.

 

Алмасу реакциясында ерітіндінің концентрациясы сақталып катиондар құрамы өзгеріп тұрады. К.К.Гедройц алмасу реакциясына бейім топырақтағы барлық майда дисперсті коллоидты бөлшектердің жиынтығын топырақтың сіңіру комплексі (Т.С.К.) деп атаған. Топырақ сіңіру комплексі майда (көлемі 0,00025 мм-ден аз) және ірі (көлемі 0,001 мм-ге дейін) коллоидты бөлшектерден тұрады. Топырақ коллоидтары органикалық, минералдық және органо-минералдық болып бөлінеді. Органикалық коллоидтар қара шірінді заттардан (гумин қышқылдары, фульвоқышқылдары және олардың тұздары) тұрады.

Минералдық коллоидтар құрамына каолинит, монтмориллонит топтарына жататын минералдар, гидрослюдалар, сондай-ақ аморфты қосылыстар (кремний қышқылы, алюминий мен темір гидрооксидтері) кіреді. Темір мен алюминий гидрооксидтерінің коллоидтары оң, басқа органикалық және минералдық коллоидтар теріс зарядталған.

Органикалық коллоидтардың теріс зарядталуы, әрі алмасу реакциясына бейім болуы құрамындағы карбоксил (СООН) және фенолдың гидрооксид (ОН) топтарының сутектерінің басқа катиондармен орын ауысуынан деп білу керек. Органикалық коллоидтар сіңірген катиондардың алмасу реакциясын былай өрнектеуге болады:

 

COO COOK

R Ca + 2KCl → R + CaCl2

 

COO COOK

Минералдық коллоидтардың теріс зарядты болуын былай түсіндіреді. (SіO4)п қосылысы бейтарап. Егер кремний атомының біраз бөлігін алюминий атомымен алмастырсақ құрылым теріс зарядталады. Оны былай өрнектеуге болады:

 

[(SіO2)n] [(SіO2)n-1AIO2]-

бейтарап теріс зарядты

 

Алюмосиликаттардың теріс зарядын калий, натрий, кальций тағы басқа катиондар теңестіреді:

 

[(SіO2)п-1 AlО2]К → [(SіO2)п-1 AlО2]- +К+.

 

Әртүрлі минералдардың катиондарды алмасып сіңіруі бірдей емес (мг/ экв 100 г минералда): каолинит 3-15; галуазит 5-10; иллит 10-40; монтмориллонит 80-120; бейделлит 55-65; вермикулит 100-150.

Топырақтағы алюминий мен темір гидрооксидтерінің коллоидтары аморфты қасиеттері көрсетеді. Олар топырақ ерітіндісінің реакциясының өзгеруіне қарай оң немесе теріс зарядты болады. Мәселен, қышқылдық ортада алюминий мен темір гидрооксидтерінің молекулалары негіз тәрізді диссоциацияланады:

 

[Al(OH)3]n [Aln(OH)3n-1]+ + OH- ;

[Fe(OH)3]n [Fen(OH)3n-1]+ + OH- .


Сілтілік ортада олар өздерін қышқыл есебінде көрсетеді:

 

Al(OH)3] n [AlnО(OH)3n-1]-+ + H+ ;

 

[Fe(OH)3]n [FenO(OH)3n-1]-+ + H+ .

 

Изоэлектрлік нүктеде яғни, аралық реакцияда диссоциацияланудың екі түрі бірдей жүреді. Соған байланысты аморфты коллоид бетінде орналасқан молекулалар қоршаған ортаға сутек катионы (H+) мен гидроксид анионын (ОH-) бірдей мөлшерде бөледі.

К.К.Гедройц физика-химиялық сіңіру құбылысының бірнеше заңдылықтарын ашты:

1. Топырақтың қатты бөлігінің катиондары мен ерітінді катиондарының өзара алмасуы эквивалентті болады. Мұнда топырақ пен ерітінді арасында жылжымалы тепе-теңдік орнайды.

2. Катиондардың алмасуы қайтымды реакция. Сондықтан катиондардың алмасу реакциясын мынадай түрде өрнектеледі:

 

К

(Т.С.К) Са + 2КСl (Т.С.К)К + СаСl2.

 

3. Ерітінді концентрациясы тұрақты болған жағдайда топырақтың сіңіру комплексіндегі катиондардың ерітіндіге ауысуы ерітінді көлеміне байланысты. Яғни, ерітінді көлемі артқан сайын топырақтан оған катиондар көбірек өтеді. Ерітінді көлемі өзгермеген жағдайда, концентрациясы жоғары ерітінді катиондарды көбірек ығыстырады.

4. Катиондардың алмасу реакциясы өте жоғары жылдамдықпен жүреді де, реакцияға майда дисперсті коллоидты бөлшектердің бетінде орналасқан катиондар қатысады.

5. Катиондардың сіңірілу энергиясы бірдей емес. Неғұрлым элементтің атомдық массасы мен катионының заряды көбірек болса, соғұрлым ол күштірек сіңіріледі және топырақтан оларды басқа катиондардың ығыстыруы қиынырақ өтеді. Демек, катиондардың сіңірілу энергиясы валенттілігі өскен сайын жоғарылайды. Екі және үш валентті катиондар бір валентті катиондарға қарағанда топырақ коллоидтарына күштірек тартылады. Ал, катиондар валенттілігі бірдей болған кезде, сіңірілу энергиясы атомдық массасы өскен сайын артады. Мысалы, бір валентті катиондар сіңірілу энергиясының өсуіне қарай мынадай ретпен орналасады: Lі+<Na+<NH4+< K+<Pb+. Екі валентті катиондар: Mg2+<Ca2+<Co2+, үш валентті катиондар: Al3+<Fe3+ ретпен сіңіріледі. Сонымен бірге жеке катионның өзі топыраққа әртүрлі дәрежеде сіңіріледі. Н.И.Горбунов зерттеуі бойынша топырақ құрамындағы катиондардың 80-85 проценті жақсы алмасатын болса, 15-20 проценті топырақта берік сіңірілген күйінде сақталады.