Поглинальна здатність ґрунтів: види, механізми та значення в агрохімії

Якщо крізь ґрунт пропустити розчин деяких речовин, то вони будуть утримуватися в ньому. Ця здатність утримувати речовини з розчину була відома понад дві тисячі років тому. Так, у працях Арістотеля (384–322 рр. до н.е.) є вказівки, що морська вода після контакту з ґрунтом втрачає солоність і стає придатною для пиття.

У вивченні поглинальної здатності ґрунтів велику роль відіграли дослідження Д.Т. Уея, опубліковані в 1850–1854 рр. Він сформулював основні закономірності поглинальної здатності ґрунтів, що зберегли значення до наших днів. Величезний внесок у вивчення цього явища зробив К.К. Гедройц. Підсумки багаторічних досліджень, розпочатих ним у 1908 р., були узагальнені в монографії "Вчення про поглинальну здатність ґрунтів", опублікованій у 1922 р. і потім багато разів перевиданій. Вивчення поглинальної здатності ґрунтів він тісно пов'язував із розробкою теоретичних і практичних питань внесення добрив, живлення рослин та хімічної меліорації ґрунтів.

Надалі багато вчених значно розширили та поглибили знання про поглинальну здатність ґрунтів. На Кубані такі роботи виконав А.А. Шмук. Проте основи вчення К.К. Гедройца не застаріли і в наш час.

За одним із визначень, поглинальна здатність ґрунту – це його здатність поглинати іони та молекули різних речовин із розчину і утримувати їх.

Поглинальна здатність регулює поживний режим ґрунту, реакцію ґрунту, його буферність, водно-фізичні властивості.

К.К. Гедройц виділив 5 видів поглинальної здатності: біологічну, механічну, фізичну, хімічну та фізико-хімічну (обмінну). Він зазначав також і необмінне поглинання катіонів. Подальші дослідження в нашій країні та за кордоном дозволяють виділити необмінне поглинання в окремий, 6-й вид поглинальної здатності ґрунтів.

Біологічна поглинальна здатність – це поглинання рослинами та ґрунтовою мікрофлорою елементів живлення з ґрунту. Внаслідок цього вони захищаються від вимивання з ґрунту.

Як зазначав К.К. Гедройц, завдяки біологічному поглинанню відбувається накопичення елементів живлення у верхніх горизонтах ґрунту і до певної міри створюється необхідне співвідношення між цими елементами.

Особливістю біологічного поглинання є його вибірковість, яка полягає в тому, що рослини та мікроорганізми засвоюють із ґрунту ті елементи, які необхідні їм для життєдіяльності. Мікроорганізми використовують ті самі хімічні елементи, що й вищі рослини – N, P, K, Ca, Mg, Fe, Cu, Mo, Zn, Mn та інші. У цьому відношенні вони складають конкуренцію культурним рослинам за мінеральні сполуки, насамперед азот ґрунту та добрив.

Дослідження показали, що в органічній формі в ґрунті закріплюється 10–20 % азоту нітратних і 20–40 % азоту амонійних добрив. Особливо важливе біологічне поглинання для нітратів, оскільки це практично єдиний вид поглинання, якому вони піддаються. Нітрати, не засвоєні рослинами, утримуються в основному завдяки їх споживанню мікроорганізмами.

Імобілізація елементів мінерального живлення за рахунок біологічного поглинання є відносно нетривалою і визначається життєвим циклом мікроорганізмів. Згодом вони вивільняються в результаті мінералізації мікробної плазми і можуть бути використані рослинами або наступною генерацією мікроорганізмів.

У тому випадку, якщо в ґрунті знаходиться велика кількість органічних речовин, що слугують для останніх джерелом енергії, то відбувається посилений розвиток мікрофлори, а спожитий нею азот надовго стає недоступним рослинам. Це потрібно враховувати при використанні добрив.

Наприклад, не рекомендується вносити соломистий гній, що містить велику кількість клітковини та інших азотних речовин, які викликають розмноження целюлозорозкладних бактерій, що посилено поглинають мінеральні сполуки азоту з ґрунту. А при удобренні соломою необхідно вносити мінеральні азотні добрива відповідно до норм:

Те саме відбувається і при внесенні тільки фосфорних добрив. Поглинаючи фосфор у певних співвідношеннях з азотом, мікроорганізми використовують більше мінерального азоту з ґрунту, ніж без фосфорних добрив. У результаті культурні рослини опиняються в умовах нестачі азоту. Таким чином, знання про біологічну поглинальну здатність дають можливість регулювати поживний режим ґрунту та підвищувати ефективність добрив.

Здатність ґрунту механічно утримувати тверді частинки з суспензій, що фільтруються крізь ґрунт, і колоїдних розчинів, які містять значну кількість поживних речовин, називається механічною поглинальною здатністю.

Ґрунт є пористим тілом. У ґрунтовому розчині, крім молекулярно розчинених речовин, містяться у зваженому стані колоїдні та близькі до них за розміром частинки. При проходженні розчину крізь пори діаметром менше зважених частинок останні будуть затримані ґрунтом. Так, при проходженні крізь ґрунт каламутної води вона стає майже прозорою. Механічна поглинальна здатність ґрунту зумовлює збереження в ґрунті найбільш цінної колоїдної фракції.

Рівні поглинання залежать від складу ґрунту:

• Найбільшим поглинанням володіють ґрунти важкі за гранулометричним складом – глинисті та суглинкові.
• Найменшим поглинанням володіють легкі ґрунти – супіщані та піщані.

Деякі добрива, що випускаються у вигляді тонко розмелених частинок, не вимиваються з ґрунту внаслідок механічного поглинання.

Фізичне та хімічне поглинання: ризики втрати азоту та блокування фосфору

Здатність ґрунту утримувати на поверхні твердої фази молекули різних речовин називають фізичною поглинальною здатністю, або молекулярною сорбцією. Цей процес відбувається у вигляді позитивної або негативної адсорбції. При позитивній адсорбції ґрунтові частинки притягують розчинені речовини (наприклад, органічні кислоти та високомолекулярні сполуки) сильніше, ніж воду, концентруючи їх біля своєї поверхні. При негативній адсорбції сильніше притягується вода, через що концентрація розчиненої речовини у вільному ґрунтовому розчині зростає.

Хімічна поглинальна здатність ґрунту базується на утворенні нерозчинних або важкорозчинних осадів у результаті реакцій між розчинними сполуками. Наприклад, при взаємодії гідрофосфату амонію з гідрокарбонатом кальцію утворюється малорозчинний гідрофосфат кальцію: (NH₄)₂HPO₄ + Ca(HCO₃)₂ = CaHPO₄↓ + 2NH₄HCO₃. Аніони азотної та хлористоводневої кислот (NO₃^–, Cl^–) не утворюють важкорозчинних солей із катіонами ґрунту (NH₄⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Fe³⁺) і хімічно не поглинаються. Аніони вугільної та сірчаної кислот (CO₃^2–, SO₄^2–) дають розчинні солі з одновалентними катіонами, а з двовалентними — важкорозчинні.

Найбільш інтенсивно хімічне поглинання зв'язує фосфор. Аніони ортофосфорної кислоти (H₂PO₄^–, HPO₄^2–) утворюють розчинні солі тільки з одновалентними катіонами (KH₂PO₄, Na₂HPO₄, NH₄H₂PO₄). Їхні сполуки з двовалентними катіонами різняться за розчинністю: дигідрофосфат кальцію Ca(H₂PO₄)₂ розчинний добре, гідрофосфат CaHPO₄ — слабко, а фосфат Ca₃(PO₄)₂ практично нерозчинний. Сполуки фосфору з алюмінієм і тривалентним залізом (AlPO₄, FePO₄) також належать до важкорозчинних, що різко знижує доступність елемента для рослин.

• Чорноземи — найменша інтенсивність закріплення фосфору
• Сероземи — підвищена інтенсивність закріплення фосфору
• Дерново-підзолисті ґрунти — висока інтенсивність закріплення фосфору
• Красноземи — максимальна інтенсивність закріплення фосфору

У кислих дерново-підзолистих ґрунтах, красноземах і бурих лісових ґрунтах, що містять багато гідроксидів алюмінію та заліза, активно утворюються фосфати алюмінію та заліза. Свіжоосаджені форми ще можуть засвоюватися рослинами, але з часом вони ущільнюються, кристалізуються і стають недоступними, що особливо характерно для фосфатів заліза. У нейтральних або слабколужних ґрунтах зв'язування фосфору відбувається при взаємодії з гідрокарбонатом кальцію: Ca(H₂PO₄)₂ + Ca(HCO₃)₂ = 2CaHPO₄↓ + 2H₂CO₃ або Ca(H₂PO₄)₂ + 2Ca(HCO₃)₂ = Ca₃(PO₄)₂↓ + 4H₂CO₃. Отриманий гідрофосфат кальцію розчинний у слабких кислотах і доступний культурам, тоді як фосфат кальцію засвоюється корінням лише частково до моменту його кристалізації.

Водорозчинні солі ортофосфорної кислоти можуть також хімічно поглинатися при взаємодії з обмінно-поглиненим кальцієм ґрунту: (ґрунт) Са + Са(Н₂РО₄)₂ → (ґрунт) 2Н + 2СаНРО₄↓. Будь-яке хімічне поглинання знижує концентрацію ґрунтового розчину через випадання солей в осад. У практичному землеробстві цей процес зумовлює слабку рухливість фосфатів і знижує ефективність внесених фосфорних добрив.

Фізико-хімічна поглинальна здатність: обмін катіонів

Фізико-хімічна, або обмінна, поглинальна здатність — це властивість ґрунту поглинати з розчину катіони й аніони з одночасним виділенням у розчин еквівалентної кількості раніше поглинених іонів. Цей процес відбувається на межі розділу твердої та рідкої фаз ґрунту. Якщо ґрунт, насичений кальцієм, обробити розчином хлориду калію, катіони калію закріпляться у ґрунтовому поглинальному комплексі. Одночасно в розчин перейде еквівалентна кількість катіонів кальцію, і замість KCl у рідкій фазі з'явиться CaCl₂.

Поживний резерв: як ґрунт регулює склад ґрунтового розчину

Катіони в ґрунті перебувають у стані динамічної рівноваги між ґрунтовим розчином і поглинальним комплексом. При внесенні калійних або амонійних добрив концентрація розчину тимчасово зростає, і частина катіонів переходить у поглинутий стан. Коли рослини поглинають поживні речовини з розчину, їхній дефіцит поповнюється за рахунок вивільнення раніше поглинутих іонів.

З аніонами ситуація інша — їхнє обмінне поглинання напряму залежить від кислотності середовища. Цей процес відбувається переважно в кислих ґрунтах (дерново-підзолистих, червоноземах і жовтоземах) за рахунок обміну на гідроксил-іони (OH^-). У нейтральних і лужних ґрунтах аніони практично не поглинаються. При плануванні живлення важливо враховувати особливості поведінки конкретних груп аніонів:

• Нітрати (NO₃^-) і хлориди (Cl^-) практично не утримуються ґрунтом. Вони вільно пересуваються з вологою і легко вимиваються з коренеобитного шару. Незначне їхнє поглинання можливе тільки на кислих червоноземах.
• Сульфати (SO₄^2-) слабо утримуються в дерново-підзолистих ґрунтах, але міцно зв'язуються в кислих червоноземах і жовтоземах.
• Фосфати (аніони ортофосфорної кислоти) поглинаються в дерново-підзолистих ґрунтах і частково в чорноземах, при цьому вони залишаються доступними для кореневої системи рослин.

Необмінна фіксація: чому блокуються калій і амоній

Необмінне поглинання (фіксація) — це процес, при якому ґрунт міцно закріплює катіони всередині кристалічної ґратки глинистих мінералів (гідрослюд і монтморилоніту). На відміну від обмінного поглинання, ці елементи не витісняються нейтральними солями і переходять у форму, важкодоступну для рослин. Найсильніше такій фіксації піддаються калій (K⁺) і амоній (NH₄⁺), меншою мірою — кальцій (Ca²⁺), магній (Mg²⁺) і водень (H⁺).

Інтенсивність фіксації залежить від типу і гранулометричного складу ґрунту. У чорноземах необмінне поглинання калію й амонію виражене сильніше, ніж у дерново-підзолистих ґрунтах. Чим важчий ґрунт за механічним складом (більше глинистих частинок), тим вища його фіксувальна здатність. Також закріпленню елементів сприяє поперемінне зволоження та висушування ґрунту, хоча процес відбувається і у вологому стані.

Заблокований амоній не піддається процесам нітрифікації. Однак міцність його зв'язку залежить від супутніх елементів у розчині. Фіксований амоній не можуть витіснити катіони, що стискають кристалічну ґратку мінералів (калій K⁺, рубідій Rb⁺, цезій Cs⁺). При цьому його здатні замістити катіони, що викликають розбухання ґратки: натрій (Na⁺), літій (Li⁺), магній (Mg²⁺) і кальцій (Ca²⁺).