Фактори ґрунтотворення

Склад та властивості ґрунтів

Фазовий склад ґрунтів

Фазовий склад грунтів

Ґрунт — це багатофазне природне тіло, речовина якого представлена такими фізичними фазами: тверда, рідка, газова та жива речовина організмів, що населяють ґрунт.

Тверда фаза ґрунту — це полідисперсна і полікомпонентна органоминеральна система, що утворює твердий каркас ґрунтового тіла. Вона формується в процесі ґрунтотворення з материнської гірської породи і в значній мірі успадкує її склад і властивості. Характеризується хімічним мінералогічним і гранулометричним складом, з одного боку, і складенням, структурою і пористістю — з іншого.

Рідка фаза ґрунту — це вода в ґрунті, ґрунтовий розчин, що заповнює її пори.

Газова фаза ґрунту — це повітря, що заповнює у ґрунті пори, вільні від води. Його склад істотно відрізняється від атмосферного і динамічний у часі.

Жива фаза ґрунту — це організми, що його населяють і беруть участь у процесі ґрунтотворення. До них відносяться численні мікроорганізми (бактерії, актиноміцети, гриби, водорості), представники ґрунтової мікро- і мезофауни (найпростіші, комахи, черв'яки та інш.), кореневі системи рослин.

Гранулометричний склад ґрунту

Гранулометричним (механічним) складом ґрунту називають масове співвідношення (відносний вміст у процентах) у його складі твердих частинок (механічних елементів) різної крупності. У вітчизняному ґрунтознавстві він визначається на основі відсоткового співвідношення у ґрунті фракцій фізичної глини (механічних елементів <0,01мм) і фізичного піску (механічних елементів >0,01мм). За класифікацією Н.А.Качинського (1958 року) виділяють пухкопіщані, зв’язнопіщані, супіщані, легкосуглинкові, середньосуглинкові, важкосуглинкові, легкоглинисті, середньоглинисті і важкоглинисті ґрунти.

Мінералогічний склад ґрунту

Мінералогічний склад ґрунту

Основну частку речовинного складу мінеральних ґрунтів утворюють первинні (переважно кварц, польові шпати, слюди), а також вторинні мінерали (глинисті, оксиди і гідроксиди, мінерали-солі), що успадковуються ґрунтом від ґрунтотворної породи, утворюються в процесі вивітрювання і ґрунтотворення. Особливу роль відіграють тонкодисперсні (<0,001 мм) глинисті мінерали (груп каолініту, гідрослюд, монтморилоніту, змішаношаруватих), що визначають важливі властивості ґрунтів: водно-фізичні, фізико-механічні, вбирну здатність ґрунту, наявність елементів живлення рослин.

Органічна частина ґрунту

Середній склад органічної речовини ґрунту

Органічна речовина ґрунтів — це сукупність живої біомаси, органічних решток рослин, тварин, мікроорганізмів, продуктів їх метаболізму, а також специфічних новоутворених органічних речовин — гумусу.

Гумус ґрунту — це складний комплекс органічних сполук, що включає:

• Неспецифічні органічні сполуки індивідуальної природи (притаманні не тільки ґрунтам).

У процесі трансформації решток організмів органічна речовина ґрунту збагачується азотовмісними речовинами (білками та амінокислотами), вуглеводами — моносахаридами (глюкоза, фруктоза, маноза, галактоза та інш.) і полісахаридами (крохмаль, целюлоза та інш.), гетерополісахаридами (камеді, слизи і пектинові речовини), ліпідами, ароматичними сполуками та їх похідними.

• Власне гумусові речовини як специфічний комплекс органічних сполук.

Гумусові речовини специфічної природи являють собою гетерогенну полідисперсну систему високомолекулярних азотовмісних ароматичних сполук кислотної природи. Вони представлені гуміновими кислотами, фульвокислотами і залишком, що не гідролізується або гуміном. Гумінові кислоти добре розчиняються в лужних розчинах, слабо розчиняються у воді і не розчиняються в кислотах, мають темно-коричневий або чорний колір. Фульвокислоти — група гумусових кислот, що залишається в розчині після осадження гумінових кислот; відрізняються світлим забарвленням, розчинністю в кислотах, більшою гідрофільністю і здатністю до кислотного гідролізу.

• Органо-мінеральні сполуки у ґрунтах

Першу групу складають солі органічних неспецифічних кислот (оцтової, щавлевої, мурашиної, лимонної та інших) і гумусових специфічних кислот з катіонами лужних і лужноземельних металів. Другу групу утворюють комплексні солі, які синтезуються при взаємодії неспецифічних органічних кислот і гумусових кислот з полівалентними металами (залізом, алюмінієм, міддю, цинком, нікелем). Третю групу складають адсорбційні органо-мінеральні з'єднання — Al-Fe-гумусові, а також глинисто-гумусові комплекси.

Гумус — найважливіша складова органічної речовини ґрунту, яка визначає його родючість. Екологічна роль органічних речовин у житті ґрунту визначається тим, що: 1) органічні речовини — один із найважливіших факторів вивітрювання гірських порід та процесів руйнування мінеральної частини ґрунту; 2) вони є джерелом поживних речовин для рослин; 3) органічні речовини відіграють важливу роль в утворенні структури ґрунту; 4) органічні речовини мають безпосередній вплив на рослину, сприяючи її росту та розвитку.

За характерний «земляний» запах ґрунту відповідає органічна сполука геосмін, яка виробляється низкою мікроорганізмів.

Вода в ґрунті і ґрунтовий розчин

Воді належить провідна роль у ґрунтоутворенні та родючості: у водному середовищі відбуваються процеси вивітрювання та новоутворення мінералів, хімічні реакції, гумусоутворення, перерозподіл речовин у ґрунтовому профілі; вода в ґрунті визначає в значній мірі тепловий баланс ґрунту та її температурний режим, забезпечує умови життя рослин. За О. А. Роде виділяють п’ять категорій (форм) ґрунтової води:

• Тверда вода — лід.

• Хімічно зв’язана вода (включає конституційну і кристалізаційну).

• Пароподібна вода.

• Фізично зв’язана, або сорбована, вода.

• Вільна вода, яка присутня в капілярній і гравітаційній формах. Капілярна вода утримується в ґрунті в порах малого діаметра — капілярах, під дією капілярних (меніскових) сил.

Вода в ґрунті присутня у формі ґрунтового розчину, що є його рідкою фазою. Ґрунтовий розчин включає воду, що містить розчинені солі, органо-мінеральні та органічні сполуки, гази та найтонші колоїдні золі. Ґрунтовий розчин служить безпосереднім джерелом живлення рослин.

• Склад ґрунтового розчину.

До найважливіших катіонів ґрунтового розчину відносяться: Ca2+, Mg2+, Na+, K+, NH4+, Н+; в сильно кислих ґрунтах можуть бути Al3+, Fe 3+, в заболочених — Fe2+.

Серед аніонів переважають: HCO -3, CO3-2, NO-3, NO-2, SO4-2, Cl-, Н2РО-4, HPO2-4.

Для більшості ґрунтів характерний гідрокарбонатно-кальцієвий склад ґрунтових розчинів, в ґрунтових розчинах засолених ґрунтів переважна частка належить хлоридам і сульфатам магнію і натрію.

• Реакція ґрунтового розчину.

Наявність у ґрунтовому розчині вільних кислот і основ, кислих та основних солей визначають найважливішу для життєдіяльності рослин і процесів ґрунтоутворення властивість ґрунту — актуальну реакцію ґрунтового розчину. Реакція ґрунтового розчину визначається активністю вільних водневих (Н+) і гідроксильних (ОН-) іонів і вимірюється величиною рН. У різних типах ґрунтів рН ґрунтового розчину коливається від 2,5 (кислі сульфатні ґрунти) до 6-7,5 в чорноземах і до 10-11 в лужних солонцях і содових солончаках.

• Осмотичний тиск ґрунтового розчину, що залежить від його концентрації і ступеня дисоціації розчинених речовин. Якщо він дорівнює осмотичного тиску клітинного соку рослин або вище його, то припиняється надходження води в рослину і вона гине. Найбільш високим осмотичним тиском ґрунтового розчину характеризуються засолені ґрунти.

Ґрунтове повітря і повітряно-фізичні властивості ґрунтів

Повітряна фаза — найбільш мобільна складова частина ґрунтів, мінливість якої відображає біологічні та біохімічні процеси ґрунтотворення. Кількість і склад ґрунтового повітря істотно впливають на розвиток і функціонування рослин і мікроорганізмів, розчинність і міграцію хімічних сполук, інтенсивність і спрямованість ґрунтових процесів.

Ґрунтове повітря знаходяться в декількох фізичних станах: 1) власне ґрунтове повітря — вільне і защемлене, що знаходиться в порах ґрунту; 2) адсорбовані гази ґрунтовими частками на їхніх поверхнях; 3) розчинні гази в ґрунтовій воді.

Повітряно-фізичними властивостями ґрунтів називається сукупність ряду фізичних властивостей ґрунтів, що визначають стан і поведінку ґрунтового повітря в профілі. Найбільш важливими з них є повітроємність (загальна, капілярна і некапілярна або пористість аерації), повітровміст, повітропроникність, повітрообмін або аерація.

Відмінність ґрунтового повітря від атмосферного (наземного) пов’язана головним чином з процесами життєдіяльності мікроорганізмів, диханням коренів рослин і ґрунтової фауни, окислення органічної речовини ґрунтів. Відмінність тим більша, чим вищий енергетичний потенціал і біологічна активність ґрунтів або менший повітрообмін з атмосферним повітрям. Ґрунтове повітря містить макрогази — азот, кисень та діоксид вуглецю, оптимальні рівні концентрації якого коливаються в межах 0,3–3,0%. Серед мікрогазів, концентрації яких не перевищують 1•10-9 –10-12 %, є N2О, NO2, СО, вуглеводні (етилен, ацетилен, метан), водень, сірководень, аміак, тіоли, терпени, фосфін, спирти, ефіри, пари органічних і неорганічних кислот.

Вбирна здатність ґрунтів

Вбирна здатність ґрунту — одна з його найважливіших властивостей. Вона забезпечує і регулює поживний режим ґрунту, сприяє накопиченню багатьох елементів мінерального живлення рослин, регулює реакцію ґрунту, його водно-фізичні властивості.

Вбирною здатністю ґрунту називається його властивість обмінно або необмінно вбирати різні тверді, рідкі та газоподібні речовини або збільшувати їх концентрацію на поверхні ґрунтових колоїдів. За К. К. Гедройцем прийнято виділяти 5 видів вбирної здатності ґрунту:

• Механічна вбирна здатність — це властивість ґрунтів поглинати з водного або повітряного потоку тверді частинки, розміри яких перевищують розміри ґрунтових пор.

• Хімічна вбирна здатність обумовлена утворенням в результаті хімічних реакцій важкорозчинних сполук, що випадають з розчину в осад.

• Біологічна вбирна здатність обумовлена здатністю живих організмів (коріння рослин, мікроорганізми) поглинати різні елементи і закріплювати їх в органічній речовині.

• Фізична вбирна здатність — здатність ґрунту збільшувати концентрацію молекул різних речовин на поверхні тонкодисперсних частинок.

• Фізико-хімічна, або обмінна здатність — здатність ґрунту поглинати й обмінювати іони, що знаходяться на поверхні колоїдних частинок, на еквівалентну кількість іонів розчину, що взаємодіє з твердою фазою ґрунту.

Обмінна вбирна здатність ґрунтів обумовлена наявністю в ньому ґрунтового вбирного комплексу (ҐВК) — сукупності мінеральних, органічних і органо-мінеральних сполук високого ступеня дисперсності (колоїдів), нерозчинних у воді і здатних поглинати і обмінювати іони. Основним механізмом фізико-хімічної, або обміної вбирної здатності ґрунтів є процес сорбції. В обмінному стані в ґрунтах зазвичай знаходяться: Ca2+, Mg2+, K+, NH4+, Na+, Н+, Al3+, Fe 3+, Fe2+. За наявності у складі ґрунтового вбирного комплексу значної кількості Н+ і Al3+ колоїди легко руйнуються в результаті кислотного гідролізу, а ґрунти погано оструктурені. Якщо у складі обмінних катіонів значна частка належить Na+ (солонці, солонцюваті ґрунти), то колоїди легко пептизуються, ґрунти характеризуються лужною реакцією, погано оструктурені, мають несприятливі водно-фізичні властивості — підвищену щільність, погану водопроникність, слабку водовіддачу, низьку доступність ґрунтової вологи.

Методологія і методи дослідження ґрунту

Ґрунтовий розріз, що розкриває чорнозем південний

Лізиметр для дослідження водного та поживного режиму ґрунтів

Основним методом всіх ґрунтових досліджень є профільно-морфологічний метод. Він вимагає вивчення ґрунту в ґрунтовому розрізі з поверхні на всю глибину його товщі, послідовно, по генетичних горизонтах включно з материнською породою. Метод є ефективним способом пізнання властивостей ґрунту за морфологічними ознаками: глибиною й послідовністю залягання горизонтів, забарвленням, гранулометричним складом, структурою, складенням, новоутвореннями, включеннями тощо. Він є найголовнішим при проведенні польових ґрунтових досліджень і складає основу польової діагностики ґрунтів.