Кіріспе

Топырақтың химиялық ерекшеліктерін зерттеу. Топырақ химиясы – топырақтың химиялық ерекшеліктерін зерттейтін ғылым. Топырақтың химиясына минералдық құрамы, органикалық заттар және қоршаған орта факторлары әсер етеді. 1870 жылдардың басында Англиядағы Корольдік ауыл шаруашылығы қоғамының кеңесші химигі Дж. Томас Уэй топырақтың иондарды алмастыру қасиетін зерттеген көптеген тәжірибелер жүргізді және топырақ химиясының негізін қалаушысы деп есептеледі. Эдмунд Руффин және Линус Полинг осы экологиялық салаға үлес қосқан басқа ғалымдар.

Топырақ тесіктері

Топырақтың микропоры мен макропораларының өзара әрекеттесуі топырақ химиясы үшін маңызды, себебі олар топыраққа және оны қоршаған атмосфераға су мен газдардың жеткізілуін қамтамасыз етеді. Макропоралар молекулалар мен заттарды микропораларға тасымалдауға және олардан шығаруға көмектеседі. Микропоралар топырақ агрегаттарының құрамында болады.

Топырақ суы

Су топырақ профиліндегі тіршілік иелері үшін қажетті, және ол жақсы топырақтағы макропораларды жартылай толтырады. Топырақтан қоректік заттардың шайылуы судың иондарды топырақтың төменгі горизонттарына тереңге қарай алып кетуінен пайда болады, бұл топырақтың басқа горизонттарында тотығу процесіне әкеледі. Су жоғары су потенциалынан төмен су потенциалына қарай қозғалады, бұл судың топырақ бетіне жабысуы және су молекулаларының өзара тартылуы нәтижесінде капиллярлық әрекеттілік пен гравитациялық күштердің пайда болуына себеп болуы мүмкін.

Ауа/атмосфера

Атмосфера үш негізгі газды қамтиды, атап айтқанда оттегі, көмірқышқыл газы (CO2) және азот. Атмосферада оттегінің үлесі 20%, азоттың 79%, ал CO2 0,15%-дан 0,65%-ға дейін көлем бойынша құрайды. Көмірқышқыл газының мөлшері топырақтың тереңдігі артуымен, жиналған органикалық заттардың ыдырауы мен өсімдік тамырларының көп болуына байланысты артады. Топырақта оттегінің болуы маңызды, себебі ол ерімейтін тас массасын ерігіш минералдарға және органикалық гумусқа айналдыруға көмектеседі. Топырақтағы ауа атмосферадағы газдардан тұрады, бірақ пропорциялары бірдей емес. Бұл газдар микроорганизмдердегі химиялық реакцияларды жеңілдетеді. Топырақтағы ерігіш қоректік заттардың жиналуы оның өнімділігін арттырады. Егер топырақта оттегі жетіспесе, микробиологиялық белсенділік баяулайды немесе тоқтатылады. Топырақ атмосферасын бақылайтын маңызды факторлар – температура, атмосфералық қысым, жел/аэрация және жауын-шашын.

Топырақтың пішіні

Топырақ текстурасы топырақтың құрылымын сақтау қабілетіне, су ағынының шектелуіне және топырақтағы бөлшектердің құрамына қатысты топырақ химиясына әсер етеді. Топырақ текстурасы барлық бөлшек түрлерін ескереді, ал топырақ текстурасы үшбұрышы – топырақ профиліндегі әрбір бөлшек түрінің пайыздық көрсеткішін, жалпы сомасы 100%-ды құрайтындай есептеуге арналған кесте. Бұл топырақ бөлшектері ғана емес, сонымен қатар өсімдік өсуіне әсер ететін маңызды факторларға, мысалы топырақтың ауа өткізгіштігіне, өңделуге қолайлылығына, су мен қоректік заттардың қозғалмалылығы мен қолжетімділігіне де әсер етеді.

Құм

Құм бөлшектерінің мөлшері ауыспалы (шамамен 0,05–2 мм). Құм – бөлшектердің ең жуан түрі. Құмның бөлшектер тобындағы ең ірі кеуектілігі және топырақ бөлшектері бар. Сондай-ақ, ол ең оңай су өткізеді. Бұл бөлшектер қышпен қапталғанда химиялық реакцияларға белсендірек қатысады.

Селті

Шел бөлшектерінің мөлшері ауыспалы (шамамен 0,002–0,5 мм). Шелдің тесіктері басқа бөлшектер тобымен салыстырғанда орташа мөлшерлі деп есептеледі. Шелдің құрылымы ұнға ұқсас. Шел бөлшектері су мен ауаның оңай өтуіне жағдай жасайды, бірақ егін өсіру үшін ылғалды сақтап тұрады. Шелді топырақ органикалық және минералдық заттардың жеткілікті мөлшерін қамтиды.

Саз балшық

Балшық бөлшектер тобындағы ең ұсақ бөлшектер (шамамен <0,002 мм) болып табылады. Балшықтағы тесіктер де ең кішкентай, соның салдарынан оның кеуектілігі жоғары, бірақ су өткізбейді. Балшық ылғал болғанда жабысқақ болады. Кейбір түрлері кеңейіп, тарылуы мүмкін, яғни ісіп, қысқарады.

Балшық

Құмды топырақ – құм, лай және саздың қоспасы, ол топырақтарды қамтиды. Топырақтың құрамындағы басты бөлшектерге сүйене отырып, оны атауға болады, мысалы, құмды топырақ, сазды топырақ, лайлы топырақ және т.б.

Биота

Биота – органикалық заттармен қатар топырақтың биологиялық жүйесін құрайтын организмдер. Биологиялық белсенділіктің басым бөлігі топырақ бетіне жақын, әдетте топырақ профилінің А горизонтында жүзеге асады. Биоталар өздерін күтіп, популяцияларын өсіру үшін органикалық заттардың түсуіне мұқтаж. Олар өз кезегінде топыраққа қоректік заттарды қайтарады, әдетте топырақ трофикалық тізбегінде айналымнан өткеннен кейін. Көптеген өзара әрекеттесулердің нәтижесінде биота қоршаған ортаға физикалық, химиялық және биологиялық тұрғыдан елеулі әсер ете алады (Pavao Zuckerman, 2008). Осы өзара әрекеттесулердегі біршама тұрақтылықты қамтамасыз ететін маңызды фактор – биологиялық түрлердің алуандығы, барлық экологиялық қауымдастықтардың маңызды құрауы. Биологиялық түрлердің алуандығы трофикалық деңгейлер арқылы энергияның үздіксіз ағымын қамтамасыз етеді және топырақтағы экологиялық қауымдастықтардың құрылымына күшті ықпал етеді.

Топырақ циклі

Топырақтағы көптеген өсімдік қоректік заттар қоршаған ортада биогеохимиялық циклдерден өтеді. Бұл циклдер суға, газ алмасуға, биологиялық белсенділікке, бекітілуге және минералдану динамикасына тәуелді, бірақ әрбір элементтің өзіндік ағын жолы болады (Deemy және басқалар, 2022). Мысалы, азот топырақ арқылы өте келе оқшауланған газ тәрізді күйден нитрат және нитрит қосылыстарына айналып, өсімдіктерге қолжетімді болады. Ал фосфор сияқты элемент минералдық түрінде тасымалданады, себебі ол тау жыныстары құрамында кездеседі. Бұл циклдер жылдамдығы, ерігіштігі және табиғи циклдар арқылы қозғалу деңгейі жағынан да айтарлықтай өзгеше. Олар топырақ химиясының барлық процестерін қамтамасыз етеді.

Тергеу әдістері

Жаңа топырақ химиясы туралы білім көбінесе зертханалық зерттеулерден келеді, онда даладан алынған, бұзылмаған топырақ горизонттарының үлгілері топыраққа қатысты қайталанатын емдеулер мен бақылауларды қамтитын тәжірибелерде қолданылады. Көп жағдайда топырақ үлгілері қоршаған орта температурасында (мысалы, 25 °C (77 °F)) кептіріледі және одан әрі зерттеу үшін сақтау алдында 2 мм-ге дейін ұсатылады. Мұндай кептіру және ұсату топырақ үлгілерінің топырақ құрылымын, микробиалды популяцияның әртүрлілігін және pH, тотығу-тотығу күйі, марганецтің тотығу күйі және еріген органикалық заттарға байланысты химиялық қасиеттерін айқын түрде бұзады. Соңғы онжылдықтардағы жаңа қызығушылық көптеген топырақ химиктерін топырақ үлгілерін далалық ылғалды күйде сақтауға және зерттеулер алдында және кезінде 4 °C (39 °F) температурада аэробалық жағдайда сақтауға итермеледі. Топырақ химиясының зертханалық зерттеулерінде екі тәсіл жиі қолданылады. Біріншісі – партиялық теңдестіру. Химик белгілі бір көлемдегі су немесе еріген иондардың белгілі концентрациясындағы тұз ерітіндісін топырақ массасына қосады (мысалы, центрифуга түтігінде немесе колбадағы 5 г топыраққа 25 мл ерітінді). Топырақ суспензиясы белгілі бір уақыт бойы (мысалы, 15 минуттан бірнеше сағатқа дейін) шайқалады немесе араластырылады, бұл құм түйіршіктерін, лай бөлшектерін және балшық коллоидтарын теңдестірілген ерітіндіден бөлу үшін жоғары жылдамдықта сүзгілеу немесе центрифугалау алдында тұрақты күй немесе тепе-теңдік жағдайын орнату үшін жасалады. Фильтрат немесе центрифугат иондық спецификалық электродтар, атомдық абсорбциялық спектрофотометрия, индуктивті түрлендірілген плазма спектрометриясы, иондық хроматография және колориметриялық әдістер сияқты бірнеше әдістердің бірімен талданады. Әр жағдайда талдау ерітінді фазасындағы ионның немесе молекуланың концентрациясын немесе белсенділігін анықтайды және өлшенген концентрацияны немесе белсенділікті (мысалы, мг ион/мл) ерітінді мен топырақ арақатынасына (мл экстракциялық ерітінді/г топырақ) көбейту арқылы химик нәтижені мг ион/г топырақ мөлшерінде алады. Топырақ массасына негізделген бұл нәтиже әртүрлі топырақтар мен емдеулерді салыстыруға мүмкіндік береді. Ұқсас тәсілде белгілі бір көлемдегі ерітінді арқылы сіңірілген ерітіндіні кішігірім бағаналардағы топырақтан бақыланатын жылдамдықпен өткізіп, жаңбырдың, қардың еру суының және суару суының даладағы топырақ арқылы қалай өтетінін симуляциялау үшін қолданылады. Содан кейін сүзгіштік топтаманы теңестіру кезінде қолданылатын әдістермен бірдей талдау жүргізіледі. Топырақтағы процестер мен құбылыстарды анықтаудың тағы бір тәсілі – топырақты бұзбайтын in situ әдістерін қолдану болып табылады, бұл топырақ сілкініп немесе экстракциялық топырақ ерітіндісімен жуылғанда болады. Бұл әдістер әдетте Фурье түрлендірілген инфрақызыл спектроскопия, ядролық магниттік резонанс, Мессбауэр спектроскопиясы және рентгендік спектроскопия сияқты беттік спектроскопиялық әдістерді қолданады. Бұл тәсілдер бөлшектер мен коллоидтар бетінің минералогиясы мен химиясының химиялық табиғатын және иондар мен молекулалар адсорбция, комплекстеу және тұнбалау арқылы осындай беттермен қалай байланысатынын анықтауға бағытталған. Бұл зертханалық тәжірибелер мен талдаулар деректерден топырақта иондар мен молекулалардың қалай әрекеттесетіні туралы химиялық механизмдерді анықтауға мүмкіндік беретіндіктен далалық зерттеулерге қарағанда артықшылықтарға ие. Әр түрлі топырақтардағы ұқсас реакциялар туралы қорытынды жасауға немесе жаңа гипотезаларды құруға болады. Зертханалық зерттеулердің кемшілігі – олар топырақтың нақтылығы мен әртүрлілігін жоғалтады, бірақ бақылауға ие болады және зерттелмеген топыраққа экстраполяциялау мүмкіндігін ұсынады. Механистік зертханалық зерттеулер көбірек нақты, аз бақыланатын, бақылаулы далалық зерттеулермен біріктіріліп, кеңістікте гетерогенді және уақыт бойынша өзгере алатын топырақтың мінез-құлқы мен химиясының дәл шамаларын береді. Топырақ химиктерінің алдында тұрған тағы бір мәселе – топырақ бұзылған кезде, далалық топырақтағы микробиалды популяциялар мен ферменттік белсенділік қалай өзгеруі мүмкін, әсіресе топырақ үлгілері зертханалық зерттеулер мен талдаулар алдында кептірілгенде.