Ґрунт як об’єкт хімічних досліджень

1.2. Зміст, об’єкт, предмет і завдання хімії ґрунту.

1.3.4. Обчислення і способи відображення результатів аналізу.

Ґрунт як хімічна система характеризується гетерогенністю, поліхімізмом, полідисперсністю, просторовою неоднорідністю, органо-мінеральною взаємодією, мінливістю і динамікою властивостей, буферністю тощо. Особливістю ґрунту як об’єкта виробництва, що безпосередньо має вплив на специфіку проведення хімічного аналізу, є, насамперед, необхідність оптимізації властивостей ґрунту.

Гетерогенність ґрунтів. У складі ґрунту вирізняють тверду, рідку, газоподібну та живу фази. На сучасному етапі розвитку хімії ґрунтів, досліджуючи хімічний стан ґрунту та окремих його компонентів, визначають показники, які характеризують не тільки ґрунт загалом, але й окремі його фази та рівень взаємозв’язків між ними.

Поліхімізм ґрунтів. У ґрунтах один хімічний елемент може міститися у різноманітних сполуках: легкорозчинних солях, складних алюмосилікатах, органо-мінеральних речовинах. Ці компоненти мають різні властивості, від яких, зокрема, залежить здатність хімічного елемента переходити із твердих фаз ґрунту у рідку, мігрувати у ґрунтовому профілі та у ландшафті загалом, бути доступним для живлення рослин тощо. Саме тому під час хімічного аналізу ґрунтів визначають не тільки загальний (валовий) вміст хімічних елементів, але й показники, які характеризують склад і вміст індивідуальних хімічних сполук або груп сполук, близьких за своїми властивостями. Перелічені показники дають змогу діагностувати елементарні ґрунтові процеси, досліджувати трансформацію хімічного елемента у процесі ґрунтотворення, за умов внесення добрив та за техногенного забруднення, оцінювати родючість і меліоративні особливості ґрунтів.

Полідисперсність ґрунтів. Тверді фази ґрунту складаються з великого набору частинок різного розміру − від грубих, видимих неозброєним оком частинок піску, до колоїдних частинок діаметром у декілька мікрометрів. Відомо, що вони неоднакові за своїм складом, отож відзначаються різними властивостями. Досліджуючи генетичні особливості ґрунтів, визначають показники хімічного складу та інших властивостей окремих гранулометричних фракцій.

З дисперсністю ґрунтів певною мірою пов’язана їхня здатність до іонного обміну, яка, у свою чергу, характеризується специфічним набором показників – ємністю катіонного та аніонного обміну, складом обмінних (увібраних) катіонів тощо. Від рівнів цих показників залежать деякі хімічні і фізичні властивості ґрунтів.

Органо-мінеральна взаємодія – специфічна особливість ґрунту і одна з найголовніших рис ґрунтотворення. У ґрунтах формуються не тільки прості і комплексні солі, а також складні адсорбційні комплекси, до складу яких входять мінерали та органічні речовини (симплекси, за Є. П. Троїцьким).

Динамічність процесів у ґрунтах. Для природних ґрунтів характерними є добова, сезонна, річна і вікова динаміка. Зміни відбуваються безперервно, що вимагає трансформації класичних хімічних підходів та понять.

Кислотно-основні і окисно-відновні властивості ґрунтів. До складу ґрунту входять компоненти, які при певних умовах проявляють властивості кислот і основ, окисників і відновників. У разі вирішення різноманітних теоретичних та прикладних проблем ґрунтознавства, агрохімії, біогеохімії, меліорації визначають показники, які характеризують кислотність і лужність ґрунтів, їхній окисно-відновний стан.

Просторова неоднорідність, варіабельність, динаміка, буферність хімічних властивостей ґрунтів. Відомо, що властивості ґрунтів неоднакові навіть у межах одного і того ж генетичного горизонту. Досліджуючи процеси формування генетичного профілю ґрунту, оцінюють хімічні властивості окремих елементів організації ґрунтової маси (кутан, педів та ін.).

Властивості ґрунтів змінюються у просторі і часі, проте ґрунти мають здатність протидіяти зміні своїх властивостей, тобто проявляють буферність. Сьогодні розроблено показники і способи характеристики варіабельності, динаміки та буферності властивостей ґрунтів.

Неврівноваженість станів, термодинамічна незворотність процесів, зміна властивостей ґрунтів. Ґрунт – відкрита термодинамічна система, через яку безперервно проходить потік енергії та речовини. Це не дає змоги досягнути рівноважних станів, що ускладнюється і своєрідністю кінетики ґрунтово-хімічних процесів, які спричиняють до зміни хімічних властивостей ґрунтів.

Надзвичайно інформативними є показники, за допомогою яких характеризують напрям, швидкість і ступінь вираженості процесів у ґрунтах, а також досліджують динаміку змін властивостей ґрунтів та ґрунтових режимів. Хімічні властивості можуть змінюватися також в ізольованих ґрунтових пробах у лабораторних умовах впродовж їхнього висушування, розтирання і навіть під час зберігання.

Численними дослідженнями доведено, що висушування проб ґрунту впливає на результати визначення рН, гідролітичної кислотності, рухомих сполук Нітрогену, Фосфору, Калію та ін.

Можливі зміни властивостей ґрунтових проб необхідно враховувати при оцінці хімічного стану реальних ґрунтів.

Різноякісність складу ґрунтів. Будь-які типи, види і навіть різновиди ґрунтів відзначаються настільки різноякісними властивостями, що для їхньої хімічної характеристики необхідно застосовувати не тільки різні аналітичні прийоми, але й різні набори показників. Наприклад, у дерново-підзолистих, сірих лісових ґрунтах зазвичай визначають рН водних і сольових суспензій, обмінну і гідролітичну кислотність, вбирні основи витісняють із ґрунтів водними розчинами солей. Аналізуючи засолені ґрунти, визначають рН тільки водних суспензій, а замість показників кислотності – загальну, карбонатну та інші види лужності. Вбирні основи у засолених ґрунтах неможливо визначити звичайним їхнім витісненням із ґрунту водними розчинами солей без використання спеціальних аналітичних прийомів.

Зазначені особливості ґрунтів значною мірою зумовлюють принципові основи аналітичних методів дослідження хімічного стану ґрунтів, номенклатуру і класифікацію показників хімічних властивостей ґрунтів та ґрунтових хімічних процесів.

1.2. Зміст, об’єкт, предмет і завдання хімії ґрунту

У процесі історичного розвитку фундаментальне ґрунтознавство (або загальне ґрунтознавство) закономірно диференціювалося на спеціалізовані розділи (наукові напрями) відповідно до різних аспектів і методів вивчення ґрунту.

Одним із найважливіших наукових напрямів загального ґрунтознавства є педогностика, яка вивчає фазовий (речовинний) склад, будову і властивості ґрунту. У межах цього напряму об’єктивно виокремлюються такі розділи ґрунтознавства як морфологія ґрунтів, хімія ґрунтів, фізика ґрунтів, мінералогія ґрунтів та біологія ґрунтів (рис. 1.1).

Хімія ґрунтів – це самостійний комплексний розділ ґрунтознавчої науки, який забезпечує вирішення теоретичних і прикладних питань, пов’язаних з ґенезою, складом, будовою, властивостями, екологією, охороною та раціональним використанням ґрунтів.

Найголовнішим і надзвичайно важливим принципом хімії ґрунтів, який дає змогу вирішувати засадничі питання цієї, до певної міри, самодостатньої дисципліни є всебічне дослідження складу, властивостей ґрунтів та домінуючих у них процесів на іонно-молекулярному і колоїдному рівнях. Водночас хімія ґрунтів бере активну участь у вирішенні багатьох невластивих їй проблем, які виникають на перетині таких наук, як ґрунтознавство, екологія, геологія, біогеохімія, геохімія ландшафтів, органічна і неорганічна хімія тощо.

Узагальнююче визначення сучасної хімії ґрунту запропонував професор Д. С. Орлов (1992): “ Хімія ґрунту – це розділ ґрунтознавства, у якому вивчаються хімічні основи ґрунтотворення і родючості ґрунтів ”.

Об’єктом хімії ґрунту є ґрунт, а предметом вивчення є його складові: мінеральні, органічні, органо-мінеральні та мінералорганічні компоненти, а також ґрунтові хімічні реакції та процеси.

Для вивчення ґрунту як хімічної системи у хімії ґрунтів використовують ті ж методи, що й у ґрунтознавстві загалом: порівняльно-географічний, морфолого-генетичний і порівняльно-аналітичний, а також методи і показники, які характеризують специфічні властивості ґрунтів, а саме:

ü диференціація хімічних елементів у профілі ґрунту;

ü розподіл макро-, мезо- і мікроелементів за групами їхньої рухомості (мобільності) та доступності для рослин;

ü показники нітрифікаційної здатності ґрунтів.

На сучасному етапі свого розвитку хімія ґрунту як наука достатньо структурована і змістовно поділяється на чотири головні або пріоритетні напрями: 1) хімію ґрунтової маси; 2) хімію ґрунтотворних процесів; 3) хімічні основи (аспекти) родючості ґрунту; 4) аналітичну хімію ґрунту. У межах кожного з цих пріоритетних напрямів виокремлюють щонайменше три - чотири підрозділи (табл. 1.1).

Зміст сучасної хімії ґрунту (за Д. С. Орловим, 1992)

Хімія ґрунтової маси	Хімія ґрунто-творних процесів	Хімічні основи родючості ґрунту	Аналітична хімія ґрунту
1. Вчення про хімічний склад ґрунту: ● елементний склад ● фазовий склад ● склад твердої фази ● склад рідкої фази ● склад газової фази	1. Трансформація фазового (речовинного) складу в процесі ґрунтоутворення: ● синтез і розклад мінералів ● розклад рослинних решток ● синтез гумінових речовин ● хімія новоутворень	1. Запаси елементів живлення: ● валові запаси ● резерви елементів живлення	1. Методи ідентифікації та кількісного визначення елементів і речовин (неспецифічні методи)
2. Будова і властивості компонентів ґрунту: ● прості солі ● оксиди і гідрооксиди ● глинисті мінерали ● органічні речовини ● органо-мінеральні речовини	2. Хімічні процеси диференціації профілю ґрунту	2. Баланси елементів живлення: ● баланси елементів у цілинних ландшафтах ● баланси елементів в агрофітоценозах	2. Методи вимірювання властивостей ґрунту: ● визначення рН ● вимірювання окислювальних потенціалів ● визначення колоїдно-хімічних характеристик
3. Властивості ґрунту: ● вбирна здатність ● реакція середовища ● колоїдно-хімічні властивості ● окислювально-відновні режими ● рівноважний стан у системі фаз	3. Міграція та акумуляція хімічних сполук у ґрунтах і ландшафтах	3. Хімічні основи мобільності і доступності елементів рослинам: ● форми сполук та їхня мобільність ● термодинамічні основи мобільності і доступності елементів	3. Методи визначення специфічних показників ґрунту: ● груповий і фракційний склад гумусу ● вбирні (обмінні) катіони ● груповий склад мінеральних компонентів ● кислотність і лужність
	4. Залежність властивостей і складу ґрунтів від гідротермічних та біологічних умов	4. Хімічні прийоми регулювання родючості ґрунту

Перший напрям – хімія ґрунтової маси – охоплює доволі велике коло питань, серед яких фундаментальне значення має вчення про хімічний склад ґрунту, результати вивчення якого є базисом для вирішення переважної більшості питань у ґрунтознавстві, а також питання будови і властивостей компонентів ґрунту та властивостей ґрунту.

Другий напрям сучасної хімії ґрунту – хімія ґрунтотворних процесів – налічує такі підрозділи: трансформація речовинного складу у процесі ґрунтотворення, хімічні процеси диференціації профілю ґрунту, міграція та акумуляція хімічних сполук у ґрунтах (ландшафтах), залежність властивостей і складу ґрунтів від гідротермічних та біологічних умов.

Незважаючи на певні успіхи у вирішенні багатьох дискусійних питань у межах цього напряму, здебільшого вчені вказують на недостатній рівень його розвитку. Необхідно зазначити, що навіть процеси трансформації речовинного (фазового) складу розглядають у більшості випадків на рівні гіпотез.

Сучасними дослідженнями встановлено початкові та кінцеві продукти, зокрема, при розкладанні органічних речовин, синтезі гумінових речовин, утворенні вторинних мінералів, формуванні новоутворень, проте конкретні механізми і реакції, як складові перелічених вище процесів, загалом залишаються практично невідомими.

На даному етапі розвитку хімії ґрунтотворних процесів надзвичайно актуальними і водночас дискусійними залишаються такі питання:

§ хімічні механізми диференціації профілю ґрунту на генетичні горизонти;

§ умови і форми міграції речовин у профілі ґрунту (вертикальна і латеральна міграції);

§ механізми формування новоутворень хімічного походження у ґрунті;

§ залежність ґрунтово-хімічних процесів від екологічного стану довкілля.

Третій важливий напрям сучасної хімії ґрунтів – хімічні основи (аспекти) родючості ґрунту (див. табл. 1.1). Цей напрям поділяють на чотири розділи: запаси елементів живлення у різних типах ґрунтів, баланс елементів живлення у ґрунтах цілинних і культурних ландшафтів, хімічні механізми мобільності і доступності елементів живлення рослинам та хімічні прийоми регулювання родючості (режиму живлення) ґрунту.

Надзвичайно важливим напрямом хімії ґрунтів є аналітична хімія ґрунтів. Характерною особливістю хімії ґрунтів є те, що, на відміну від інших розділів ґрунтознавства, методи досліджень у ній розглядають не тільки як засоби вирішення поставлених завдань. Насамперед вони виконують індивідуальне значення. Головні завдання аналітичної хімії ґрунтів полягають у розробці методів, для чого необхідне глибоке теоретичне опрацювання основ методів, пошук нових принципів тощо. Власне тому аналітична хімія ґрунтів є рівноцінним напрямом за своїм положенням і значенням, поряд з іншими напрямами хімії ґрунтів.

Проблеми аналітичної хімії ґрунтів поділяють на дві головні групи. З одного боку, розробляють методи ідентифікації і визначення вмісту елементів та речовин у ґрунтах (і їхніх фракціях) та інших показників, які притаманні для різних природних і технічних об’єктів (валовий елементний склад, рН, склад солей тощо). З іншого боку, розробляють методи, які дають змогу одержати специфічні характеристики, властиві тільки ґрунтам. До переліку таких аналізів належать, наприклад, визначення групового і фракційного складу гумусу.