«Жоңғар Алатауы» табиғат саяжайының табиғи ортасы компоненттерінің ауыр металдармен ластануын зерттеу

       Топырақ ертіндісі деп, топырақта  әрдайым қозғалыста болатын және  әртүрлі еріген заттары бар  тамшы-сұйық  ылғалды атайды. Оның құрамы топырақ ылғалында еріген тұздардың, қышқылдардан тұрады.

       Топырақ ертіндісі топыраққа  судың ұзақ уақыттар бойы капилля  және капилляр емес қуыстар  арқылы қозғалыуының нәтижесінде  жасалады.

        Өсімдіктер топырақ ертіндісімен  тамыр түкшелері арқылы қоректенеді  және физиологиялық қышқыл тұздардан  (NH₄)₂SO₄, K₂SO₄, KCI негіздері алып, байланысты қышқылдарды босатып, топырақ ертіндісінің ерітушілік әсерін күшейтеді. Ал физиологиялық сілтілік тұздардан NaNO₃, KNO₃, Ca(NO₃)₂  өсімдіктер аниондарды алып, топырақ ертіндісін сілтіліндіреді. Топырақтан күшті қысыммен (50 атом/см²), центрифугалаумен және концентрациясы болады. Соңғысы климат құрғақтанған сайын (солтүстіктен оңтүстікке қарай) көбейеді. Топырақ ертіндісінің тұз режимі ыза судың тұздық құрамына, концентрациясына әсер етеді. Сорланған топырақтарда ыза су күштірек минералералданған, ал шайылған және күлгінденген топырақта ыза су тұзды болып келеді.

       Топырақ ертіндісінің құрамын  анықтау топырақ түзілу процесінің  сипатын, бағытын, тұздардың концентрациясын  білу және жерді тимді пайдалану  шараларын белгілеу үшін керек.

       Топырақ ертіедісінің құрамына  минералдық, органикалық, органико-минералдық заттар кіреді. Торырақ ертіндісіндегі минералдық заттар негізінен азот қышқылының NaNO₃, KNO₃, фосфор қышқылының Na₂HPO₄,   Ca(H₂PO₄)₂, K₂HPO₄, CaHPO₄ тұздары, көмір қышқылының тұздары – карбонаттар және бикарбонаттар: Na₂CO₃, Ca(HCO₃)₂; тұз қышқылының тұздары NaCI, CaCI₂ және күкіртқішқылының тұздары – сульфаттар CaSO₄, MgSO₄, т.б .түрінде кездеседі. Коллоидтық сипаттағы минералдық заттар топырақ ертіндісінде көбінесе темірдің және кремний қышқылының гидроксидтері формасында болады.

       Топырақ ертіндісіндегі органикалық  қосындылар қарашіріктік қышқылдар  және олардың тұздары, сол сияқты  өсімдіктер, жануарлар және микроағзалар бөлетін аминқышқылдары, спирттер, эфирлер, антибиотиктік заттар және токсиндер түрінде болады. Топырақ ертіндісінің сандық және сапалық құрамы әртүрлі топырақтарда, әртүрлі. Мысалы, сорланбаған топырақ типтерінде еріген заттардың мөлшері өте аз-литрде граминың ондық бөлігіне жетпейді, сорланған топырақтарда керісінше, топырақ ертіндісіндегі еріген қосындылардың мөлшері өте жоғары, тығыз қалдық литрд бірнеше грамға жетеді. Мысалы, тәжікстанның суармалы сұр топырағының беткі 10 см қабатында тығыз қалдық 0,980 г/л, 100-110 см қабатында 3,520 г/л болады (О.Грабовская; И.Гаркуша. почвоведение, 1962).

        Шымды-күлгін топырақтардың топырақ ертіндісінде органикалық қосындылар басым, қара топырақтарда органикалық және минералдық қосындылар тең, қызыл қоңыр, қоңыр, сұр топырақтарда минералдық қосындылар көп болады. Топырақ ертіндісінің концентрациясы өзгермелі болып тұрады. Топырақ ылғалы көп болса, топырақ ертіндісі сұйық, ал аз болса, топырақ ертіндісінің концентрациясы жоғарылайды. Сорланған топырақтарда ылғалдың (ертушінің) көбеюі есебінен топырақ ертіндісінің көлемі ғана үлкейеді, концентрациясы аз өзгереді. Температура жоғарлаған сайын көптеген тұздардың ерігіщтігі артып, топырақ ерітіндісінің де концентрациясы күшейеді. Өсімдікткрдің өсу кезеңдерінде олардың қоректік заттарды сіңіруіне байланысты топырақ ерітіндісі концентрациясының едәуір ауытқуы болады. Осмостық қысым да топырақ ертіндісінің концентрациясымен тығыз байланысты болып, өсімдіктің қоректенуіне әсер етеді. Ертінді концентрациясы өскен сайын осмостық қысым да жоғарлайды. Сорланбаған топырақтарда ерітіндінің осмостық қысымы клетка шырынының қысымынан төмен -1-3 атмосферадан аспайды.

     Топырақ ертіндісінің концентраиясы  жоғары болатын сорланған торыпақтарда  осмостық қысым 20-30 атмосфераға жетеді де, өсімдіктер қоректі элементтерді топырақтан ала алмайды. Олардың қоректік заттарды сіңіруі үшін қолайлы осмостық қысым 2-3 атмосфера шамасында болады.

     Топырақ суспензиясыеың (ерітіндідегі  қатты бөлшектердың) топыраққа қышқыл, не сілті түскенде (көбінесе тыңайтқыштар  негізгенде) оның активті реакциясының (қышқылдығының) өзгеруіне қарсы  тұру әрекетін топырақтың буферлілігі дейді. Буферлілік тоырақтың қатты фазасына тән, ол ұсақ дисперсті, коллоидты және қарашірікті болған сайын буферлілік те жоғары болады. Осы себепті топырақ ерітіндісінің ракциясы (қышқылдығы) шартты түрде тұрақты болады да, өскен өсімдіктердің, микроағзалардың түрлер құрамының өзгеріп кетуінен сақтайды.

Топырақтың  сіңіру қабілеті

        Топырақтың сіңіру қабілеті деп,  оның суда суспензия түрінде  жүрген қатты минералдық және  органикалық бөлшектерді, газдарды, қосынды заттарды тұтып ұстау  және сіңіру қасиетін атайды.

Топырақтың  сіңіру қабілеті – топырақ ерітіндісінің концентрациясын реттейтін басты қасиеті. Әсіресе өсімдіктердің қоректік элементтері K, N, Ca, Mg, P топырақтың сіңіру кешеніне күшті сіңеді де, шайылып кетпейді, олар топырақта жиналып, өсімдіктер қорегіне жұмсалады.

Топырақтың сіңіру қабілеті оның гранулометриялық құрамына, ең бастысы коллоидтық бөлігіне байланысты. Саз және сазды топырақтарда құм, құмайт және тасты топырақтарға қарағанда сіңіру қабілеті жоғары болып келеді. Структуралы топырақтардың баттасқан структурасыз топырақтардан гөрі сіңіру қабілетікүшты болады.

         Академик К.К.Гедройц топырақтың  сіңіру қабілетінің төрт түрін:  механикалық, физикалық, физика-химиялық, химиялық сіңірулерді, ал академик В.Р.Вильямс сіңірудің бесінші түрін – биологиялық сіңіруді дәлелдеді.

1. Механикалық сіңіру қабілеті. Топырақта суда жүрген қатты бөлшектерді қуыстарда, капиллярларда тұтып (сүзіп) ұстау қасиетін механикалық сіңіру қабілеті дейді. Сонымен, суда лай түрінде жүрген саздың, құмның, органикалық заттардың ұсақ бөлшектері, майда детритустар (бақалшақ сынықтар), микроағзалар және т.б. топырақ қуыстарында, капиллярларда сүзіліп қалады екен. Су осылайша топырақ қабаттарында сүзіліп, лайынан және тұз қоспаларыннан тазарады. Сүзіліп келген заттардың шөгінді тұнба түрінде жиналуы иллювиалдық (В) қабаттың бөлігінен бастап жүреді. Мысалы, мөлдір бұлақсуы осылай тазарудан өткен. Топырақтың механикалық сіңіру қабілеті теңіздер, көлдер жағалауындағы елдердің ертедегі ащы суларды топырақ қабаттарынан өткізіп, тұщытып пайдалануына көмктескен.
2. Физикалық (молекуладық- сорбциялық) сіңіру қабілеті. Топырақтың физикалық сіңіру қабілеті деп топырақ ерітіндісінен заттар молекулаларын адсорбциялау (лат. Ад-жанында, өзіне, сорбция – сіңіру) қасиетін айтады. Бұл топырақтың қатты бөлшектері беттерінің тарту энергиясына байланысты болады. Топырақ ұсақ дисперсті, коллоидты  болған сайын оның газдардың молеуларын (мысалы,  ауадағы су буының молекулаларын), сұйық заттардың молекулаларын тарту энергиясы да жоғары болады. Топырақ бөлшегтерін айнала қоршаған қабқтық ылғалдың жасалуы да осы тартылыс күшіне байланысты. Сол сияқты молекулалық ерітіндідегі иондарға диссоциацияланбаған заттар молекулалары да топырақ бөлшектерінің беттеріне тартылады. Мысалы, көң сұйығы топыраққа сіңгінде органикалық қосындалар (аммиак, т.б.) топырақ бөлшектері бетеріне тартылып қалады.

 Сорбцияланған молекулалар  топырақтың қатты бөлшектерінің  құрамына кірмейді, теқ қана бетінде  жиналады.

3. Физика-химиялық (иондық –сорбциялық) немесе ауспалы сіңіру қабілеті.

Топырақтың физика-химиялық немесе ауыспалы сіңіру қабілеті деп, оның топырақ ерітіндісіндегі бір элементтердың иондарын сіңіріп, ұстап топырақтың сіңіру кешеніндегі (ТСК) басқа элементтердың иондарына ауыстыру қасиеттін атайды.

                                    Ca²⁺                            K⁺

                            TCK      +  2KCI   =   TCK        +    CaCI₂

                                                                       K⁺

Бұл сехмада калий хлориді топырақ  кешеніндегі кальций ионы ығыстырып, топырақ ерітіндісіне шығарады, оның орнына кешенде бір валентті калийдың екі ионы орналасады. Сонымен, торырақ  бөлшектерімен сорбцияланған иондар топырақ ерітіндісіндегі иондармен  ауысып тұрады екен. Топырақтың ұсақ дисперсті  массасымен топырақ ерітіндісі арасында өзгермелі тепе-теңдік орнайды. Топырақ құрамының өзгеруіне байланысты сіңген иондар құрамында да өзгерістер жүреді, әсіресе топырақтағы катиондар (Ca⁺⁺, Mg⁺⁺, Na⁺, K⁺, H⁺, NH₄⁺, AI⁺⁺, Fe⁺⁺⁺ және т.б.) алмасуы үлген роль атқарады, ал аниондардың алмасуы аз зеріттелген. Әртүрлі топырақ типтері бір-бірінен сіңіру сйымдылығы және сіңген катиондар құрамы бойынша өзгеше болады. Сіңіру кешенінде металдар катиондары (сілтілік және сілтілік жер металдары катиондары Na, Ca, Mg сіңгентопырақтарды негіздермен қаныққан топырақтар дейді. Бұларға қара топырақтар, қызыл қоңыр топырақтар, сұр топырақтар, т.б. бір қатар топырақ негізінен, аридтық ландшафтық топырақтар жатады.

Сіңіру кешенінде сіңген ктиондар ішінде сутегі, алюминий иондары болса, ондай топырақтар негіздермен қанықпаған топырақтар деп аталады. Бұларға  күлгін, шымды-күлгін топырақтар, қызыл топырақтар және басқа гумстық ландшаптар топырақтары жатады. Топырақтардың сіңіру сйыымдылығының дәрежесі оның жоғары дисперсті минералдық бөлігіне және қарашіріктілігіне байланысты болады. Ауыр саз топырақтардың сіңіру сйыымдылығы құм топырақтардан гөрі жоғары болып келеді. Мысалы, қара топырақта сіңіру сйыымдылығы 90 миллиэкв, құмды күлгін топырақта ол 1-2 миллиэкв болады.

Сіңген катиондардың құрамы топырақтың әртүрлі қасиеттеріне әсер етеді. Мысалы, топырақтың агрегеттарының суда ерікіштігі, электр өткізгіштігі, максимальды гигроскопиялық ылғалдылығы, судың капиллярлармен биікке көтерілуі және т.б.сіңіру кешенінде  натрийдің концентрациясы өскен  сайын жоғарлайды. Ал бұл қасиаттардің төмендеуі кальцийдің, магнийдің  концентрацияларының көбеюіне байланасты болады.

Топырақтың судың өткізужылдамдығы, топырақ стуктурасының беріктігі  және т.б.қорсеткіштері мына сіңген катиондар кезегімен төмендейді: Ca<Mg<K<Na.

4. Химиялық сіңіру қабілеті. Топырақтың химиялық сіңіру қабілеті деп, оның топырақ ерітіндісіндегі заттарды химиялық реакциялардың нәтижесінде ұстап қалуын, яғни олардың қиын еритін немесе ерімейтін (жылжымайтын) жағдайда өткізуін атайды. Топырақ ерітіндісінде болатын кейбір элементтер (жылжымалы) химиялық реакцияның әсетінен тұнбаға түсетін (жылжымайтын) жағдайға өтеді. Мұны былай түсіндіруге болады: топырақ ерітіндісінде кальций хлориді болса, оған натрий гидрофосфаты қосылса химиялық реакция нәтижесінде

       3CaCI₂ + 2Na₂HPO₄ = Ca₃(PO₄)₂ + 2HCI + 4NaCI түзіледі.

Ауыл шаруашылығы өндірісінде  топыраққа ұнтақ (порошок) суперфосфатты  - Ca₃(PO₄)₂  енгізгенде:

          2Ca(HCO₃)₂ + Ca(H₃PO₄)₂ = Ca₃(PO₄)₂ + 4CO₂ + 4H₂O.

Осы екі жағдайда да суда ерімеітін  үш кальцийфосфат Ca(H₃PO₄)₂ түзіледі.

Осы себептен топыраққа жанасуы  аз болу үшін заводтар суперфосфатты  гранулациялап (түйіршіктеп) шығарады. Табиғатта топырақ кесінділеріндегі гипс жаңа түзіндісі де осы химиялық жолмен жасалады:

                          CaCI₂ + Na₂SO₄ = 2NaCI + CaSO₄

Топырақ ерітіндісінде топырақ  химиялық жолмен сіңіре алмайтын заттар да кездеседі. Мысалы, азот қышқылының тұздары (нитраттар) суда тез еритіндіктен топырақта тұрақтамайды, шайылып  кетеді. Сондықтан да химиялық сіңбейтін  қосылыстарғажатады.

5. Биологиялық сіңіру қабілеті. Топырақтың құрамына онда тіршілік ететін ағзаларда (жануарлар мен өсімдіктер де) кіреді. Бұлар тіршілік чиклдерінде өздеріне керекті химиялық элементтерді жинайды. Осылайша топырақтарда еөміртегі, азот, фосфор және т.б. элементтер, сондай-ақ микроэлементтер (кобальт, мыс, мырыш, т.б.) қоры пайда болады.

Химиялық және биологиялық сіңірулер  толық зерттелмеген, ал физикалық-химиялық сіңіру қабілеті топырақта ауысу катиондарын және сіңіру сыймдылығын анықтауға қолданылады.

Топырақтың  механикалық сіңіру қабілетін анықтау

Жабдықтар мен заттар. Воронкалар, дәке немесе ұсақ малтар, штативтер, топырақтар, ірі дәншелі шеге құм, стакандар және су.

1. Топырақ түсіп кетпес үшін екі воронканың тұбіне дәке немесе малта тастар салу, мұнан соң бірінші воронканың 2/3 бөлігін саңлаулы 2 мм елеуіштен өткізілген топырақпен толтыру. Екінші волонканы да ірі дәншелі құммен толтыру. Воронкалаларды штативтерге бекіту.
2. Химиялық стаканға 2-3 г саз топырақ салып жартысына дейін су құйіп араластыру. Стакандағы лай судың жартысын топырағы бар воронкаға, жартысын құмы бар воронкаға құю. Мұнда топырақ пен құм сүзгі ролін атқарады. Лай су механикалық (қарапайым) сүзіледі. Құммен салыстырғанда топырақтың қуыстары тар болғандықтан, сүзінді тазалау, мөлдірлеу болады. Сүзіндіге топырақ қуыстарынан кіші бөлшектер ғана өтеді. Сонымен, топырақтың механикалық сіңіру қабілеті тікелей оның гранулометриялық құрамына байланысты екен. Топырақта сазды бөлшек көп болса, механикалық сіңіру де жоғары, ал сүзінді таза юолады.