Ugrás a tartalomhoz

Agrokémia és növényvédelmi kémia

Loch Jakab – Nosticzius Árpád

Mezőgazda Kiadó

Talajkémiai ismeretek

Talajkémiai ismeretek

A talajok termékenysége alapvető feltétele a szántóföldi növénytermesztésnek. A termékenység számos tulajdonság függvénye, ezek közül kiemelkedő fontosságú a tápelemtartalom, amely az egyéb környezeti tényezőkkel együtt határozza meg a növények produkcióját.

A talaj szilárd fázisa szerves és szervetlen alkotórészekből áll, ez a tulajdonképpeni tápanyagforrás, illetve tápanyagraktár. A folyékony fázis a talajoldat, amelyben vízen kívül sók és egyéb vegyületek találhatók oldott állapotban. A talajoldat különböző fizikai-kémiai és biológiai folyamatok színhelye (oldódás, diffúzió, ioncsere, tápanyagfelvétel stb.). A gáz fázis, a talajlevegő, amelynek fő alkotórésze a N2, O2, CO2 és a vízgőz, a kultúrnövények és a mikroszervezetek gázcseréjét teszi lehetővé. A három fázis együtt biztosítja a kultúrnövények és a mikroszervezetek életfeltételeit.

A talaj összestápanyagtartalmának legnagyobb része természetes eredetű, kisebb része mesterséges úton, emberi beavatkozás révén jutott a talajba. A növények tápanyagellátása szempontjából döntő, hogy a talaj tápanyagai milyen formában vannak jelen és mennyire mobilizálhatók. Fontos továbbá, hogy a műtrágyákkal és szerves trágyákkal talajba vitt tápanyagok milyen mértékben érvényesülnek, ez viszont a talaj fizikai és kémiai tulajdonságaitól függ.

Kérdés

1. Mi a szerepe a talaj szilárd, folyékony és gáz fázisának a növények táplálásában?

Tápanyagformák a talajban

A tápelemek különböző formákban, illetve kötésekben vannak jelen a talajban (tápanyagok), ennek következtében különböző mértékben hozzáférhetőek a növény számára. Az összes tápelemtartalomnak csak kis része hasznosítható közvetlenül. Általában a következő tápanyagformákat különböztetjük meg:

• oldható tápanyagok,

• kicserélhető tápanyagok,

• biológiailag kötött tápanyagok,

• fixált és egyéb kötött tápanyagok,

• tartaléktápanyagok.

Oldható vagy könnyen oldható tápanyagok azok, amelyek vízben, híg sóoldatokban vagy savakban oldódnak. A könnyen oldható tápanyagokat gyakran „felvehető”-ként jelölik. Ez a megnevezés pontatlan, mivel a növények számára ténylegesen felvehető tápelemek mennyisége számos tényezőtől függ. A laboratóriumban meghatározott könnyen oldható tápanyagtartalom mennyisége függ az oldáshoz használt szer erősségétől és az oldás módjától, ezért minden esetben meg kell adnunk, hogy milyen módszerrel végeztük a vizsgálatot.

A kicserélhető tápanyagokhoz a kolloidokon Coulomb-erőkkel kötött fémkationokat és az NH4+-iont soroljuk. A kolloidokon adszorbeált kationok ioncsere-folyamatokban kicserélhetők, ezért ezeket kicserélhető kationoknak is nevezik. A kicserélhető kationok és a talajoldat ionjai között mindenkor egyensúly áll be. A növények csak az oldható és a kicserélhető tápanyagokat tudják közvetlenül hasznosítani.

A biológiailag kötött tápanyagok csoportját a gyökérmaradványok, szerves trágyák és egyéb szerves anyagok tápanyagtartalma képezi, ami csak átmenetileg kötött, és a mikroszervezetek tevékenysége révén újból szabaddá válik. Ide sorolható a mikroszervezetek által időszakosan megkötött tápanyagtartalom is (lásd pentozánhatás). A biológiailag kötött tápanyagtartalom a talaj tápanyagkészletének állandóan megújuló része, amely nagymértékben hozzájárulhat a növények ellátásához.

Fixált tápanyagoknak a háromrétegű (2:1 típusú) agyagásványok rétegrácsai között irreverzíbilisen megkötött tápanyagokat nevezzük. Így pl. a K+-ionok illitekhez, vermikulitokhoz és szmektitekhez kötődhetnek. A fixálás következtében az egyébként duzzadóképes agyagásványok elvesztik e tulajdonságukat. A beépült K+-ionok szorosra zárják a rétegeket, és ezért nem cserélhetők ki ioncsere révén. A K+-ionokhoz hasonlóan az NH4+-ionok is fixálódhatnak. Az irreverzíbilisen megkötött NH4+- és K+-ionok csak az ásványok mállása révén szabadulnak fel, így a növények számára közvetlenül nem hozzáférhetők.

A fixált tápanyagokon kívül ismerünk egyéb módon kötött tápanyagokat is. Így pl. a foszfor oldhatatlan vegyületek képződése és anionadszorpció révén is megkötődhet. E tápanyagokat, a fixált tápanyagokkal együtt, általában a tartalékkészletekhez sorolják, bár a frissen kicsapott foszforvegyületek könnyebben hasznosíthatók, mint a régebben kivált és átkristályosodott formák.

A talaj tápanyagtartalmának legnagyobb részét a tartaléktápanyagok képezik, ezek a tápanyag-utánpótlás természetes forrásai. A tartalékok elemenként változó formában és összetételben találhatók meg a talajban, ennek megfelelően eltérő módon és mértékben mobilizálhatók.

Az összesnitrogénnek mintegy 90–95%-a szerves kötésben van jelen, amelyből a mikroszervezetek tevékenysége révén folyamatosan képződik NH4+-, illetve NO3-ion. A nitrogéntartalék másik része a szilikátok kristályrácsában található NH4+-ion formában, részaránya az agyagtartalomtól és az agyag minőségétől függ. A fixált ammóniumionok mennyisége általában az illitekben a legnagyobb, elérheti az összes nitrogén 10–15%-át. A foszfornak mintegy 50%-a van szerves kötésben, amelyből a szerves anyag ásványosodása során képződnek oldható foszforvegyületek. A másik 50% nagy része nehezen oldható foszforvegyület, apatitok és különböző kalcium-, alumínium-, vas-foszfátok, amelyek elsősorban kémiai folyamatokban alakulhatnak át. A káliumtartalékok különböző szilikátokban találhatók, és így a fizikai és kémiai mállással válnak a növények számára hasznosíthatóvá.

A felsorolt tápanyagformák együttesen képezik a talaj összes tápanyagkészletét vagy a tápanyagtőkét. Az előzőekből kitűnik, hogy a tápanyagok legnagyobb része nehezen oldható szervetlen vagy szerves vegyületek formájában van jelen a talajban. Ezek csak fizikai-kémiai mállás, illetve a szerves anyag elbontása után hozzáférhetők. A természetes tápanyag-utánpótlást tehát egyrészt a mállási folyamatok, másrészt a szerves anyagok ásványosodása, mineralizációja teszi lehetővé. Ez utóbbi a mikroszervezetek közreműködésével játszódik le. A talajokban – a nehezen oldható készletek mobilizációjával párhuzamosan – mindig előfordulhat tápanyag-lekötődés is.

A tápanyagok különböző formái állandó változásban, átalakulásban s ennek következtében dinamikus egyensúlyban vannak. A dinamikus egyensúly biztosítja a talaj tápanyag-pufferoló képességét, amin azt értjük, hogy a talajoldatban az egyes tápelemek koncentrációja bizonyos határok között állandó értéken marad, függetlenül attól, hogy a növények tápanyagot vesznek fel, illetve a trágyákkal tápanyagokat viszünk a talajba.

A talajok tápanyag-szolgáltatása a tartalékformák átalakulási sebességével jellemezhető.

Ha A-val jelöljük a tápelemek mobilizálható, B-vel pedig a közvetlenül felvehető formákat, akkor az alábbi átalakulások mehetnek végbe, míg az egyensúly be nem áll:

v 1

[A] [B].

v 2

Vagyis az átalakulás reverzíbilis. A talaj tápanyag-szolgáltató képességét a v1 sebességű folyamat, a tápanyag-lekötődést pedig az ellenkező irányú (v2) folyamat határozza meg. Egyensúlyi állapotban v1 = v2.

A növények ellátásának alapvető feltétele, hogy a következő egyenlőség, illetve egyenlőtlenség fennálljon:

[A] + [B] >‗ [C],

ahol: [A], [B] = a talaj tápelemtartalma az adott talajrétegben (kg/ha),

[C] = a növény tápelemszükséglete (kg/ha).

Fentiekből következik, hogy a talajok tápanyag-szolgáltató képességének jellemzésére a könnyen oldható tápelemtartalmon kívül ismernünk kell a mobilizálható készleteket is.

A talajban lejátszódó folyamatokra a növények tápanyagfelvétele is hatással van (20. ábra). Az ábrán a növény tápelemfelvételét a talajoldatba nyúló lopó jelképezi. A növény–talaj kapcsolat statikus modelljét az ábra (a) része, dinamikus modelljét a (b) része szemlélteti. A statikus modell nem veszi figyelembe a növény tápelemfelvételének ütemét és a talajban lejátszódó folyamatok sebességét, a dinamikus modell erre is kiterjed.

20. ábra - A tápanyag-szolgáltatás modelljei a) statikus, b) kinetikus (Buzás 1987)

kepek/20abra.png


Az agrokémiai kutatások egyik fontos feladata a tápelem-felvételi dinamika tanulmányozása, illetve meghatározása különböző növényfajokra, továbbá a talajban lejátszódó átalakulások sebességének közelítő becslése. Pontos meghatározásuk még modellkísérletekben is nehéz, mivel sok tényezőtől függenek.

Kérdések

1. Mi az egyes tápanyagformák jelentősége a növények táplálásában?

2. Mit nevezünk könnyen oldható, kicserélhető, biológiailag kötött, az agyagásványok rétegrácsai között fixált, illetve kémiailag kötött tápelemeknek? Jellemezze az egyes formákat!

3. Melyek a tartaléktápanyagok, és miben különböznek egymástól a nitrogén-, foszfor-, káliumtartalékok?

4. Mit nevezünk tápanyag-pufferoló képességnek, és hogyan jellemezhető a talajok tápanyag-szolgáltató képessége?

5. Mi a szerepe, jelentősége a talajban végbemenő átalakulási folyamatoknak a növények táplálkozása szempontjából? Jellemezze a statikus és dinamikus modellt!

A talaj tápanyagkészletének változása

A talajok tápanyagkészlete állandóan változik. A termésekkel évről évre jelentős mennyiségű tápanyagot vonunk el, a tápanyagok kimosódása és esetenként a denitrifikáció ugyancsak veszteséget okozhat. E veszteségeket kell a műtrágyázással és szerves trágyákkal pótolnunk, ezért beszélünk tápanyag-utánpótlásról. A talaj tápanyagkészletét gazdagíthatja még a mikroszervezetek nitrogénkötése, a csapadékkal a talajba jutó tápanyag. A felső talajrétegek tápelemtartalmát ezenkívül a talajvízből kapillárisan felemelkedő tápelemek növelhetik.

A terméssel elvont tápanyagmennyiség a termés nagyságától és a terméssel kivont úgynevezett fajlagos tápelemtartalomtól függ. Nagyságát kg/t vagy kg/10 t egységben adjuk meg. Tájékoztatásul közöljük Sarkadi adatait, amelyek alapján a különböző kultúrák fő- és melléktermésével kivont nitrogén-, foszfor- és káliummennyiség becsülhető (26. táblázat). Búzával pl. 5 t/ha termés esetén mintegy 125 kg N, 50 kg P2O5 és 90 kg K2O hatóanyagot vonunk el a talajból. A kapásnövényekkel, szálastakarmányokkal általában többet.

26. táblázat - Néhány fontosabb szántóföldi növény átlagos tápanyagigénye (Sarkadi 1957)

Növény, növénycsoport

A főtermés egysége

N

P2O5

K2O

kg/főtermés egység

Őszi búza (intenzív)

1 t szem

25

10

18

Rozs

1 t szem

26

11

24

Rizs

1 t szem

22

10

20

Őszi árpa

1 t szem

27

10

26

Tavaszi árpa

1 t szem

24

10

22

Zab

1 t szem

27

10

25

Kukorica (hibrid)

1 t szem

22

9

20

Hüvelyesek

1 t szem

60*

15

40

Napraforgó

1 t szem

50

20

150

Repce

1 t szem

50

25

40

Olajlen

1 t szem

50

20

30

Mák

1 t szem

55

20

50

Cukorrépa

10 t gyökér

40

15

60

Takarmányrépa

10 t gyökér

30

10

50

Burgonya

10 t gumó

60

20

90

Burgonya (intenzív)

10 t gumó

40

15

60

Rostkender

1 t kóró

15

6

18

Rostlen

1 t kóró

12

6

10

Dohány

1 t levél

45

15

80

Évelő pillangós

1 t széna

25*

7

20

Rét, legelő

1 t széna

17

6

20

Silókukorica

10 t zöld

25

10

35

Egyéb szálas takarmány

10 t zöld

15–(50)*

12

40

* a nitrogénigény egy részét a nitrogénkötő mikroorganizmusok fedezik


A tápanyagok kimosódásának mértéke függ a talajon átszivárgó víz mennyiségétől, a talaj tápanyagtartalmától és ennek oldhatóságától, az adszorbeált kationok kötéserősségétől, a mikrobiológiai folyamatok intenzitásától, a talaj kötöttségétől és egyéb tényezőktől. Ennek következtében egy-egy tápanyag kimosódási vesztesége széles határok között változhat (27. táblázat).

27. táblázat - A tápanyagok kimosódása különböző talajokon (kg/ha/év) (Vömel 1965/66 szerint)

Talaj

N

K

Na

Ca

Mg

Homok

12–52

7–17

9–52

110–300

17–43

Vályog

9–44

3– 8

11–45

21–176

9–61

Lösz

0–27

0–14

1–69

0–242

0–37

Agyag

5–44

3–8

9–42

72–341

10–54


A kationok közül a kalcium és magnézium mosódik ki legnagyobb mértékben. A kalcium- és magnéziumveszteség meghaladja a terméssel kivont értéket. A kalcium és magnézium kimosódása az adszorbeált kationtartalommal arányos.

A nátrium viszonylag erőteljes kimosódása azzal függ össze, hogy a Na+ kisebb erővel kötődik a talajkolloidokhoz, mint a Ca2+ és a Mg2+. A káliumkimosódás függ a káliumtrágyázás mértékétől és az agyagtartalomtól; kötött talajokon csekély, homokon nagyobb.

A nitrogén kimosódása elsősorban a csapadékos évszakokban következik be nitrát formában. A nitrátveszteség erősen függ a trágyázás mértékétől, a nitrifikáció ütemétől és a talaj mechanikai összetételétől. Kötött talajokon mérsékeltebb, mint pl. homokon.

A foszforvegyületek kis oldhatósága következtében a foszfor nem mosódik ki számottevő mennyiségben.

Lejtős területeken jelentős tápanyagveszteség léphet fel erózió következtében. A tápanyagban gazdag talaj, illetve az oldható tápanyagok a magasabban fekvő részekről a mélyebb részekre mosódnak le.

A denitrifikáció levegőtlen viszonyok között játszódik le: a NO3-N molekuláris nitrogénné redukálódik, így a talajban nitrogénveszteség jön létre.

A talaj tápanyagkészletét növeli a különböző mikroszervezetek nitrogénkötése (lásd nitrogén-körforgalom).

A csapadékkal a talajba jutó tápanyagmennyiségek becslésére világszerte sok mérést végeztek, az adatok tág határok között ingadoznak. Átlagos mennyiségük (kg/ha/év):

– N = 20–30, a trópusokon 25–60,

– S = 10–50,

– Ca = 5–40,

– Mg = 2–6,

– Na = 1–10,

– K = 2–6,

– P = 0,2–2.

Egyes elemek az iparvidékek, illetve a tengerek közelében a megadottnál nagyobb mennyiségben is előfordulhatnak a csapadékban.

Kérdések

1. Milyen folyamatok hatnak a talajok tápanyagkészletére?

2. Milyen nagyságrendű a termésekkel kivont tápanyag mennyisége a gabonafélék, a kapás- és takarmánynövények esetében?

3. Milyen mennyiségű tápelem kimosódása lehetséges évente, hektáronként, mitől függ a tényleges veszteség?

4. Mennyi tápelem jut a talajba a csapadékkal évente, hektáronként?

A talajoldat összetétele, az ionok mozgása

A növények tápanyagfelvételét a talajoldat összetétele határozza meg. Az egyes elemek ionkoncentrációi között nagyságrendi különbségek lehetnek, mennyiségük a talaj kémhatásától és az adszorpciós komplexum kation-összetételétől függ. Savanyú, kilúgzott talajokon általában kisebb a tápelemek koncentrációja a talajoldatban (28. táblázat).

28. táblázat - A talajoldat tápanyag-koncentrációja (mmol)

Elem

Koncentráció-tartomány

Savanyú talajok

CaCO3-tartalmú talajok

Ca

0,5–38

 3,4

14

Mg

0,7–100

 1,9

 7

K

0,2–10

 0,7

 1

Na

0,4–150

 1,0

29

N

0,16–55

12,1

13

P

0,001–1

 0,007

 0,03

S

0,1–150

 0,5

24

Cl

0,2–230

 1,1

20


A foszforvegyületek rossz oldhatósága, lekötődése miatt a talajoldatban nagyon kicsi a foszfátionok koncentrációja. A kis foszfátkoncentráció csak úgy biztosíthatja a növények foszfátellátását, ha a vegetáció során a tápanyagfelvétel ütemének megfelelően állandóan újabb mennyiségek oldódnak a szilárd fázisból. A növények tápanyagellátása tehát nagymértékben függ az oldódási folyamatok sebességétől.

A növények tápanyagellátását nemcsak a talajoldat koncentrációja határozza meg, hanem az ionok mozgása is. A zavartalan ellátáshoz szükséges, hogy a tápelemek ionjai megfelelő ütemben jussanak a gyökér környezetébe. Az ionszállítás túlnyomórészt anyagáramlás (mass-flow) és diffúzió révén megy végbe.

Az anyagáramlás jellemzője, hogy az oldott anyagok a talajoldattal együtt mozdulnak el. A transzspiráció, illetve a növények vízfelvétele következtében a gyökér környezete elszegényedik vízben, az így létrejövő szívóerő hatására a talajoldat és vele együtt a benne oldott tápionok a gyökér irányába áramlanak. Az anyagáramlással szállított ionmennyiség a transzspiráció mértékétől, a talajok víztartalmától és a pórusok méretétől függ.

A diffúzió koncentrációkülönbségek kiegyenlítődésére meginduló ionvándorlás. Akkor jön létre, ha az anyagáramlással odaszállított ionmennyiség nem fedezi a növény szükségletét, illetve a gyökérzet aktív gócai közelében lecsökken az egyes ionok koncentrációja, és ekkor a kialakult koncentrációgradiens hatására megindul a hiányzó ion diffúziója a gyökérhez. A diffúzió megközelítőleg Fick I. törvényével írható le:

dQ dt = DA dc dx ,

ahol: Q = az A felületen t idő alatt áthaladó tápanyagmennyiség,

A = diffúziós felület,

D = diffúziós koefficiens,

c = koncentráció,

x = szállítási úthossz.

A szállított ion mennyiség a dc/dx koncentrációgradienstől, illetve a diffúziós felület (A), nagyságától függ. A felületet első közelítésben a talaj víztartalma határozza meg, de figyelembe kell vennünk azt is, hogy a diffúzió szinte csak a talajrészecskékhez lazán kötődő vízrétegekben játszódik le, az erősen kötött rétegekben alig. A diffúziós koefficiensek kisebbek a talajban, mint a tiszta sóoldatokban. Nagyságrendjük oldatokban 10–5 cm2/s. A Ca2+, Mg2+ és K+ mozgása nedves talajban 10–7 cm2/s, az erősebben kötött H2PO4, HPO42–-ionoké pedig 10–9 cm2/s értékkel jellemezhető.

Mérések és számítások alapján igazolható, hogy a talajok nagy részénél a kalciumkoncentráció olyan nagy, hogy a gabona és más kultúrák szükségletét az anyagáramlással szállított ionmennyiség fedezi. Ezzel szemben a foszfor koncentrációja a növények szükségletéhez mérten olyan kicsi, hogy az ellátást szinte kizárólag a diffúzió biztosítja. A többi tápelemnél nagyon változó a diffúzió és az anyagáramlás aránya az ionszállításban, de többnyire az anyagáramlás van túlsúlyban.

Általánosságban megállapítható, hogy a gyökerekhez szállított ionok mennyiségét alapvetően a talaj víztartalma és az ionok koncentrációja határozza meg. A mikroelemek esetében a talajoldat kis ionkoncentrációi következtében a gyökerek és a mikroszervezetek által termelt redukáló és komplexképző vegyületek is szerepet játszanak az oldhatóság növelésében és ezen keresztül a szállításban.

Kérdések

1. Mitől függ a talajoldat összetétele, milyen különbségek figyelhetők meg az egyes elemek mennyiségében savanyú és karbonátos talajokon?

2. Mi a különbség az anyagáramlás és a diffúzió között?

3. Hogy szól a Fick-törvény, és mitől függ a diffúzióval szállított ionmennyiség?

4. Mi a szerepe a diffúziónak a növények ellátásában?

A talaj kémhatása

A talajok kémhatását meghatározott arányú talaj/víz szuszpenzió pH-értékével jellemezzük. A szuszpenzió vízzel vagy különböző híg sóoldatokkal készíthető. Legismertebb a pHvíz és pHKCl érték. A talajok kémhatása közvetlenül és közvetve befolyásolja a növények növekedését és fejlődését. Közvetlen hatása a tápanyagok oldódásában és a tápanyagfelvételben érvényesül. A tápelemek oldhatóságát a pH függvényében a 21. ábra szemlélteti.

21. ábra - Tápelemek oldódása a pH függvényében (Troug 1948)

kepek/21abra.png


A növények tápanyagfelvételének a gyengén savanyú, illetve a semlegeshez közelálló kémhatás a legmegfelelőbb. A foszfátionok a savanyú talajoldatban jelenlévő vas- és alumíniumionokkal nehezen oldható vegyületeket képeznek, lúgos talajban viszont oldhatatlan kalcium-foszfátok képződnek. A lúgos kémhatás a mikrotápelemek felvétele szempontjából is kedvezőtlen, mivel a mikroelemek – a molibdén kivételével – savanyú kémhatástartományban oldódnak jobban. Az erősen savanyú kémhatás viszont toxikus mennyiségű mikrotápelem oldódásához és felvételéhez vezethet.

A kémhatás közvetett hatásaként említhető, hogy a mikroszervezetek tevékenysége is a semlegeshez közeli pH-tartományban a legkedvezőbb. A savanyú kémhatás akadályozza a nitrifikációt. Erősen savanyú közegben csökken a talajkolloidok stabilitása és a kationadszorpciós kapacitás. Ennek következtében romlik a talaj szerkezete, levegő- és vízgazdálkodása. A H+-ok kicserélik az adszorbeált fémkationok (Ca2+-, Mg2+-, K+-, Na+-ionok) egy részét, így ezek könnyebben kimosódhatnak.

A növények az erősen savanyú kémhatású talajban rosszul fejlődnek, ami részben kalciumhiánnyal, részben a toxikus hatású ionok (pl. Al3+) fokozott oldódásával magyarázható. Az Al3+-ionok csak a pH =5-nél savanyúbb talajoldatban fordulnak elő nagyobb koncentrációban, mennyiségük a pH csökkenésével exponenciálisan növekszik. Az egyes növényfajok kémhatás optimuma és tűrőképessége eltérő, a termesztés pH-határait a 22. ábra szemlélteti.

22. ábra - Kultúrnövények termesztésének pH-optimumai (Klapp 1951)

kepek/22abra.png


Savanyú kémhatást kedvelő növény pl. a csillagfürt. A rozs, burgonya, zab viszonylag széles kémhatástartományban termeszthető, de pH-optimumuk a savanyú tartományba esik. A búza kevésbé érzékeny a kémhatásra, a pH-optimuma viszont a semleges és gyengén savanyú kémhatás határán van. Az árpa, a cukorrépa és a vörös here a semlegeshez közeli tartományban fejlődik a legjobban. A lucerna, mint kifejezetten kalciumigényes növény, a gyengén lúgos talajokon hozza a legjobb termést.

A talaj nélküli termesztésben (hidropónia) a legtöbb növény 4,5–6,0 pH-tartományban nevelhető a legjobb eredménnyel. Ez is azt igazolja, hogy a talajban az egyes kultúrák fejlődésére nem a H+-koncentráció növekedése hat kedvezőtlenül, hanem ennek kísérő jelenségei. A kalciumkedvelő növényeknél pedig a kalciumkoncentráció szab határt a termesztésnek.

A talajok savanyúságának kialakulásában a képződési viszonyok (kilúgzás), az ipari és lakossági levegőszennyeződésből eredő savas esők és a műtrágyázás játszik szerepet. A műtrágyák közül leginkább az ammóniumsók és a karbamid savanyítják a talajt. Az ammóniumionok nitrifikációja során H+-ionok keletkeznek, ezért is kerülni kell a szükségesnél nagyobb ammóniumműtrágya-adagokat. A foszfor- és káliumműtrágyák savanyító hatása az előzőeknél kisebb mértékű. A savanyító hatás különösen a kolloidban szegény, kis pufferkapacitású talajokon érvényesül.

A talaj pH-pufferoló képességén a talajok kémhatás-kiegyenlítő tulajdonságát értjük. A kémhatás-kiegyenlítő képességet a szerves és szervetlen kolloidok, a szénsav és sói biztosítják. A humuszanyagok közül a humuszsavak és azok sói képeznek pufferrendszert. A gyengén humuszos homoktalajok pufferkapacitása a legkisebb.

Kérdések

1. Miben nyilvánul meg a talaj kémhatásának közvetlen és közvetett hatása a tápanyag-gazdálkodásban?

2. Milyen tényezők befolyásolják a savanyú kémhatás kialakulását?

3. Mitől függ a talajok kémhatás-kiegyenlítő képessége, mi a jelentősége?

A talaj redoxipotenciálja

A talajban számos redoxirendszer hat a növények tápanyagfelvételére és a talajéletre is. A talajok redoxiviszonyait alapvetően a pórusok levegő-víz telítettsége határozza meg, a kémhatás pedig módosítja. A pórusok telítődése vízzel redukciós viszonyokat teremt.

A talajban a különböző ionok redukciója jól definiált sorrendben követi egymást, redoxitulajdonságaiknak megfelelően. Legelőször a denitrifikációs veszteséget okozó nitrátredukció indul meg a talajban, még mielőtt az oxigén teljes mennyisége elfogyna. A folyamatban elemi nitrogén (N2), illetve NO2, NO és N2O képződik.

Alig kisebb redoxipotenciálok mellett következik be a Mn(III-IV)-oxidok redukciója Mn2+-ionná. A Fe(III)-oxidok redukciója Fe2+-ionokká csak akkor játszódik le, amikor már sem oxigén, sem NO3 nincs jelen. Ezt követi a SO42– és S2–-ionok redukciója kénhidrogénné, továbbá a HCO3-ionok átalakulása metánná, majd az egyéb anyagok redukciója.

A különböző redoxifolyamatokra jellemző, kísérletileg meghatározott és egységesen (pH = 7-re) számított redoxipotenciál-értékeket a 29. táblázatban közöljük.

29. táblázat - Redoxifolyamatok redoxipotenciál-értékei a talajban

Redoxireakció

Eh- (V)

A NO3--redukció kezdete

0,45–0,55

A Mn2+-képződés kezdete

0,35–0,45

O2 nem mutatható ki

0,33

NO3- nem mutatható ki

0,22

A Fe2+-képződés kezdete

0,14

A SO42--redukció kezdete, S2--képződés

–0,05

SO42- nem mutatható ki

–0,18


A redoxipotenciál értéke a pH emelkedésével csökken (23. ábra). A jól szellőző, savanyú talajok redoxipotenciálja nagy, elérheti a +0,8 V értéket. A levegőtlen, semleges, illetve lúgos talajokon ezzel szemben kicsi a redoxipotenciál, még negatív érték is lehet –0,35 V-ig. A redoxiviszonyok a talajban évszakonként is változnak, a különbség elérheti a 0,1–0,8 V-ot. Az ingadozás azokban a talajrétegekben a legnagyobb, amelyekben a talajvíz hatása érvényesül. A humuszban gazdag szintekben víztelítődés hatására a redoxipontenciál gyorsabban csökken, mivel itt a szervesanyag-bontó szervezetek gyorsabban felhasználják az oxigént, mint a humuszszegény talajrétegekben.

23. ábra - A talajok redoxipotenciálja és a pH-értékek közötti összefüggés; a reakcióban részt vevő anyagok aktivitása 10-5 mol/l, O2-nyomás = 1 atm (Horneman)

kepek/23abra.png


Kérdések

1. Mi határozza meg alapvetően a talajok redoxipotenciálját, mi a szerepe a tápanyag-gazdálkodásban?

2. Milyen sorrendben mennek végbe a redoxifolyamatok a potenciál csökkenésével?

3. Mekkora a redoxipotenciál értéke jól szellőző, savanyú talajon, illetve levegőtlen, semleges vagy lúgos talajon?

Az ionadszorpció és szerepe a tápanyag-gazdálkodásban

Megkülönböztetünk kation- és anionadszorpciót. A talajkolloidok felülete többnyire negatív töltésű, így elsősorban kationokat képesek megkötni. Az anionadszorpció előfeltétele a pozitív töltésű talajkolloid. A kationadszorpció a tápanyag-gazdálkodás szempontjából kedvező hatású, mivel védi a kationokat a kimosódástól, ugyanakkor a növények számára hozzáférhetőek. Az adszorbeált ionok és a talajoldat ionjai között egyensúly alakul ki. Az anionadszorpciókedvezőtlen hatású, mivel egyes anionok, pl. a foszfátionok, a növények számára hozzá nem férhető formában kötődnek le.

A kolloidok töltésének kialakulása

A kationadszorpció előfeltétele a negatív töltésű szervetlen vagy szerves kolloidok kialakulása. Negatív töltésű felületek az alábbi folyamatokban jöhetnek létre:

• a háromrétegű agyagásványokban előforduló izomorf helyettesítés (Al, illetve Si helyettesítése kisebb vegyértékű fémionnal),

• az agyagásványok törésfelületein elhelyezkedő ≡SiOH és ≡AlOH-csoportok disszociációja,

• a huminsavak karboxil- és fenolos hidroxil-csoportjainak disszociációja.

Az izomorf helyettesítés révén állandó, a disszociációs folyamatokban változó, töltések jönnek létre, mivel a disszociáció pH-függő.

A H+-koncentráció növekedése a talajban, visszaszorítja a protonleadással járó disszociációs folyamatokat:

SiOH SiO + H+

R–COOH R–COO + H+

A csökkent disszociáció savanyú talajokon a kationadszorpciós kapacitás mérséklődését eredményezi.

Az =AlOH-csoportok amfoter tulajdonságúak, gyengén lúgos vagy semleges közegben protont adnak le, savas közegben protont vesznek fel:

lúgos közeg:

=Al – OH =AlO + H+

savas közeg:

=Al – OH + H+ =AlOH+2

Az utóbbi folyamat következtében a savanyú talajokon anionadszorpció jöhet létre. A humusz kolloidok is amfoter jelleműek, mivel amino- és karboxil-csoportot tartalmaznak.

A talajokban, kolloid állapotban jelenlévő kovasavgél és fémhidroxid-gélek is képesek ionokat megkötni. Adszorpciós képességük a kolloidok öregedésével csökken.

A kovasavgélek csak kationokat kötnek meg. A vas ésaz alumínium oxid-hidroxidjai amfoter jelleműek, vagyis az izoelektromos pont közelében nincs sem kation-, sem anionmegkötő képességük. Savas közegben pozitív töltésűek, és anionmegkötésre, elsősorban foszfátion-megkötésre képesek. Lúgos közegben negatív töltés alakulhat ki, ami kationfelvételt tesz lehetővé (24. ábra). Az izoelektromos pont értéke pH = 5–9 között változhat!

24. ábra - Vas-oxihidrát felületi töltésének változása a közeg kémhatásától függően

kepek/24abra.png


A kationadszorpció törvényszerűségei

A negatív töltéssel rendelkező kolloidok vonzzák a kationokat. E vonzó hatással szemben érvényesül a Brown-féle mozgás, az ionok vizes közegben egyenletes eloszlásra törekszenek. A kationok kationfelhő alakjában helyezkednek el a felület közelében, a felülettől távolodva egyre kevesebb kation található, mivel a térerősség a távolság növekedtével csökken. Az anionok koncentrációja éppen fordítva: a felülettől távolodva növekszik.

A felületen egyensúlyi állapotban meghatározott kation/anion arány alakul ki (Gouy–Chapman-eloszlás, 25. ábra). A felülettől bizonyos távolságra – mintegy 10 nm-re – a térerő már nincs hatással az ionok eloszlására (1 nm =10–9m). Itt kezdődik az úgynevezett „külső oldat”, amelyben a kationkoncentráció megegyezik az anionkoncentrációval. Ennek megfelelően az úgynevezett „belső oldat” a felület közelében elhelyezkedő réteg, amelyben a kation- és anionkoncentráció nem egyforma.

25. ábra - A térerő és az ioneloszlás alakulása (Mengel, Kirkby 1979)

kepek/25abra.png


Donnan kísérletileg igazolta, hogy a külső és belső oldat között meghatározott egyensúly áll be. Az egyensúlyra jellemző:

• Minél nagyobb egy kation töltése, annál nagyobb mértékben halmozódik fel a belső oldatban (vegyértékhatás).

• Annál nagyobb a kationok felhalmozódása a belső térben, minél nagyobb az indiffuzíbilis anionok koncentrációja a külső tér koncentrációjához képest (koncentrációhatás).

A koncentrációhatás következtében a nagyobb töltéssel rendelkező adszorpciós felületeken (agyag-, humuszrészecskék) a többértékű kationok nagyobb mennyiségben kötődnek meg, mint az egyértékűek. Az agyagásványok közül a nagyobb adszorpciós kapacitású montmorillonit a kaolinithoz mérten viszonylag több kalciumot adszorbeál, mint káliumot:

  

agyagásványok

Ca/K arány

növekvő

adszorpciós

kapacitás

kaolinit

5,0

illit

8,1

montmorillonit

22,1

A kalcium a káliumhoz képest nagyobb mértékben adszorbeálódik híg oldatban, mint tömény oldatban (hígulási effektus). Éppen ezért ha a talajoldat esőzés vagy hóolvadás következtében felhígul, a két- és többértékű kationok nagyobb mértékben adszorbeálódnak, mint az egyértékűek. A talajoldat koncentrációjának növekedése (pl. párolgás révén) ellenkező hatású. A többértékű kationok ez esetben kisebb mértékben adszorbeálódnak. A kationarányok változását a talajnedvesség függvényében a 26. ábra szemléleti. Az említett változások tavasszal a kalcium-, magnézium-, nyáron pedig a káliumkoncentráció csökkenését okozhatja a talajoldatban.

26. ábra - Az egy- és kétértékű adszorbeált kationok arányának változása a talajnedvesség függvényében (Wiklander 1958)

kepek/26abra.png


A Donnan-eloszlás előfeltétele, hogy a belső oldat indiffuzíbilis ionjai egyenletes eloszlásúak és így az elektromos erőtér homogén legyen. Ez azonban csak akkor biztosított, ha közel helyezkednek el egymáshoz. Így pl. az agyagásványok töltéssel rendelkező rétegei között a távolság kisebb, mint 2 nm, köztük a diffuzíbilis ionok eloszlása egyenletes.

E feltételek a talajban nem mindig biztosítottak, mivel a negatív töltéssel rendelkező kolloidok egyenetlen felülete érintkezik a talajoldattal. Ilyen körülmények között a Gapon-egyenlet írja le jobban az adszorbeált és az egyensúlyi oldatban szabadon lévő ionok mennyiségi kapcsolatát.

Egy- és kétértékű ionokra:

általánosságban: a K+, Ca2+-ionok esetében:

( M e + ) a d s z ( M e 2 + ) a d s z = k ( M e + ) ( M e 2 + ) , (K+)adsz(Ca2+)adsz=k(K+)(Ca2+),

ahol: (Me+)adsz, (Me2+)adsz = adszorbeált kationmennyiség (mol),

(Me+), (Me2+) = kationkoncentráció az egyensúlyi oldatban (mol/dm3),

k = Gapon-együttható.

A Gapon-együttható(k) nem konstans, számértéke a kationok töltéssűrűségétől és esetenként a specifikus kötődési lehetőségektől függ pl. rétegrácsok felületén, a törésfelületeken vagy a rétegek között. Ezért szelektivitási együtthatónak is nevezik.

Anionadszorpció

Az anionok adszorpciója elsősorban a savanyú talajokra jellemző. Megkülönböztetünk nem specifikus és specifikus anionadszorpciót.

A nem specifikus adszorpció gyenge elektrosztatikus kötődés a talaj felületén. Előfeltétele a pozitív töltés kialakulása a talajkolloidokon. Savanyú közegben az agyagásványok törésfelületein és különösen a vas- és alumínium-oxid-hidroxidokon a Me-OH-csoportokhoz protonok kapcsolódnak, így jön létre a pozitív töltés. Az anionok elektrosztatikus megkötése hasonló a kationadszorpcióhoz: bármely anion kötődhet a pozitív töltésű felülethez, és onnan kicserélhető. A nem specifikus anionadszorpciót a koncentrációviszonyok határozzák meg. Ezzel a laza kötődéssel kapcsolódnak a klorid-, nitrát- és szulfátionok.

A specifikus anionadszorpció(kemiszorpció) ligandumcserével valósul meg. Az anionok specifikus adszorpciója során az anionok a Coulomb-erőknél nagyobb kötési energiával kapcsolódnak a felülethez, és így a növény számára nem felvehetők.

Az egyes anionoknak különböző az affinitása a kötéshelyekhez. Így pl. a foszfát-, molibdenát-, szilikát- és arzenátionok erősen, a borát- és szulfátionok pedig csak lazán kötődnek a kolloidokhoz. A klorid- és nitrátionok nem kötődnek specifikusan.

Különösen erős a foszfátionok kötődése. Feltételezik, hogy a foszfátionok a vas- és alumínium-oxid-hidroxidok koordinációs szférájába képesek beépülni OH-, illetve OH2-ligandumok kiszorításával. Ennek következtében egy vagy több vas-, illetve alumíniumatomhoz is kötődhetnek az (1) és (2) reakcióegyenlet szerint:

Az anionadszorpció függését a pH-tól és az agyagminőségtől a 27. ábrán szemléltetjük. Látható, hogy a foszfátionok mennyivel nagyobb mértékben kötődnek, mint a szulfát- és kloridionok, továbbá hogy a foszfátionok még a semleges pH-tartományban is jelentős mennyiségben lekötődnek. A kaolinitos agyagfrakció nagyobb mennyiségű foszfátiont köt meg, mint a szmektites.

27. ábra - Az anionadszorpció és a pH kapcsolata (Scheffer, Schachtschabel 1979)

kepek/27abra.png


Az anionadszorpció mértéke talajonként változó, általánosságban a következő sorrend adható meg:

foszfát > arzenát > szilikát > molibdenát > > szulfát > klorid = nitrát.

Kérdések

1. Melyek az ionadszorpció előfeltételei, hogyan jönnek létre a negatív, illetve pozitív töltésfelületek a talajban?

2. Mi jellemzi a Gouy–Chapman-eloszlást, mi határozza meg a külső és belső oldat határát?

3. Mit értünk vegyértékhatás, illetve koncentrációhatás alatt?

4. Mit eredményez a talajoldat hígulása, illetve töményedése az adszorbeált kationok arányaiban?

5. Hogyan írja le a Gapon-egyenlet az adszorbeált és az egyensúlyi talajoldatban jelenlévő ionok kapcsolatát; mit kell tudni a Gapon-együtthatóról?

6. Mi jellemzi a nem specifikus anionadszorpciót, milyen ionok kötődnek nem specifikusan?

7. Hogy jön létre a specifikus anionadszorpció, milyen a kötés erőssége, és melyek azok az ionok, amelyek ezzel a kötéssel kötődnek a talajkolloidok felületéhez?