Середній елементний склад метрового шару деяких ґрунтів, % на абсолютно суху наважку

Ґрунти	O	H	C	N	P	S	Si	Al	Fe	Ti	Mn	Ca	Mg	K	Na
гумусу	карбонатів
Торфовища	36,86	5,33	53,33	Немає	1,90	0,20	0,24	1,00	0,12	0,50	-	0,05	1,20	0,13	0,30	0,07
Підзолисті: суглинкові супіщані піщані
49,60	0,06	0,66	Немає	0,08	0,05	0,03	34,86	6,33	3,02	0,28	0,20	0,78	0,72	2,04	1,28
50,66	0,05	0,67	Немає	0,07	0,02	0,02	39,57	4,31	1,16	-	-	0,58	0,70	1,81	0,90
52,20	0,04	0,64	Немає	0,06	0,02	0,03	43,77	1,72	0,55	-	0,06	0,28	0,09	0,33	0,16
Сірі лісові	49,27	0,09	1,25	0,04	0,12	0,04	0,08	33,45	6,67	3,80	0,45	0,06	1,24	1,02	1,60	0,76
Рендзини	50,12	0,08	1,21	0,93	-	0,10	0,06	30,14	6,80	3,15	-	0,11	3,60	1,83	1,18	0,75
Чорноземи: вилугувані типові звичайні південні
49,90	0,17	2,36	0,10	-	0,06	0,02	31,94	6,84	3,79	0,52	0,08	1,22	0,82	1,38	0,68
48,00	0,22	3,09	0,30	-	0,10	0,14	31,28	7,09	3,71	0,36	0,16	2,00	0,97	1,71	0,83
49,30	0,15	2,05	0,48	-	0,07	0,17	31,32	6,88	3,69	0,47	0,05	2,47	1,00	1,32	0,57
49,40	0,11	1,50	0,67	-	0,05	0,05	31,80	6,65	2,94	-	0,31	3,10	0,88	1,53	0,94
Каштанові	48,85	0,08	1,15	0,86	0,12	0,07	0,19	29,90	6,53	3,64	0,51	0,18	3,70	1,09	1,58	1,06
Коричневі	49,04	0,16	2,17	0,86	-	-	0,10	30,00	6,49	3,78	0,32	0,09	3,26	0,80	1,67	1,05
Буроземи	47,93	0,11	1,59	0,25	0,15	0,06	0,15	28,89	8,23	5,77	0,38	0,17	1,98	1,08	1,41	1,09
Червоноземи	48,37	0,13	1,81	Немає	0,11	0,08	-	21,50	14,15	11,50	-	0,18	0,34	0,93	0,23	0,08
Сіроземи	50,00	0,04	0,50	1,24	0,07	0,07	0,08	25,86	7,21	3,89	-	0,20	5,04	1,44	1,80	1,16
Ґрунт у середньому	49,09	0,10	1,40	0,24	-	0,06	0,09	32,94	6,60	3,24	0,38	0,16	1,76	0,92	1,70	1,02

Рис. 2.2. Середній елементний склад метрового шару ґрунтів, % на абсолютно суху наважку (за С. А. Кудріним, 1963)

Аналіз даних середнього елементного складу метрового шару основних типів ґрунтів засвідчує, що інтервали вмісту окремих хімічних елементів є доволі широкими. Наочно це представлено у таблиці 2.4. Зокрема, вміст Si, за винятком торфовищ, змінюється від 22 до 44 %. Діапазон вмісту Алюмінію (Al) − 1-8 % (без червоноземів − 14 %), Феруму (Fe) − 0,5-6 % (без червоноземів − 12 %), Кальцію (Ca) − 0,3-5 %, Магнію (Mg) − 0,1-2 % тощо. Незважаючи на істотні коливання, вміст кожного елемента характеризується типовим діапазоном (табл. 2.4).

Таблиця 2.4

Інтервали концентрацій хімічних елементів у ґрунтах, %

Елемент	Вміст у ґрунтах	Елемент	Вміст у ґрунтах
Si	26-44	Mn	0,01- 0,3
Al	1- 8	Cорг	0,5- 4
Fe	0,5-6	N	0,05- 0,2
Ca	0,3-5	P	0,02- 0,1
K	0,2-3	S	0,02-0,2
Na	0,2-2	H	0,04-0,2
Mg	0,1- 2	Mo, Br, As, I, Pb, Co, B, Cu, Li, Ni	n∙10-4 -n∙10-3
Ti	0,2-0,5	Hg, Se	Наближено 10-6

Загалом елементний склад ґрунтів залежить від гранулометрії, типу ґрунту і генетичного горизонту, специфічних властивостей конкретного хімічного елемента. Легкі за гранулометричним складом ґрунти завжди відзначаються підвищеним вмістом Силіцію і зниженою часткою усіх інших елементів (за винятком Оксигену) − основну масу становить SiO₂. Наявність Карбону карбонатів спостерігається тільки у ґрунтах з непромивним типом водного режиму або у ґрунтах, які сформувалися на карбонатних породах. Вміст Сульфуру подібний до кількості неорганічного Карбону. Порівняно з середнім елементним складом порід, ґрунти відносно збагачені на органічний Карбон, Нітроген, Фосфор, Сульфур, тобто на біогенні елементи, які накопичуються разом з гумусом. Водночас такі елементи, як Si, Al, Fe, Mg, K, Na, майже повністю успадковані від ґрунтотворної породи і в процесі ґрунтоутворення вони перерозподіляються у профілі ґрунту.

Хімічні елементи представлені у ґрунтах великих набором їхніх хімічних сполук. Різноманітність форм сполук будь-якого з хімічних елементів є однією з найважливіших умов відносної стійкості хімічного стану ґрунтів і доступності елементів живлення рослинам.

Одним з найпоширеніших елементів ґрунту є Оксиген (≈ 50 % за масою). Він міститься у воді, оксидах, гідроксидах, первинних і вторинних мінералах, гумусових речовинах тощо. Оксиген формує найважливіші функціональні групи: карбоксили, гідрооксиди фенольні і спиртові, хінони та ін. Особливе значення для рослин, тварин і мікроорганізмів має вміст у повітрі ґрунту вільного Оксигену.

Силіцій і його сполуки (кварц, первинні і вторинні силікати та алюмосилікати) виконують конституційну роль, створюючи літогенний “скелет” ґрунту (його літоматрицю). Незважаючи на те, що сполуки Силіціуму трансформуються упродовж ґрунтоутворення, їхня домінуюча кількість у ґрунтах успадкована від ґрунтотворної породи. Найпоширенішою формою Силіціуму у ґрунтах є його діоксид SiO₂ − хімічно інертна речовина, представлена різними за окристалізованістю і гідратованістю формами. У деяких піщаних ґрунтах і їхніх горизонтах вміст SiO₂ наближається до 100 %. Вільний кремнезем у ґрунтах трапляється у вигляді кварцу SiO₂, а також у формі біогенного опалу SiO₂∙ n H₂O, фітолітів та інших сполук, наявність яких засвідчує, що SiO₂ здатний частково переходити у ґрунтовий розчин. Хімізм взаємодії SiO₂ з водою і розчинні форми літогенного Силіціуму вивчено недостатньо. Силікати і алюмосилікати представлені у ґрунтах польовими шпатами, піроксенами, амфіболами, олівінами, іншими акцесорними мінералами, а також великою групою глинистих алюмосилікатів з шаруватою структурою. Унаслідок взаємодії сполук Силіцію та органічних речовин утворюються мінералорганічні сполуки або глинногумусові комплекси, що є однією з найхарактерніших особливостей ґрунтоутворення.

Алюміній серед інших хімічних елементів посідає третє місце за вмістом, належить до типових макроелементів і відіграє важливу конституційну роль у ґрунті. Валовий вміст Al₂O₃ у ґрунтах змінюється від 1-2% до 15-20 %. Залежно від породи, характерною для Алюмінію є добре виражена концентраційна диференціація. Зокрема, в ультраосновних породах вміст Al становить у середньому 0,45 %, в осадових − 10-11 %. Отже, загальний рівень вмісту Алюмінію у ґрунтах залежить передусім від породи. На загальний фоновий рівень вмісту Алюмінію достатньо сильно впливає процес ґрунтоутворення. Встановлено, що залежно від типу ґрунту змінюється і середній вміст Al у ґрунтовій масі, і його розподіл по генетичних горизонтах. Наприклад, високий вміст Al спостерігається у буроземах (8-9 %), у червоноземах − до 14-15 % тощо. У підзолистих і дерново-підзолистих ґрунтах вміст Al в ілювіальних горизонтах у 1,5-2 рази вищий, ніж у гумусово-елювіальному та елювіальному горизонтах. Аналогічна картина спостерігається у буроземах, червоноземах тощо. Водночас у ґрунтах, де елювіально-ілювіальні процеси не виражені, Алюміній розподілений по профілю рівномірно. Сполуки Алюмінію у ґрунтах характеризуються різко відмінною розчинністю, наявністю обмінного Алюмінію у ҐВК та активною участю у формуванні потенційної кислотності. Кількість увібраного Al коливається від десятих часток до 3-10 ммоль (екв)/100 г ґрунту. Найбільш поширеними у ґрунтах є такі сполуки: оксиди і гідрооксиди Al; мінерали-солі, які містять Al; прості і комплексні сполуки Алюмінію з органічними речовинами і, нарешті, алюмосилікати. Окрім вільних оксидів і гідрооксидів Al трапляються рентгеноаморфні різновиди загального складу [ n SiO₂∙ m Al₂O₃]∙H₂O, які називають алофаноїдами або алофанами. Домінуюча частина Al у значній кількості ґрунтів представлена безводними силікатами, склад яких можна виразити загальною формулою Al₂SiO₅. У тонкодисперсних фракціях ґрунтів Al, окрім оксидів і гідрооксидів, наявний у багатьох групах глинистих мінералів (каолініту, монтморилоніту, хлориту та ін.). Велике розмаїття форм сполук Алюмінію в ґрунтах за пропозицією С. В. Зонна поділяють на такі групи: силікатний Алюміній та вільний Алюміній, який, у свою чергу, містить окристалізовані та аморфні сполуки Al. Алюміній токсичний для більшості рослин, тому його вміст у розчині ≈ 2 мг/л зумовлює погіршення розвитку кореневої системи, порушує вуглеводневий, азотний і фосфатний обмін у рослинах.

Ферум за вмістом у ґрунтах займає четверте місце після О, Si, Al. Вміст і розподіл сполук Fe у межах генетичних горизонтів або у профілі ґрунту загалом відображають напрям і особливості процесу ґрунтоутворення. Найменшим вмістом Fe (≈ 0,5 %) характеризуються торфово-болотні і піщані ґрунти. У сірих лісових ґрунтах і чорноземах кількість Fe зростає до 3-4 %, у буроземах − до 6 %, а у червоноземах сягає 11-12 %. Особливістю педохімії Феруму є нерівномірний розподіл у масі генетичних горизонтів ґрунтів. Це проявляється у формі скупчень чи новоутворень різного генезису. Надзвичайно поширеними є змішані залізисто-марганцеві конкреції і гумусово-залізисті новоутворення. Сполуки Феруму у ґрунтах є доволі багаточисельними, а їхня поведінка залежить, насамперед, від окисно-відновного режиму ґрунту. Головними джерелами Феруму у ґрунтах є залізисті силікати ґрунтотворних порід, зокрема амфіболи (рогова обманка − (Ca,Na,K)_2-3(Mg,Fe²⁺,Fe³⁺,Al)₅[(OH,F)₂(Si,Al)₂,Si₆O₂₂]), актиноліт − Ca₂(Mg,Fe²⁺)₅[(OH,F)Si₄O₁₁]₂, піроксени (енстатит − (Mg,Fe)₂[Si₂O₆], авгіт − Ca(Mg,Fe²⁺,Al)₂[(Si,Al)₂O₆], слюди, гранати тощо. В окремих випадках джерелом Феруму можуть бути сірчисті мінерали: пірит (FeS₂), халькопірит (CuFeS₂), оксиди і гідрооксиди Феруму, а також шаруваті алюмосилікати: нонтроніт, монтморилоніт, вермикуліт, хлорит. В анаеробних умовах перезволожених ґрунтів Fe може накопичуватися у складі вівіаніту Fe₃(PO₄)₂∙8H₂O і ярозиту KFe₃(SO₄)₂(OH)₆. Доведено наявність Феруму в увібраному стані та у вигляді органо-мінеральних сполук. Відомі цитратні, тартратні та інші комплексні сполуки Fe, зокрема з гумусовими кислотами. Присутність у ґрунтах таких різноманітних сполук Феруму робить недоцільним визначення окремих з них. Істотну генетичну та діагностичну інформацію дає визначення силікатних і несилікатних груп залізистих сполук. Серед несилікатних форм Fe С. В. Зонн виділяє окристалізовані і аморфні з подальшим поділом окристалізованих на сильно- і слабокристалізовані форми. Аморфні сполуки Fe поділяють на зв’язані і незв’язані з гумусом форми. Таке групування є умовним, але зручним для еколого-генетичної характеристики ґрунтів. Зокрема, за співвідношенням силікатного та несилікатного Феруму С. В. Зонн поділив ґрунти на фералітні, ферсіалітні, сіалітні. Ферум − біогенний елемент, проте його рухомість, а відтак можливість засвоєння рослинами надзвичайно залежить від кислотно-основних властивостей ґрунтів. Необхідність Феруму полягає у тому, що він міститься у ферментах і бере участь в утворенні хлорофілу. Дефіцит у ґрунті доступних форм Феруму зумовлює розвиток у рослин хлорозу (побіління листя) і зниження його продуктивності.

Отож одна частина елементів бере участь у формуванні маси ґрунту, а відтак відіграє конституційну роль, хоча вони ж є необхідними для живих організмів (Si, Al, Fe, O), інша частина істотно не впливає на властивості ґрунтової маси, проте відіграє важливу фізіологічну роль: деякі елементи можуть бути як стимуляторами фізіологічних і біохімічних процесів (Fe), так і токсичними (Al) для рослин.

За абсолютним вмістом у ґрунтах (концентраційним групуванням) усі елементи об’єднують у декілька груп. Перша група налічує Si і O, вміст яких сягає десятків відсотків, причому сумарно вони становлять 80-90 % маси ґрунту. До другої групи зачислюють елементи, вміст яких коливається від десятих часток до декількох відсотків: Al, Fe, Ca, Mg, K, Na, C. Перша і друга групи − типові макроелементи. До третьої групи належать Ti, Mn, N, P, S; їхня кількість у ґрунтах змінюється від сотих до десятих часток відсотка, і за вмістом їх зачислюють до перехідної групи між макро- і мікроелементами. Вміст мікро- та ультрамікроелементів у ґрунтах становить n ∙10^-3- n ∙10^-10 % і до них зачислюють Ba, Sr, B, Rb, Cu, V, Cr, Ni, Co, Li, Mo, Cs, Se та інші елементи. Концентраційне групування елементів є найпростішим, його застосовують, насамперед, для виявлення ролі окремих елементів у формуванні маси ґрунту.

Окрім концентраційного групування елементів у хімії ґрунтів доволі часто використовують геохімічні класифікації, які характеризують поведінку елементів у різних оболонках Землі. Наприклад, за класифікацією В. М. Гольдшмідта усі елементи поділяють на п’ять груп: літофільні, халькофільні, сидерофільні, атмофільні і біофільні. Літофільні елементи в умовах біосфери утворюють мінерали типу оксидів, гідрооксидів тощо. До них належать: Si, Ti, S, P, F, Cl, Al, Se, Na, K, Ca, Mg та інші (всього 54 елементи). Халькофіли утворюють сполуки з Сульфуром; це Cu, Zn, Pb, Cd, Ag, Mn, Fe та ін. Сидерофільні елементи розчиняються у залізистих розплавах і дають сплави з Fe; до них зачислюють Fe, Ni, Co, P, C, Pt, Au, Sn, Mo та ін. Група атмофілів налічує елементи атмосферного повітря (H, N, C, O, He, Ne, Ar, Kr, Xe, Cl, Br, I). І, нарешті, елементи, які концентруються у живих організмах, належать до групи біофілів (C, H, O, N, P, S, Cl, I, B, Ca, Mg, K, Na, V, Mn, Fe, Cu).

Певний інтерес має класифікація елементів за особливостями і шляхами їхньої міграції у ландшафтах. Відповідну класифікацію розроблено А. І. Перельманом, і у ній всі елементи поділено на дві великі групи: повітряні мігранти і водні мігранти. Повітряні мігранти містять як пасивні елементи (інертні гази He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn), так і активні, тобто ті, які утворюють хімічні сполуки в умовах біосфери (O, H, C, N, I).

Водні мігранти, за А. І. Перельманом, поділено на декілька підгруп. Критеріями виділення зазначених підгруп є рухомість елементів у природній обстановці, вплив на рухомість елементів окисно-відновних умов, наявність сірководню. До рухомих і дуже рухомих елементів зачислено Cl, Br, S, Ca, Na, Mg, Sr, Ra, F, B. Слаборухомі катіони і аніони утворюють K, Ba, Rb, Li, Be, Cs, Ti, Si, P, Ge, Sn, Sb, As. У відновному глейовому середовищі рухомими є Fe, Mn, Co. Рухомими і слаборухомими в окисній і глейовій обстановці та інертними у відновному сірководневому середовищі будуть такі елементи, як Zn, Cu, Ni, Pb, Cd. Малорухомими у більшості природних ситуацій будуть такі елементи: Al, Ti, Cr, Bi, W, лантаноїди. Проте для конкретного аналізу хімічних процесів у ґрунтах подана класифікація є недостатньою.

За ступенем біофільності А. І. Перельман розмістив хімічні елементи у такий ранжований ряд: найвищим ступенем біофільності володіє С, високим − N, H, середнім − O, Cl, S, P, B, Br та ін., низьким − Fe, Al. Групування елементів за ступенем біофільності допомагає виявити реальну участь живих організмів у міграції хімічних елементів. Властивість рослин вибірково вбирати хімічні елементи називають коефіцієнтом біологічного вбирання та обчислюють як відношення вмісту певного елемента в золі рослин до його вмісту у літосфері або у тому ґрунті, на якому ця рослина виросла. Умовність коефіцієнта біологічного вбирання (накопичення) для оцінки біогенної міграції елементів визначається неоднаковою доступністю рослинам хімічних елементів, представлених у ґрунті різними сполуками.