В даному матеріалі ми поговоримо про такий показник, як ємність катіонного обміну. Кожного разу, коли ми говоримо про ґрунт, ми повинні пам’ятати, що говоримо про його заряд.
Звідки в ґрунті з’являється заряд? Так, ми всі знаємо, що є певні елементи, (18) в ґрунті, і кожен з них має свій заряд, має свою валентність. Деякі з них позитивні, деякі мають негативний заряд. Ті елементи, які мають позитивний заряд, називаються катіонами, ті, які мають негативний заряд, називаються аніонами.
Сам по собі ґрунт заряду немає. Заряд міститься в глині та в органічній речовині. Коли багато органічної речовини і є хоча б невеликий відсоток глини, то ґрунт, як правило, має завжди від’ємний заряд.
Відтак ємність катіонного обміну, або cation exchange capacity, як часто вона позначається в лабораторних протоколах, – це про здатність ґрунту утримувати та обмінювати позитивно заряджені іони або катіони. Тобто ємність катіонного обміну, іншими словами, цей показник можна спрощено назвати «силою ґрунтового магнетизму». Він визначається як множник заряду на масу, позначається в молях (mol) або сантимолях (cmol) на кілограм ґрунту. ЄКО вираховується шляхом додавання еквівалентних зарядів позитивно заряджених катіонів.
Що це означає? Чим вищий цей показник, тим родючішим буде даний ґрунт, тим більше глини він міститиме (або більш складнішої за будовою) та органічної речовини. Будь-яка глина утримує на своїх часточках дуже велику кількість позитивно заряджених іонів.
Незважаючи на те, що глина є найменшою за розміром складовою часточкою ґрунту в фізичному розрізі, вона має найбільшу площу контакту. І залежно від типу ґрунту, вона може мати різний заряд. Так, наприклад, каолініт має ємність катіонного обміну 3-15, ілліт – 15-40, монтморилоніт, смектит – 80-100.
Але в той же час звертаємо вашу увагу, що органічна речовина та гумус мають заряд 100-500+. Тобто залежно від того, скільки відсотків у вашому ґрунті буде глини і скільки відсотків органічної речовини, формується заряд, тобто здатність вашого ґрунту працювати і обмінюватися з позитивно зарядженими іонами. Живлення ґрунту – це мова саме про оцей процес обміну.
Даний показник (ЄКО (CEC)) часто можете бачити в лабораторних протоколах. Переважна більшість лабораторій цей показник надають. Опосередковано можна зробити висновок, що чим вищий цей показник, тим більше в вашому ґрунті буде вміст калію, магнію, натрію, кальцію та інших позитивно заряджених іонів.
Ємність катіонного обміну як показник – не є хімічним показником, цев більшій мірі показник обліку. Його можна вирахувати, знаючи концентрацію у вашому ґрунті позитивно заряджених іонів. Іноді буває достатньо просто побачити або взнати ємність катіонного обміну ґрунту, щоб уже спрогнозувати, яким чином він буде «працювати», якими добривами можна користуватися, якими не варто, в яких кількостях, коли, як і так далі.
Основні відмінності ґрунту з низькою і високою ЄКО
Як правило, ґрунти з низькою ємністю катіонного обміну мають високий вміст піску та низький вміст глини, низький вміст органічної речовини. Ґрунти з низьким ЄКО мають низьку водоутримуючу здатність, вони практично не опираються зміні pH середовища. Як правило, мають низьку продуктивність. Натомість ґрунти з високим показником ЄКО мають прямо протилежні характеристики.
Схематично зображено, яким чином впливає ємність катіоного обміну на концентрацію глини та органічної речовин на ваших ґрунтах.
Якщо ми говоримо про ємність катіонного обміну, ми повинні пам’ятати про спосіб живлення рослини. Чим виступає ємність катіонного обміну з практичної сторони? З практичної сторони ємність катіонного обміну – це, по суті, поживні елементи, які захищені від промивання. Чим більша ємність, тим більша здатність для подальшого обміну.
Цей обмін залежить, звичайно, від типу глини, але основна характеристика, яка вказує нам на те, яким чином відбувається процес обміну, – це заряд елементу та його маса. Тобто залежно від розміру елементу і його заряду формується спосіб обміну між усіма компонентами ґрунту.
До тих пір, поки елементи знаходяться закріплені на ґрунтових колоїдах, вони не доступні для рослини. Доступними вони стають тільки після того, як переходять в ґрунтовий розчин. І наша задача – зрозуміти, яким чином ми можемо керувати цим процесом, тобто яким чином ми можемо управляти елементами на закріплених ґрунтових колоїдах і переводити їх в ґрунтовий розчин.
Наприклад, позитивно заряджені іони тримаються міцно в ґрунті, оскільки вони мають позитивний заряд, а ґрунт і часточки глини, як правило, від’ємно заряджені. Вони притягуються. Чим більший розмір якогось елементу і менший заряд, тим легше його запустити в ґрунтовий розчин, де він стане доступним і для рослин, і для бактерій, для всіх інших організмів.
Якщо ми подивимося зараз на рисунок, то буде видно, що, наприклад, калій, який має один позитивний заряд і досить великий за розміром відірвати дуже легко. Натомість кальцій, він трошки менший і вже має два позитивних заряди, тобто він тримається сильніше.
В той самий час тривалентне залізо тримається ще міцніше, алюміній тримається ще міцніше і так далі. Тобто чим менший за розміром елемент і чим вище в нього заряд, тим міцніше він буде триматися за ґрунт. І ми цим можемо користатися.
Наприклад, від’ємно заряджені елементи, такі як фтор, хлор, сірка, вони мають від’ємний заряд і в ґрунті не тримаються. Це до питання, які елементи мають схильність до промивання. Наша задача – зрозуміти, яким чином буде відбуватися цей обмін. Обмін буде різним на важчих і легших ґрунтах.
На рисунку видно, що на ґрунтах, які мають високу концентрацію і вміст глини, обміну буде більше, але він буде відбуватись повільніше. Тобто буде йти повільніша віддача елементів живлення. І зусиль нам необхідно докладати більших для того, щоб забрати у цього потужного і міцного магнетичного ґрунту елементи, ніж, наприклад, у легшого супіщаного ґрунту.
Саме цим пояснюється особливість піску. Його часто недооцінюють. На піску всі процеси по обміну не такі об’ємні порівняно з обміном, наприклад, на важчих ґрунтах з більшим вмістом органічної речовини чи глини, але вони відбуваються досить швидко і реактивно. Тобто відгук на роботу, наприклад, з добривами на піщаних ґрунтах ми побачимо з більшою ймовірністю, ніж на ґрунтах важчих.
Для прикладу, коли ми вносимо умовні 90 кг калію в ґрунт, ми сподіваємось, що всі ці 90 кг одразу рослина буде споживати. Насправді відбувається інакше. Наприклад, на фазі обміну у нас будуть певні елементи, припустимо 13 кальцію з подвійним зарядом, 4 магнію з подвійним зарядом, 2 калію з одним зарядом і 6 водню з одним зарядом.
Що відбувається в ґрунті? Ці 90 кг калію починають вибивати із фази обміну ту саму кількість, наприклад, так само 90 кг, але вже інших елементів. Тобто два заряди калію здатні вибити з обміну один заряд кальцію. Два заряди калію вибиває один заряд магнію. І це ті елементи, які потрапляють в розчин. Тобто, після внесення добрива ми не отримуємо просто 90 кг калію, якими буде живитися рослина. Ми, вносячи калій, даємо в ґрунт ще кальцій, водень і магній.
Ми вже можемо стверджувати, що двох однакових полів не буде, і в жодному разі не варто дублювати або повторювати за кимось його успішний досвід. На вашому полі це може не спрацювати або навіть нашкодити.
Необхідно пам’ятати, що такі елементи, як калій, магній, кальцій, натрій – обмінні. Якщо про всі інші елементи, наприклад позитивно заряджені, ми можемо сказати, що вони доступні, то ці чотири елементи – вони обмінні. Це не означає гарантованої доступності. Нам ще необхідно примусити їх «мінятися». І ефективність обміну буде залежати якраз від нашого вміння використати цю особливість.
Наприклад, згідно лабораторного протоколу поле має низьку ємність катіонного обміну – 3,3, має 146 мг кальцію на кілограм, що дуже мало, і має 65 мг калію на кілограм.
Якби стояв вибір використати якийсь один елемент, наприклад, для отримання розрахункової врожайності соняшника, то перше, чим би я працював, незважаючи на низький вміст калію в ґрунті – кальцієм. Чому кальцієм? Тому що ми його зможемо внести більше, це вплине позитивно на рівень нашої кислотності в ґрунті локально і хоча б на короткий проміжок часу. За допомогою цього двовалентного кальцію ми зможемо вибити з обміну достатню кількість калію, який буде необхідний для нашої культури.
Тобто, розуміючи протоколи, розуміючи принцип роботи елементів, як вони працюють в обміні, ми можемо робити реальні робочі рекомендації.
Ще одне практичне використання показника ЄКО. Дослідним методами встановлено, що цей показник відповідає за максимально допустиму норму внесення азотних добрив під заплановані агротехнічні операції. Так, якщо наше поле має показник ємності катіонного обміну 5, це означає, що ґрунт може утримати максимально 50 кг азоту в діючій речовині. Це буде легкий ґрунт, як правило піщаний, можливо схильний до промивання, принаймні не зможе утримати більшу кількість, ніж 50 кг на гектар.
Але тут ще треба враховувати і кількість азоту, яка вже є в ґрунті. Тобто якщо ми маємо ґрунт з ємністю катіонного обміну 5 і в ньому приблизно 30-35 кг азоту, то максимум, що ми можемо внести, це 15 кг – для того щоб принаймні в найближчому майбутньому, 3-4 тижні, ми використали внесений азот якомога ефективніше. Тобто всього лише 15 кг діючої речовини. І цим правилом користуватися можна досить успішно.
