Топырақтың биологиялық физика-химиялық қасиеттері

Топырақтардың физикалық-механикалық қасиеттері оны құрайтын компоненттердің құрамы мен қасиеттеріне, мөлшерлік ара-қатынасына және әрекеттестігіне туәелді болады. Табиғи топырақтар құрамына алуан-түрлі компоненттер кіреді, оларды қарастырғанда келесі үш топқа топтастыруға болады: қатты, сұйык және газ түрінде.

Қатты компоненттерге пішіні мен өлшемі ерекше әр алуан түрлі минералдардың бөлшектері жатады. Қатты бөлшектер төрт фракцияға бөлінеді: малтатасты, құмдақ, шаңды, балшықты. Олардың өлшемдері 2-40мм, 0,05-2мм, 0,001-0,05мм, 0,001мм-ден төмен сипатталады. Сұйық компонент-топырақ кеуектерінде болатын әр түрлі күйдегі (бу, сұйық, қатты) су. Топырақ құрамындағы су байланысқан және бос болып бөлінеді. Топырақтың құрылыстық қасиеттеріне олардың құрылымы мен текстурпасы үлкен әсер етеді. Табиғи жағдайда жатқан топырақты өңдеген кезде ол өлшемі мен пішіні алуан түрлі кесектерге және қатты бөлшектермен сипатталады.

 Топырақтың биологиялық қасиеті. Топырақ түзілуде өсімдіктер-мен қатар, микроағзалар мен жануарлардың алатын орны зор. Топырақ микрофлорасы. Аналық тау жынысында бірінші орналасып тіршілік ететін тірі ағзалар микроағзалар болып табылады және олар топырақты құнарлы ететін ағзалар тобына жатады. Олар атмосфера азотын сіңіреді де, оны күрделі ақуыз (белок) денесіне айналдырады, органикалық қалдықтарды ыдыратады және оларды өсімдік сіңіре алатын қарапайым тұз күйіне дейін минералдайды. Сондай –ақ, микроағзалар қарашірік түзуге, көптеген минералдарды синтездеуге, бұзуға қатысады.

Топырақта бактериялар, саңырауқұлақтар, актиномицеттер және балдырлар сияқты әр түрлі микроағзалар өмір сүреді. О лардың саны өте көп.Мысалы, олардың 1 г құнарлы топырақтағы саны миллионнан миллиардқа дейін жетеді.

Бактериялар- топырақта ең көп тараған микроағзалар тобы. Қоректендіру жағдайына қарай олар гетеротрофты және антотрофты болып екі топқа бөлінеді. Гетеротрофты бактериялардың бейорганикалық заттарды органикалық заттарға айналдыру қабілеті жоқ, сондықтан олар дайын органикалық қосылыстармен қоректенеді.Антотрофты бактериялар органикалық заттарды өздері синтездеп алады. Т опырақта бос олттегіні пайдаланатын аэробты бактериялар және оттегісіз тіршілік етіп, көбеюге қабілетті анаэробты бактериялар болады. Бактериялар топырақта органикалық және минералды қосылыстарды ыдыратуда әртүрлі рөл атқарады.

Актиномициттер, кейде оларды сәулелі саңырауқұлаұқтар деп те атайды. О лар топырақтағы шіріген заттарды, жасұнықтарды (клечаткаларды) ыдыратады. Актиномициттер құнарлы, органикалық заттарға бай, бейтарап реакциялы топырақта жақсы дамиды.

Саңырауқұлақтар-жіпше тәрізді гетеротрофты ағзалар, олар топырақта көптеп кездеседі.Мысалы, 1 г жердегі олардың саны 1 млн-ға дейін жетеді.Олар органикалық заттарды минералдандыруға және гумификациялауға белсенді қатысады. Топырақ саңырауқұлаұ\қтары арасында патогендер де кездеседі. Олар әр түрлі аурулар қоздырады. Саңырауқұлақтың жоғары сатыдағы көптеген түрі өсімдіктермен симбиозда болады да, олардың қоректенуін жақсартады.

Балдырлар – топырақтың барлық түрлерінің жоғарғы қабатында тараған. Олардың жасушасында хлорофилл бар , сондықтан көмірқышқылын сіңіріп, топыраққа оттегін бөліп шығарады.Бактериялардың шамадан тыс көбеюі «топырақтың гүлдену» құбылысына әкеліп соқтырады. Қыналар- саңырауқұлақтар мен балдырлардан тұрады.

Саңырауқұлақтар балдырларды сумен және онда еріген минералды заттармн қамтамасыз етеді, ал балдырлар саңырауқұлаққа олар пайдаланатын көміртегін синтездейді. Қыналар алғашқы топырақ түзілуге және биологиялық мүжілудің жылдам жүруіне көмектеседі.

 Топырақтың химиялық қасиеттері.  Топырақтың химиялық құрамы күрделі, өйткені оған 40-тан аса әр түррлі химиялық элементтер кіреді. Өсімдіктер қоректену үшін оларға макро (көміртегі, оттегі, сутегі, азот, алюминий, темір, кальций, магний, калий, натрий, күкірт, фосфор) және микроэлементтер (йод, бром, марганец, молибден және басқалар) керек.  Бұл элементтер топырақ құрамында әр түрлі фориада болады және олардың көпшілігі органикалық заттардың  немесе минералдардың  да құрамына болуы мүмкін.  Тек азот пен көміртегі ғана минералдар құрамына кірмейді, олар органикалық және органо-минералдық қосылыстар болып табылады.

Топырақтың көптеген қасиеттерінің ішінен оның құнарлылығын көрсететін және ауылшаруашылық дақылдарының өнімдеріне тікелей ықпал ететін агрохимиялық көрсеткіштерін, яғни топырақтың қышқылдық дәрежесін (рН) , қарашіріктің , азоттың, фосфордың және калийдің қорларын атауға болады.

Топырақ құнарлылығының негізгі көрсеткіштерінің бірі-оның қарашірігінің (гумусының) мөлшері. Ол Қазақстан топырағында 1-3 пайыздан (сұр топырақ), 6-8 пайызға (қара топырақ) дейін ауытқиды. Ауыл шаруашылығында жоғары өнім алу үшін үш элементті, яғни, азотты, фосфорды және калийді қолданады. Сондықтан, егіншілікке азотты, фосфорлы және калийлі тыңайтқыштар пайдаланылады.Қазақстан топырағы калийге бай, азотпен орташа қамтамасыз етілген, ал фосфор жеткіліксіз.

 Топырақтың физикалық қасиеттері. Топырақ табиғи дене болғандықтан, ол белгілі физикалық қасиеттермен ерекшеленеді.  Топырақтың физикалық қасиеттеріне оның тығыздылығы, көлемдік массасы және қуыстылығы жатады. Топырақтың тығыздылығы деп оның қатты фазасы массасының 4 С-тағы судың сондай көлемдегі массасына қатынасын айтады.

Негізінен топырақтың тығыздылығы оның қатты фазасы құрамындағы минералдық және органикалық бөлшектер мөлшерінің арақатынасына тікелей байланысты.  Егер топырақта қарашірік көп болса, онда қатты фазаның тығыздылығы төмен болады. Құмды топырақтың қатты фазасының тығыздылығы -2,70 г/см, қара топырақтікі-2,37 г/см, ауыр сазды топырақтікі-2,67 г/см болады.

Топырақ тығыздылығының жоғары болуы тамырдың  төмен бойлап өсуіне, тұқымның көктеп өсуіп шығуына кедергі жасайды. Топырақ тығыздылығының ең қолайлы мөлшері өсімдіктің биологиялық  ерекшелігіне байланысты өзгеріп отырады. Топырақ тығыздығының шамадан тыс жоғары болуынан ауылшаруашылық дақылдарының өнімі төмендейді.

Сонымен бірге топырақ тығыздылығы ондағы органикалық заттардың мөлшеріне байланысты, себебі олардың тығыздылығы 1,25 г/см,-ден 1,80 г/см –ге дейін болса, ал минералдарда бұл көрсеткіштер 2,3 г/см –ден 3,0 г/см-ге дейін ауытқиды. Яғни, топырақта органикалық зат көп боған сайын , оның тығыздылығы төмендейді. Мысалы, қара шірігі мол қара топырақтың тығыздылығы 2,37 г/см. Топырақ тығыздылығына оның гранулометриялық құрамы, құрылымы үлкен әсер етеді.

Топырақтардың көлемдік массасы. Табиғи күйдегі 1 см абсолютті құрғақ топырақтың массасын оның көлемдік массасы дейміз. Топырақтың көлемдік массасы оның тығыздылығынан әрқашан кем болады, әйткені топырақ түйіршіктерінің арасындағы ауаның тығыздылығы өте төмен. Көптеген дақылдар (дәнді, отамалы) үшін топырақтың  қолайлы көлемдік массасы 0,9-1,2 г/см аралығында болады.

Топырақтың қуыстылығы немесе кеуектілігі-деп топырақтың жалпы көлеміне пайыз есебімен алынған қуыстылықтар  көлемінің жиынтығын айтады. Жалпы қуыстылықтар топырақтың гранулометриялық құрамына, қарашіріктің мөлшеріне, топырақ қабаты мен құрылым күйіне байланысты. Топырақтың үстіңгі қабатында қуыстылық  50-60 %-ға дейін, ал төменгі сазды және балшықты қабатында 35-49%, құмды қабатында 30-35%-ға тең.

Топырақта екі түрлі, яғни капиллярлық және капиллярлық емес қуыстылықтар болады. Әдетте капиллярлық қуыстылық (майда қуыстар) суға толып тұрады, ал ірі қуыстарда, яғни капиллярлық емес қуыстылықта ауа болады. Топырақтың қуыстылығы оның жалпы көлемінің 50-55 пайызына, ал капиллярлық және капиллярлық емес қуыстылықтардың арақатынасы 1:1 тең болғанда, өсімдіктер үшін топырақта ең қолайлы ауа ылғалдылық режимі қалыптасады.

Топырақтың физикалық-механикалық қасиеттеріне оның созымдылығы, ісінуі,шегуі,байланыстылығы,жабысқақтығы, физикалық «пісуі» жатады. Тұқымның бөртіп өнуі, өсімдік тамырының төмен қарай бойлап өсуі, топырақ пенг атмосфераның арасында газ алмасу, жер өңдеу сапасы топырақтың физикалық-химиялық қасиеттеріне тікелей байланысты.

Топырақтың созымдылығы деп оның сыртқы күштің әсерінен өзінің пішінін өзгертуін және оны ұзақ уақыт сақтай алатын қабілетін айтамыз.

Топырақтың ісінуі деп оның ылғалдану нәтижесінде көлемін ұлғайтуын айтамыз, ал, керісінше, топырақ кепкенде өзінің көлемін кішірейтуін топырақтың шөгуі деп атайды.

Топырақ түйіршіктерін бір-бірінен ажыратуға әсер ететін сыртқы механикалық күштің әсеріне топырақтың  қарсы тұра алатын қасиетін оның байланыстылығы дейді. Жер өңдеу құралдарының жұмыс органдарына немесе басқа заттарға топырақтың жабысу  қабілетін оның жабысқақатығы деп атайды.

Топырақтың физикалық «пісіп-жетілуі» деп оның өңдеуге дайын болған кезін, яғни, топырақтың кеберсіп, оны өңдейтін  құралдардың жұмыс органдарына жабыспайтын жағдайын айтады. Піскен топырақ жеңіл өңделеді, құралға жабыспайды, кесекке айналмайды және т.б.

Топырақ қабыршағы. Қар ерігенде, жауған сел жаңбырдан, немесе жерді суарғаннан кейін топырақ кеберсігенде оның бетінде қабыршақ түзіледі. Ол, әсіресе, балшықты және майдаланып үгілген құрылымсыз топырақтарда пайда болады. Қабыршақ пайда болған топырақта газ алмасу нашарлайды, одан булану нәтижесінде  ылғал көп мөлшерде жоғалады, тұқымның көктеп шығуы қиындайды, соның әсерінен өсімдіктер сирейді.

Жерді жылдан-жылға бір тереңдікке жырта берсе, соқаның табанымен топырақ нығыздалып, оның төменгі қабатында «соқа табаны» деп аталатын қабат пайда болады. Ол өте тығыз, қатты қабат болғандықтан, өсімдіктер тамырларының, ауаның, ылғалдың төмен қарай жылжуына кедергі келтіреді. Сондықтан да топырақта осындай «соқаның табаны» пайда болмас үшін жерді жырту бағыты мен топырақтың өңделу тереңдігін өзгертіп отыру қажет.

Адамның жерді өңдеуінің  нәтижесінде, топырақ құрғақта, ылғалды  да құнарлы не құнарсыз да болуы мүмкін. Бірақ, қандай жағдайда да тегі әр түрлі минералды және органикалық бөлшектерден тұрады. Қабат-қабат болып жатқан бөлшектердің аралығында ауа, су және көптеген организмдер толы саңылаулар болады. Осы бөлшектердің үлкен-кішілігіне қарай ірі және ұсақ түйірлі топырақ деп бөлінеді. Ұсақ түйірлі топырақтар саңылаулығы ірі түйірлі топыраққа қарағанда жоғары болады. Егер ұсақ түйірлі топырақ саңылаулығы 85 пайызға жетсе, ірі түйірлі топырақ саңылаулығы 30 пайыздан кем.

Саңылаулықтың санитариялық мәні зор. Мәселен, жекелеген саңылау көлемі мен топырақ бөлшектерінің көлемі үлкен болған сайын ауа және су жақсы өтеді. Дәлірек айтқанда, ірі түйірлі құмдақ топырақтың су өткізгіштігі ұсақ түйірлі сазды топыраққа қарағанда көп есе артық. Ірі түйірлі топырақтан белгілі бір уақыт өлшемінде ұсақ түйірлі топыраққа қарағанда ауа көптеген есе көп өтеді.Топырақ саңылауы 60-65 пайыз болса онда биологиялық және химиялық ластанудан өздігінен тазару процестері үшін қолайлы жағдай туады.  Топырақтың ылғал тартқыштық қасиеті. Топырақ түйірлерінің беткейі ауадағы су буын, яғни ылғалдылығьш тартатын әрі топырақ саңылауларында кептіретін қабілеті бар үлкен жазықтықты құрайды. Топырақ қаншалықты ұсақ түйірлі болса, оның ылғал тартқыштығы соншалықты жоғары болады. Сондай-ақ, топырақта шірінді және коллоидты заттар көп болса да және ауаның атмосфералық ылғалдылығы жоғары болса да өседі. Органикалық заттармен ластанған сазды топырақтың да ылғал тартқыштықтары жоғары келеді.Топырақтың коллоидты заттары суды өзіне ең көп сіңіреді. Фермалардың ластанбаған территориялары мен шаруашылықтардың жайылымдық учаскелерінің ірі түйірлі топырақтарының ылғал тартқыштығы өте аз.

Топырақтың булану қабілеті қаншалықты нашар болса, оның құрамындағы  ылғал да соншалықты көп ұсталады. Сөйтіп, ол анағұрлым сызды болады. Мысалы, ұсақ түйірлі өсімдік аз шығатын, күн сәулесі нашарлау түсетін сұр (боз) топырақта ірі түйірлі топыраққа қарағанда ылғал тартқыш қабілетін арттыратын еріген тұздар болса, ауа ылғалды келсе, жауын-шашын және қар суы топырақты шайып жатса топырақ бетінде ылғалдың булану деңгейі төмендейді.

Топырақтың ауа өткізгіштігі деп — топырақтың өз бойынан ауа өткізу қабілетін айтады. Ауа топырақтың су болмаған саңылауында, ал сіңірілген күйінде топырақ бөлшектерінің құрамында болады. Сонымен, жер асты суында ауа еріген күйінде болатыны белгілі. Құрамы жағынан топырақ ауасы атмосфералық ауадан біраз айырмашылығы бар: мысалы топыраққа тереңдеген сайын оттегі мөлшері азаяды, органикалық заттарды тотықтыруға көп жұмсалады, ал көмір қышқылы құрамы керісінше көбейеді.

Органикалық заттарға бай топырақтарда оттегі мөлшері 10 пайызға дейін, тіпті  одан да азаяды да, көмір қышқылы  құрамы 15 пайызға дейін және одан да артық көбейеді. Ластанған топырақтарда газ тәрізді қоспалар (СН4, Н28, N11,), сондай-ақ , май қышқылдары т.б. болуы мүмкін.

Топырақтың ауа өткізгіштігі барометрлік қысымның өсуіне байланысты артып, топырақтың үстіңгі қабатының  қалыңдығы және ылғалдылығы ұлғайған сайын кемиді. Саңылауларды толтыратын су олардан ауаны сығып шығарады да, ауаның топыраққа енуіне кедергі жасайды. Топырақ ауасының құрамыңда шаң да, микроорганизмдер де болмайды. Олар ауа топырақта сүзілген кезде ұсталып қалады да, топырақ бөлшектері ыдыратып жібереді.

Топырақтың ауа өткізгіштігінің  және оның оттегімен баюының топырақта өтетін тотығу және оны адам мен жануарлар енгізетін органикалық лас затгардан босату тәрізді биохимиялық процестерге байланысты гигиеналық маңызы зор. Тағы топырақ түйірлі ірі және құрғақ болуға тиіс.Өйткені, ылғал және ұсақ түйірлі топырақ өте нашар желдетіледі. Сондықтан да онда өздігінен тазару процесі айтарлықтай жүрмейді.

Топырақтың жылулық қасиеттері -топырақ негізінде күннен қызуы. Бұл процесс топырақтың жылу сыйымдылығына, жылу өткізгіштігіне және радиациялау қабілетіне көп байланысты болады. Сыртқы ауа температурасынан топырақ температурасының едәуір айырмашылығы бар. Тәулік және жыл бойында онша көп ауытқымайды және топырақ тереңдеген сайын бірте-бірте азая береді. Тереңдеген сайын топырақтың тәуліктік және жылдық ең жоғары температурасы ауа температурасынан едәуір төмен. Қыстыкүні топырақ температурасы ауа температурасынан жоғары, ал жаздыкүні керісінше салқын болады.

Топырақтың жылу өткізгіштігі нашар болады. Әсіресе, борпылдақ, ұсақ түйірлі, ылғалды шірінді заттары  көп, ақ шағыл, шөп өспейтін түсті топырақтар аз қызады. Ірі түйірлі, құрғақ, қоңыр түсті және шөп жақсы өсетін топырақтар, сондай-ақ тасты, тығыз топырақ нағыз жылу аккумуляторы болып табылатын таулы жер топырақтары жылуды тым-тәуір өткізеді. Борпылдақ топыраққа қарағанда тығыз топырақта жылу тереңге енеді. Топырақ саңылауларын толтыратын су сол саңылауларды толықтыратын ауаға қарағанда жылуды 21-26 есе көп өткізеді екен. Жылуды ылғал топырақтың оңай да терең өткізетіні сондықтан[2].

Топырақ температурасының өте үлкен  маңызы бар. Ол жергілікті жердің климатына, ал жергілікті климат-микроклиматқа әсер етеді. Топырақ температурасы ерекшеліктерінің өсімдік тіршілігі үшін маңызы зор. Олардың тамырлары қыстыгүні топырақтың жылы қабатында жатады да, суықтан сақталады. Ол, яғни топырақ температурасы сол топырақтың өзінде жүрілетін физико-химиялық және биологиялық процестеріне де әсер етеді.

Жануарлар, әсіресе олардың төлдері  мен әлсіздерінің денсаулығы үшін күннің суығы, яғни үсік айтарлықтай қауіп  төндіреді. Ол ауаның суық массасы келіп, жиналып тұрып қалатын ойпат жерлерде жиі байқалады. Суық, қатып қалған жемшөптің қаупі де ешнәрседен кем емес. Ол да жануарлардың ішін кептіреді, іш тастатады, тағы басқа жағдайларға ұрындырады. Топырақтың қатқақ болып келетін беті, әсіресе жер асты суының деңгейі өте жоғары болған жағдайда құрылыстың іргетасын бүлдіріп ғимаратқа зиян тигізеді. Сондай-ақ топырақ температурасына қарап суы қатып қалмас үшін канализация мен су құбырларын салу терендігі анықталады.

Топырақ минералды және органо-минералдық заттардан тұрады. Минералдық заттардың көзі  жер қабатының қатты қабығын (литосфера) құрайтын таулы породалар. Минералдық бөлік топырақтың 80-90 пайызын құрайды, ал органикалық заттар топырақта 10 пайыздан кем болады.

Топырақтың органикалық бөлігі  өсімдік пен жануарлар тектес заттардың ыдырауынан және осы процесс кезінде жүретін реакциялар арқасында пайда болатын заттардың өнімдерінен тұрады. Топырақтың құрамында барлық белгілі химиялық элементтер анықталған.

Топырақтың химиялық қосылыстарының ішінде үлесі жағынан ең көбін кремний тотығы, содан кейінгі орындарды  алюминий, темір, калий, натрий тотықтары иеленеді. Карбонатты топырақтарда бәрінен де кальций мен магний тотықтары, ал сор топырақтарда — хлорлы калий және хлорлы натрий тотықтары көп болады. Топырақта өте аз кездесетін микроэлементтер: кобальт, мыс, марганец, бор, йод, фтор, бром, никель, стронций, селен, молибден, мырыш, литий, барий т.б. неорганикалық қосылыстардың көзі тек топырақ пайда болатын породамен шектелмей, сонымен бірге микроорганизмдер әсерімен ыдырайтын өсімдік және жануарлар тектес органикалық қалдықтар болып табылады.