Agyag, agyagásvány, kolloid – talajegyensúly-szempontú vonatkozások

Az agyag mint ásványi képződmény meghatározására földtani és műszaki (kerámiaipar, geotechnika) tulajdonságokat használunk, mint a szemcseméret, képlékenység, folyáshatár, alaktartás és száradási, valamint égetési viselkedés.

Ásványok és arányok

Bár ezek a definíciók „földönkívülinek” tűnhetnek a talaj és mezőgazdaság szempontjából, mégis megfelelően alkalmazhatók, mivel mind ugyanazon ásványok jelenlétéből, szerkezeti állapotából és arányából származnak, mint amelyeket a termőtalajokban is megtalálunk. Nem mellesleg, ezeknek az ásványoknak az arányai határozzák meg a talaj termékenységét, biológiai aktivitását vagy éppen a tönkremenetelét. A földtanban agyagnak nevezünk minden olyan képződményt, amelyben az uralkodó szemcseméret a 2 μm (0,002 mm) alatti frakció (agyagfrakció), és meghatározott víz hozzáadásával képlékennyé – alakíthatóvá válik, majd száradásra és hevítésre a szilárdsága, valamint szívóssága alaktartó módon növekszik. Geotechnikai szempontból a képlékenység a kulcsparaméter; a túlnedvesített agyag átlép a folyáshatáron, és cseppfolyós anyagként viselkedik, például katasztrofális lejtőmozgásokat okozva, vagy épp gépekkel járhatatlanná téve a felszínt. Értelemszerűen az agyagfrakciót és agyagokat mint kőzeteket (kaolin, bentonit, téglaagyag, vályog stb.) az agyagásványok alkotják. Az ásványrendszertanban viszont ilyen kategóriát nem találunk, és nem véletlenül, mert a fentebbi fizikai tulajdonságokat meghatározó ásványok összetételük és felépítésük szerint is változatosak lehetnek, és még a szerves anyagok is erősíthetik az agyagjelleget. A néhány leggyakoribb (1. táblázat) agyagásvány főleg a réteg- vagy filloszilikátok közül kerül ki, de oxi-hidroxidok, hidroxidok vagy nem kristályos szervetlen anyagok is lehetnek agyagásványok, ugyanis minden, a képlékenységet és alaktartást növelő ásványt agyagásványnak kell tekintenünk.

Ez a definíció a talajok szempontjából is lényeges, mert a felsorolt fizikai tulajdonságokat a részecskék felületi töltése, energiája és a fajlagos felület (m²/g) mértéke fogja meghatározni, a víz és oldott ionok (elektrolit) által felépített hidrátburok révén. A duzzadó agyagok esetében legnagyobb a fajlagos felület és felületi töltés, és a nagymértékű hidrátburok képződése okozza a térfogat növekedését, ami a gél, illetve kolloid állapotot is képes elérni. Ebben az esetben a duzzadó agyagásványok, szmektitek a kulcsszereplők, amelyeknek ráadásul felületi és szerkezeti kationcserélő képessége is van, fizi- és kemiszorpció révén, nem véletlen, hogy a talajok rendszerében a kationok körforgásában is fontos szerepet töltenek be.

De a termőtalaj ásványi egyensúlya nem tud megőrződni a többi agyagásvány és kolloidalkotó nélkül, a talajképző kőzetből (ideértve a levegőben szállított és felszínen kiülepedő porokat is) a mállás során képződő agyagásványok folyamatos átalakulásban vannak, miközben a kolloidfázisból újabb, akár eltérő agyagásványok is keletkezhetnek. A klasszikus értelemben vett kristályokhoz képest, mint hegyikristály (kvarc, SiO₂), ezek a talajban képződő ásványok kevésbé rendezett szerkezetűek, és a részecskék mérete a század-ezred mikrométeres tartományba esik. És tulajdonképpen ez a tulajdonság adja fontosságukat a talajok életében: a kationok és anionok megkötésére akár több száz m²/g fajlagos felület áll rendelkezésre; a kolloidban elérhető [SiO₄]^4- (szilikát) és Al segítségével a kristályaik növekedhetnek, de kellően instabilak, hogy a bakteriális hatásra gyorsan lebomoljanak, és az ionokat elérhetővé tegyék. Amikor a talaj tápanyag-raktározásáról beszélünk, akkor tulajdonképpen a talajkolloidnak ezekről a nanorészecskéiről kell beszélnünk, megértve, hogy e fázisok nélkül sem a baktériumok, sem a talaj szervesanyag-frakciója nem tudja fenntartani a termőképességet. Bár az agyagásványok aránya általában néhány tömegszázalék, a talajélet egyik alappillérét jelentik a szerves anyagok és szénháztartás stabilizálása szempontjából is.

Az agyagásványok szerkezete bár rendkívül bonyolult, mégis leegyszerűsíthető arra a néhány építőegységre (1. ábra), amelyek egyben a talaj- és növényélet szempontjából fontos tápelemek raktározói: a tetraéderek Si- és Al-tartalommal, az elsődleges oktaéderek Al-, Mg-, Fe²⁺– vagy Mn-, Ni-, Cr- stb. tartalommal, fő- vagy nyomelemként. Típusspecifikusan jelen lehetnek másodlagos oktaéderek Na-, K-, Ca-, Mg-, Li-, Cs-, Fe- stb. tartalommal, és itt még fontosabb a fő- vagy nyomelemként való jelenlétük. Ami a talajok számára is kiemelten fontos, ugyanis a fő- vagy nyomelem fogalom nagymértékben egybeesik a makro- vagy mikronutriensek jelentésével. Az alábbi felsorolásban az egyszerűtől a komplex szerkezeti típus irányában szerepelnek a talajokra nézve legfontosabb filloszilikát agyagásványok, a nemzetközi ásványrendszertantól eltérően, kristálytani részletek nélkül.

Egyszerűtől a komplexig

A kaolinit 1 : 1 (vagy T : O) típusú szerkezet, felületi töltése elhanyagolható, mivel nincs tetraéderes Si-Al helyettesítés, így a víz- és ionmegkötés szempontjából is kevésbé jelentős. Bár a talajok esetében gyakran a talajpusztulást és a kilúgzás miatti Al-túltelítést jelzi, kis arányban az egyensúlyi összetétel része. Az illitcsoport csillámszerkezetű, rétegközi kationhiányos agyagásványai 2 : 1 (vagy T : O : T) szerkezetűek, a rétegközi tér legnagyobb arányú kationja a K¹⁺, míg az elsődleges oktaéderekben Al³⁺, Mg²⁺, Fe²⁺ vagy F³⁺ is helyet foglalhat. Nem hidratált, de a hiányzó káliumionok helyét vízmolekulák tölthetik ki, felületi töltése jelentős lehet, így a kationmegkötésben is szerepet játszik. Továbbá kellően alacsony a stabilitása, hogy a talajkolloidban hidrolízissel oldódni vagy éppenséggel túltelítés esetén kicsapódni tudjon. Legfontosabb K-forrás és raktározó ásványok. A vermikulitcsoport ásványainak rétegközi tere hidratált, uralkodóan Mg ²⁺ kationokkal, felületi töltése nagyobb, mint az illiteké, és a rétegközi térben is képes kationcserére, bizonyos típusai duzzadásra. A talajok vermikulitja a kristályok méretében és kémiai összetételében is különbözik a bányászott vermikulittól, és bár utóbbi duzzasztva rendkívül jó talajjavító és tápanyaghordozó, csak speciálisan feldolgozva helyettesíti a talajban képződő vermikulitot.

A szmektitek (gyakran montmorillonit) mint jellemző duzzadó és kationcserélő agyagásványok a leggyakrabban képződő talajkolloid-alkotók, kristályaik jellemzően 100 nm körüliek, és a legnagyobb arányban kötnek meg, illetve adnak le kationokat. Ha azonban arányuk a termőtalajban a néhány tömegszázalékot meghaladja, a vízmegkötő és duzzadó viselkedésük miatt károsan hatnak a talajéletre.

A kloritcsoport ásványai közül a klinoklór általánosan jelen van a talajokban, mivel elsősorban a Mg²⁺– és Fe ²⁺tartalmú szilikátok mállásterméke, de a talajkolloidból is kicsapódhat, ahogyan oldódhat is. Jelentős magnéziumforrás, és szerepet játszik a talajok Si- és Al-egyensúlyának fenntartásában is. A fentieken felül a legjelentősebb ásványi alkotói a kolloidnak az úgynevezett közberétegzett (vagy, régi nomenklatúra szerint, kevert szerkezetű) agyagásványok, egy kristályon belül tartalmazhatnak illit- és szmektit- vagy bármilyen egyéb kombinációban megjelenő modulokat.

A nem- vagy alig kristályos szilikátos anyagok közé tartozik az imogolit és allofán, amelyek fajlagos felület és felületi töltés szempontjából a legjelentősebb ásványi alkotói a talajkolloidnak, de vizsgálatuk nehézkes, pontosan a nanométeres szemcsék és kristályos szerkezet hiányából adódóan.

Talajjavításra is használható?

Felmerülhet az olvasóban a kérdés, jogosan, hogy ezeknek az információknak mégis mi haszna a szántó- vagy éppenséggel szántás nélküli földek talajmegőrzésében, regenerálásában? Főleg, ha figyelembe vesszük, hogy ezek az ásványok természetes úton keletkeznek és vannak körforgásban, tehát beavatkozás nélkül is rendelkezésre állnak. A szántással például a felszínre hozhatunk olyan agyagásványokat, amelyek a kolloidfázis agyagásványait utánpótolják, de ez jó eséllyel a hagyományos vetésforgó nélkül nem következik be, ugyanis a bakteriális közvetítéssel történő szerves-szervetlen kölcsönhatásoknak kell némi idő, hogy az agyag nanorészecskéit „legyártsák”.

A szántás, de főleg bolygatás nélküli művelés viszont nem gondoskodik a kolloidfázis nanorészecskéinek az utánpótlásáról, és valószínűleg – a talajhasználat intenzitásától függően – hamisan megnyugtató módon huzamosabb ideig nem is okoz problémát a jelenség, ameddig az elhasználódás mértéke nem ugorja túl az utánpótlást. Tehát nem lehet alaptalan a gondolat, hogy a talajjavítás, meliorálás, regenerálás, tápanyagpótlás és főleg a műtrágyázás során a talajkolloid agyagásványaira is gondolni kell, és akár direkt módon, akár a szükséges kémiai alkotók bevitele által támogatni kell a képződésüket. Másfelől meg igencsak „eretnek” gondolatnak tűnhet a talajokban agyagásványt utánpótolni, persze eltekintve az olyan kísérletileg is alátámasztott esetektől, mint a homoktalajokba juttatott bentonit vagy bentonit alapú ásványi keverékek.

Utánpótlásnál azonban, talajkímélő adalékolásnál nem kell az egész művelt területre terveznünk; jó eséllyel a magágyba juttatott pótlóanyag is kellőképpen gátolja a kolloid leépülését, amennyiben az adott talajhoz, valamint kultúrához illő agyagásvány-keverék kerül kihelyezésre. A gyakran használt szepiolit és paligorszkit agyagásványok bár a filloszilikátok közé tartoznak, szerkezetük átmentet képez a réteg- és tektoszilikátok között. Ezek nagyon ritkán természetes alkotói a talajoknak, és alkalmazásuk sokszor tápanyaghordozóként, módosítva történik, ezért külön részletesebb diszkussziót érdemelnek.

Dr. Kristály Ferenc
Miskolci Egyetem