Az éltető kálium ásványai és körforgása a talajösszetétel szempontjából

Bár az alapvető makronutriensek közül nehéz egyes ionokat kiemelni mint legfontosabbat, merthogy Mg²⁺ nélkül nincs klorofill, Ca²⁺ nélkül a sejtmembrán iontranszportja leáll stb., a K⁺¹-ot mégis valamelyest előtérbe helyezhetjük, ugyanis olyan alapvető biológiai funkciók szabályozásában vesz részt, mint a levelek légzőszervi funkcióinak a működtetése, nem kisebb feladatokat látva el, mint a vízpára-, oxigén- és széndioxid-áramlás ellenőrzése.

Ezenkívül természetesen az összes sejtfunkció folyamataiban részt vesz, mint pl. a sejtmembrán iontranszportja, a nitrát- és szénforgalom szabályozása. Éppen ezért az összes alapvető nutriens, víz és éghajlati tényezők kedvező állása mellett is, ha a K-felvétel és -asszimiláció nem működik megfelelően, a növények nem tudják életfunkcióikat fenntartani.

Hogy miért épp a kálium vált a növényi és egyébként az alacsonyabb és magasabb rendű szervezetek éltető elemévé?

A kérdés valószínűleg összetettebb, mint a legegyszerűbb és kézenfekvő válasz: a kálium olyan módon a földkéreg egyik leggyakoribb eleme, hogy a pedoszférában az uralkodó biológiailag felvehető egy vegyértékű kation. Bár a kőzeteket (értelemszerűen kivéve a mészkő, gipsz, bauxit stb.) alkotó ásványokban rendszerint a Na-mal együtt fordul elő, a mállási folyamatok során a K sokkal nagyobb arányban kötődik meg az illitben, a jó termőtalajok alapvető agyagásványában. Így kis túlzással akár azt is mondhatjuk, hogy a növényi élet alapja az illit, amely egy ásványcsoport neve a rendszertanban, változó kémiai összetételéből adódóan.

A K-ot szolgáltató és bio-geokémiai körforgását meghatározó ásványok száma és típusaik azonban sokkal változatosabbak.

Káliumásványok

A K-ot tartalmazó ásványok száma közel 600-ra rúg, bár ezek túlnyomó többsége csekély, gyakran százalék alatti mennyiségben hordozza azt, vagy előfordulásuk annyira ritka, hogy számottevő dúsulást nem alkotnak. Ilyen például a carobite nevű KF-ásvány, amely 67,30 tömegszázalék K-ot tartalmaz, de alig néhány előfordulását ismerjük a világon. Szerkezetileg rokon ásványa, a szilvin nevű KCl (52,45 tömeg% K) azonban nagyméretű sótelepeket alkot, és a világpiac első számú K-forrása a műtrágyagyártás számára. A két ásvány közötti különbség, hogy a fluorid magas hőmérsékleten, gázokból kicsapódva képződik, míg a klorid környezeti hőmérsékleten, bepárlódott tavak-tengerek kicsapódó sóásványa. A legnagyobb arányú kőzetalkotó ásványok, a mikroklin és ortoklász (KAlSi₃O₈) csak 14,05 tömeg%-ban hordozzák, míg a szintén fontos muszkovitban KAl₂(Si₃Al)O₁₀(OH,F)₂ 9,81%, a biotitban K(Mg,Fe²⁺)₃[AlSi₃O₁₀(OH,F)₂ pedig 9,02 tömeg%. Ez a négy ásvány 1/10–1/3 közötti arányban jelen van a legtöbb magmás (pl. gránit > andezit > bazalt) és metamorf (pl. gneisz > csillámpalák > zöldpala) kőzetben, áthalmozódva a törmelékes üledékekbe is, miközben különböző mértékben elbomlanak, főleg illitet eredményező folyamatok során. Az illitcsoport ásványaiban viszont már csak 6 tömeg% körüli a K-tartalom, ami alacsonyabb is lehet, ha egyéb kationok, pl. Na helyettesíti azt.

Illitcsoport

Ezek az ásványok változatos körülmények között képződhetnek, amelyek közül csak egyik a gyakori, a kőzetek felszínén végbemenő, talajképződéshez vezető mállás. Üledékes földtani környezetekben, pl. tavi vagy tengeri iszapokban ún. autigén (helyben képződő) ásványként vagy a szmektitek átkristályosodásából származó fázisként is képződhetnek. De gyakori a magmás kőzeteket érintő hidrotermás folyamatok során való keletkezése a földpátok (mikroklin, ortoklász), csillámok (biotit, muszkovit) és ritkábban amfibolok (pargazit) mállása során. Szerkezetét tekintve a csillámokkal rokon, a rétegszilikát váz és oktaéderes kitöltés szerint leginkább a muszkovittal hasonlítható össze, de a rétegközi térből a K jelentős része hiányzik, ezért kationhiányos csillámoknak nevezzük. Általános kémiai képlettel (Na, K, H₃O⁺)(Al, Mg, Fe)₂(Si, Al)₄O₁₀(OH)₂ formában írható fel, ahol a hidrónium- (H₃O⁺) ionok a K helyére beépülő vízmolekulák koordinációjából adódó leírást jelentik. Egyik keletkezési útvonalát is a muszkovitkristályok hidrolízissel, kationkioldódással való bomlása jelenti az agyagtelepekben és a talajokban is. A csillámok kombinált kémiai és fizikai mállása az aprózódás és hidrolízis folyamatos szemcseméret-csökkenéshez vezet, a muszkovit K-tartalma folyamatosan csökken, és átmenet létezik az illit felé. Ez a jelenség biztosítja a talajokban a biológiailag elérhető K folyamatos utánpótlását. Nagy tisztaságú kálitrágyaként a hidrotermás eredetű (1. kép), valamikor Füzérradványon is bányászott anyagot alkalmazzák, mivel az illit az agyagos kőzetekből nem nyerhető ki. A kőzetfeldolgozás során keletkező hulladék muszkovitot is alkalmazzák kálitrágyaként, de az illithez hasonlóan nem közkedvelt az alacsony hatásfok és elnyújtott káliumkioldódás miatt.

Glaukonittrágyázás

A kationhiányos csillámok közül a glaukonit már-már hagyományos ásványi kálitrágyának mondható, a „tengeri zöldagyagok” egyik fő képviselője, képlete (K, Na)(Fe³⁺, Al, Mg)₂(Si, Al)₄O¹⁰(OH)₂ és K-tartalma 5,5 tömeg%. A finomszemcsés sekély tengeri homokkövek szemcséi között (2. kép) kristályosodó anyag lévén kitermelése és dúsítása is egyszerűbb, mint az illit vagy más K-ásványoké.

Ásványtelep típusú kifejlődéseiben lekerekített, gömbölyded szemcséket hoz létre, amelyeknek kisebb mértékű porozitása is kialakul, így a vízmegtartáshoz is hozzájárul. Bár jelen van Magyarországon is, homokkövekben, és voltak kísérletek mezőgazdasági hasznosításra, végül nem indult meg a kitermelése.

Leucit

A leucit földpátpótló ásvány, amely az alkáli bazaltok, bazaltos vulkanitok, alacsony hőmérsékletű hidrotermás folyamatainak a terméke, amely üregekben kristályokként vagy a kőzetüveg tömegében való átkristályosodásával keletkezett. Klasszikus értelemben vett ásványtelepeket nem alkot, zeolitosodott kőzetekben a többi zeolitásványt kísérheti, így bányászott és finomított nyersanyagként nem használjuk. Bazaltlávák hólyagüregeiben és pórusaiban akár több cm-es kristályokat is alkot (3. kép), a mennyisége a kőzet negyedét vagy akár többet is kitehet. Tehát egy erősen leucitosodott bazaltláva kőzetpora akár alkalmas is lehetne kálitrágyázásra, magában hordozva a Ca, Mg és Si jelentős mennyiségét is.

Elfújja a szél

A talajok felszíni kitettsége eróziós folyamatokhoz vezethet a viharokkal, heves légmozgásokkal jellemzett régiókban, a talajok agyagásványkristályai a lebegő (szálló, PM₁₀) por szemcseméret-tartományánál is kisebbek, a PM2 tartományban vannak. Erős deflációs hatásra a talajok teljes agyagásványkészletét elhordhatja a szél, akár több ezer km távolságra, több hónapot az atmoszférában töltve. A jelenlegi negatív klímafejlődés esetében ez a termőtalajokra veszélyt jelent, a túlhasználat és félrekezelés mellett az ásványi tápelemek kiürülését jelenti. Földtani korokban gondolkodva azonban olyan szükséges folyamatról van szó, amely hozzájárul a termőtalajok viszonylag egyenletes eloszlásához, főként a mérsékelt égövben. Az évenkénti levegőből kihulló por mennyisége és annak illittartalma számunkra elhanyagolható. De tíz- és százezer években mérve számottevő mennyiségekről van szó, ami akár ahhoz is elegendő, hogy mészköveken az illittartalmat tekintve jó minőségű talajok alakuljanak ki. Európa-szerte a talajok összetételét az eljegesedési korszakokban szél által szétterített lösz javította, amely tényezőt a talajképződési folyamatok értelmezésénél is figyelembe kell vennünk. Előfordulhat, hogy a talajképző kőzet önmagában nem azt a talajösszetételt adja, amit az A genetikai szint ásványi alkotóiból látunk, és a mélyszántás nemcsak a talaj biológiai és szerves rendszerét rombolja, hanem az ásványi tápelemforrásokat is felszámolja.

Egyéb alkálifémek

A lítium nagyrészt semleges a növényi életfolyamatok, tápanyagforgalom szempontjából. Nem alapvető mikronutriensként egyes fajokban akkumulálódhat, ezáltal lítiumtartalmú kőzetek jelenlétét is jelezve! A bio-geokémia egyik fontos témaköre a növényeken alapuló nyersanyagdúsulások keresése, amit a lítium esetében is alkalmaznak. Másfelől, a hiperakkumuláló fajok nemesítésével a fitobányászat területe is egyre fejlődik.

A nátrium gyakran kiegészíti a kálium hatását és szerepét, akár kismértékben helyettesítve azt, de a szűkös vízháztartás esetében önálló szerepe jut a vízforgalom és -megtartás szabályozásában. Másrészről, a klorid, szulfát és nitrát túltengésével társulva a szikesedés folyamatához és szikes növénytársulások kialakulásához vezet.

A cézium az előzőekkel ellentétben csökkenti a kálium felvételét, így a sejtfunkciók és tápanyagáramlás folytonosságát; összességben véve a növényi élet ellenszere, szerencsének mondható, hogy alig ismert számottevő dúsulása.

Bio-geokémiai újrahasznosítás

A természetes állapotú, nem mezőgazdasági talajok K-háztartása mindig növekvő tendenciában van, mivel a növényi szövetbe beépülő kálium az elhalt biomasszával visszakerül a talajba. A körforgás következő lépésében ásványi formába kerül, a talajkolloid szilikátos mátrixába vagy illit-szmektit közberétegzett agyagásványok formájába. A megfelelő mennyiségben mállásból keletkezett illitet (3–5 tömeg%) és elmálló muszkovitot (5–10 tömeg%) tartalmazó talajok az ásványi forrásból is folyamatosan kapnak K-utánpótlást. A gyökérrendszer által kinyert kálium azonban a mélyebb rétegek ásványi forrásaiból is származhat, amelyet a biomasszával a humuszos rétegbe deponálnak a növények, a többi ásványi tápelemmel együtt. Az időben elhúzódó, kisarányú akkumuláció ugyancsak módosítja a humuszos szint ásványtani összetételét az agyagkolloid képződéséhez szükséges elemek felszabadulásával a biomasszából. Másrészt kálium- és egyéb tápelemtartalékot (4. kép) képez a talajélet és növénytakaró számára.

A mezőgazdasági műveletekkel ezt a természetes folyamatot megszakítottuk, a biomassza jelentős mennyiségének eltávolításával az újrahasznosítás és körforgás ciklusait felszámoltuk. A legtöbb zöldtömegből származó biomassza a Mg-ot is nagy arányban tartalmazza, lévén a klorofillmolekula központi ionja. A kationok mellett foszfát-, szulfát-, klorid- és nitráttartalom is jellemző, a szerves molekulákban nem felhasznált K például kifejezetten nitrátos formában raktározódik, ami a többi ionos anyaggal együtt vízoldható formában van jelen.

Talajpótlás?

Van néhány kőzettípusunk, amely nem talajjellegű, de ásványtani és kémiai összetételét tekintve nagymértékben hasonlít a legtöbb mezőgazdasági használatban lévő talaj B genetikai szintjéhez, főként az agyagásvány tekintetében – kiemelve az illit-, muszkovit- és káliföldpát-tartalmat. Ilyen kőzet például a téglagyártásban évszázadok óta használt tarka agyagok jelentős része, a kavics- és szénbányászatból felhalmozódó agyagos meddők vagy akár a kőbányászat túlzottan mállott kőzettömege. A mérgező nehézfém- és nyomelemtartalom természetesen nem előre jelezhető modellekkel, így folyamatos monitorozást igényelne, amennyiben a talajok illitvesztése eléri azt a szintet, hogy a szintetikus és precíziós módszerek helyett ténylegesen a talajok gyógyításával kell foglalkoznunk.

Dr. Kristály Ferenc
Miskolci Egyetem