Aštuoni cheminiai elementai sudaro daugumą mineralų dirvožemyje. Iš šių aštuonių elementų deguonis, neigiamai įkrautas jonų (anijonų) kristalų struktūrų, yra labiausiai paplitęs tiek svorio tiek tūrio pagrindu.

Kiti labiausiai paplitę elementai, visi teigiamai įkrauti jonai (katijonai), mažėjančia tvarka yra silicis, aliuminis, geležis, magnis, kalcis, natris ir kalis. Šių elementų jonai įvairiuose santykiuose sujungiami ir sudaro skirtingus mineralus. Daugiau nei aštuoniasdešimt kitų elementų taip pat pasitaiko dirvožemyje ir žemės plutoje, bet daug mažesniais kiekiais.

Dirvožemiai chemiškai skiriasi nuo uolų ir mineralų, iš kurių jie susidaro, nes dirvožemyje yra mažiau vandenyje tirpių oro produktų, kalcio, magnio, natrio ir kalio, ir daugiau santykinai netirpių elementų, tokių kaip geležis ir aliuminis. Seni, užsilaikę dirvožemiai paprastai turi didelę koncentraciją aliuminio ir geležies oksidų.

Organinė dirvožemio dalis, nors paprastai sudaro daug mažiau nei 10% dirvožemio masės, turi didelę įtaką dirvožemio cheminėms savybėms. Dirvožemio organines medžiagas daugiausia sudaro anglis, vandenilis, deguonis, azotas ir mažesni sieros kiekiai bei kiti elementai.

Organinė frakcija tarnauja kaip pagrindinių augalų maistinių medžiagų, azoto, fosforo ir sieros rezervuaras, padidina dirvožemio vandens laikymo ir katijonų mainų pajėgumus ir padidina dirvožemio agregaciją ir struktūrą.

Labiausiai chemiškai aktyvi dirvožemio frakcija susideda iš koloidinio molio ir organinių medžiagų. Koloidinės dalelės yra tokios mažos (< 0,0002 mm), kad jos lieka ištirpusios vandenyje ir pasižymi labai dideliu paviršiaus plotu vienam svorio vienetui.

Šios medžiagos taip pat paprastai pasižymi neigiama įtampa ir dideliu absorbuojamuoju pajėgumu. Dirvožemyje yra keletas skirtingų silikatinių molio mineralų, tačiau visi turi sluoksniuotą struktūrą. Montmorilonitinis ir vermikulitinis moliai yra pavyzdžiai 2:1 molio, o kaolinas yra 1:1 molio mineralas.

Molis, turintis aliuminio oksido sluoksnį (aštadžio lakštą), suklijuotas tarp dviejų silicio oksido sluoksnių (tetrahedraliniai lakštai), vadinami 2:1 moliu. Molis, turintis vieną tetrahedralinį lakštą, prisijungusį prie vieno aštakalo lapo, vadinamas 1:1 moliu.

Grunto cheminės reakcijos – katijonų mainai

Silikatinis molis ir organinės medžiagos paprastai turi grynąjį neigiamą krūvį dėl katijonų pakeitimų molio kristalinėse struktūrose ir vandenilio katijonų praradimo iš organinių medžiagų funkcinių grupių. Teigiamai įkrauti katijonai traukia šias neigiamai įkrautas daleles, lygiai taip pat priešingos įkrovos magnetai pritraukia vienas kitą.

Katijonų mainai yra dirvožemio molio ir organinių medžiagų gebėjimas absorbuoti ir keistis katijonais su dirvožemio tirpalu (vandens dirvožemio porų erdvėje). Tarp absorbuoto katijonų ir dirvožemio tirpalo yra dinamiška pusiausvyra. Katijonų absorbcija yra grįžtama, jei kiti katijonai dirvožemio tirpale yra pakankamai koncentruoti, kad tie, kurie pritraukė neigiamą krūvį molio ir organinių medžiagų paviršiui, būtų perkelti į neigiamą krūvį.

Katijonų mainų kiekis matuojamas dirvožemio svorio vienetui ir vadinamas katijonų mainų pajėgumu. Organiniai koloidai pasižymi daug didesniu katijonų mainų pajėgumu nei silikatinis molis. Įvairūs moliai taip pat turi skirtingus mainų pajėgumus. Taigi dirvožemio katijonų mainų pajėgumas priklauso nuo organinių medžiagų kiekio ir silikato molio kiekio ir tipo.

Katijonų mainų pajėgumas yra svarbus reiškinys dėl dviejų priežasčių:

• keičiantis katijonams, pvz., kalcį, magnį ir kalį, galima lengvai patręšti augalus
• į mainų vietas absorbuoti katijonai yra atsparesni išplovimui dirvožemiui su vandeniu.

Katijonų judėjimas žemiau augalų įsišaknijimo gylio yra susijęs su dirvožemio atmosferos poveikiu. Didesni jų keitimo pajėgumai padeda sumažinti šiuos nuostolius.

Pesticidai arba organiniai produktai, kurių funkcinės grupės yra teigiamai įkrautos, taip pat traukia kitas aktyvias vietas ir gali būti pašalinti iš dirvožemio tirpalo, todėl jie mažiau patiria nuostolių ir galimos taršos.

Kalcis (Ca++) paprastai yra vyraujantis keičiantis katijonams dirvožemyje, atsilaiko net ir rūgščiame dirvožemyje. Labai atspariame dirvožemyje, pavyzdžiui, oksidolio, aliuminis (Al +3) gali tapti dominuojantis keičiamas katijonas.

Katijonų išlaikymo energija neigiamomis keitimo vietomis skiriasi nuo konkrečių katijonų. Sulaikymo tvarka yra tokia: aliuminis, kalcis, magnis, kalis, natris, vandenilis. Katijonai su didėjančiu teigiamu krūviu ir mažėjančiu hidratuotu dydžiu yra labiausiai griežtai laikomi.

Pavyzdžiui, kalcio jonai gali lengvai pakeisti natrio jonus iš mainų vietų. Šis pakeičiamumo skirtumas yra gipso (CaSO4) naudojimo sodinamiesiems dirvožemiams (t. y. 15 % natrio jonų užimamų katijonų mainų pajėgumo) atgauti pagrindą. Sodiniai dirvožemiai pasižymi prastomis struktūrinėmis savybėmis ir mažu vandens įsiskverbimu.

Kalcio, magnio, kalio ir natrio katijonai sukelia šarminę reakciją vandenyje ir vadinami bazėmis arba pagrindiniais katijonais. Aliuminio ir vandenilio jonai gamina rūgštingumą vandenyje ir vadinami rūgštiniais katijonais. Pagrindinių katijonų mainų pajėgumo procentinė dalis vadinama bazinio prisotinimo procentais. Kuo didesnis bazinis prisotinimas, tuo didesnis dirvožemio pH.

Dirvožemio pH- grunto sudėties pagrindas

Dirvožemio pH tikriausiai yra dažniausiai matuojama dirvožemio cheminė savybė ir taip pat yra viena iš informatyviausių. Kaip ir žmogaus kūno temperatūra, dirvožemio pH reiškia tam tikras savybes, kurios gali būti susijusios su dirvožemiu.

Kadangi pH (neigiama vandenilio jonų aktyvumo reikšmė tirpale) yra atvirkštinė arba neigiama funkcija, dirvožemio pH mažėja, kai vandenilio jonų arba rūgštingumas padidėja dirvožemio tirpale. Sumažėjus rūgštingumui, dirvožemio pH didėja. Būtent čia itin praverčia grunto tyrimai

Dirvožemio pH 7 laikomas neutraliu. Dirvožemio pH vertės, didesnės kaip 7, reiškia šarmines sąlygas, o mažesnės nei 7 vertės rodo rūgštines sąlygas. Dirvožemio pH paprastai svyruoja nuo 4 iki 8,5, bet gali būti ne mažiau kaip 2 medžiagų, susijusių su pirito oksidacija ir rūgšties kasyklų drenažu. Palyginimui, tipiško kolos gaiviojo gėrimo pH yra apie 3.

Dirvožemio pH turi didelę įtaką augalų augimui. Dirvožemio pH veikia mikroorganizmų kiekį, aktyvumą ir tipus dirvožemyje, o tai savo ruožtu turi įtakos pasėlių likučių, mėšlo, dumblo ir kitų organinių medžiagų skilimui. Jis taip pat veikia kitas maistinių medžiagų transformacijas ir daugelio augalų pagrindinių maistinių medžiagų tirpumą arba augalų prieinamumą.

Pavyzdžiui, fosforas yra labiausiai prieinamas šiek tiek rūgštyje ir šiek tiek šarminiame dirvožemyje, o visi pagrindiniai mikroelementai, išskyrus molibdeną, tampa labiau prieinami mažėjant pH. Aliuminis, manganas ir net geležis gali tapti pakankamai tirpus pH < 5.5, kad taptų toksiški augalams.

Bakterijos, kurios yra svarbios daugelio maistinių medžiagų transformacijos mechanizmams dirvoje paprastai yra labiausiai aktyvūs šarminėmis sąlygomis.