Почвенный раствор и окислительно-восстановительные реакции

Из органических соединений в почвенном растворе могут быть водорастворимые вещества органических остатков и продукты их разложения, продукты жизнедеятельности растений и микроорганизмов, (органические кислоты, сахара, аминокислоты, спирты, ферменты, дубильные вещества и др.), а также гумусовые вещества.

Содержание отдельных компонентов почвенного раствора существенно изменяется также по генетическим горизонтам одного и того же типа почв.

 Максимум органических  веществ находится в почвенном  растворе органогенных и гумусовых  горизонтов. Вниз по профилю почв  количество органических веществ  резко падает в результате  из закрепления и минерализации  в верхних горизонтах. В черноземах, каштановых почвах, сероземах и  солонцах в составе почвенных  растворов нижних горизонтов  заметно возрастает содержание  минеральных соединений — карбонатов, гипса и легкорастворимых солей. [2]

Минеральные, органические и органоминеральные вещества, входящие в состав жидкой фазы почв, могут иметь форму истинно растворенных или коллоидно-растворимых соединений. Коллоидно-растворимые вещества представлены золями кремнекислоты и полутораоксидов железа и алюминия, органическими и органоминеральными соединениями. По данным Гедройца, коллоиды составляют от 1/10 до ј от общего количества веществ, находящихся в почвенном растворе.

К важнейшим катионам почвенного раствора относятся

Среди анионов преобладают

.

Наиболее важное значение для растений имеют , фосфат-ионы.[8]

 Содержание нитратов  определяется условиями нитрификации  в почве (обогащенность органическими веществами, гидротермический режим почв и условия аэрации). В почвенных растворах незасоленных почв SO42- немного (обычно не более нескольких миллиграммов на литр). Еще меньше фосфат-ионов (1-2 мг/л), что объясняется энергичным их поглощением растениями, минеральными соединениями почвы и слабой растворимостью почвенных фосфатов. [7]

Железо, алюминий и многие микроэлементы (Cu, Ni.V, Cr и другие) в почвенных растворах содержатся главным образом в виде комплексных органоминеральных соединений, где органическая часть комплексов представлена гумусовыми и низкомолекулярными органическими кислотами, полифенолами, и др. органическими веществами.

 Концентрация почвенных  растворов невелика, и в разных  типах почв колеблется от десятков  миллиграммов до нескольких граммов  вещества на литр раствора. Только  в засоленных почвах содержание  растворенных веществ может достигать  десятков и даже сотен граммов  на литр.

 Наличие в почвенном  растворе свободных кислот и  оснований, кислых и основных  солей определяют одно из важнейших  для жизнедеятельности растений  и процессов почвообразования  его свойство — актуальную  реакцию почвенного раствора. Реакция  почвенного раствора определяется  активностью свободных водородных (Н+) и гидроксильных ионов (ОН-) и измеряется рН - отрицательным логарифмом активности свободных ионов. РН почвенного раствора разных типов почв колеблется от 2,5 (кислые сульфатные почвы) до 8-9 и выше (карбонатные и засоленные почвы), достигая максимума в щелочных солонцах и содовых солончаках (10-11).

Наиболее низкими концентрациями и кислой реакцией характеризуются почвенные растворы подзолистых и болотных почв таежной зоны. Концентрация их составляет несколько десятков миллиграммов на один литр раствора при рН от 5 до 6. Содержание основных катионов и анионов измеряется единицами или десятками мг / литр. Примерно такие же количества главных компонентов почвенного раствора характерны и для сильно выщелоченных почв влажных тропиков и субтропиков. Содержание органического углерода в почвенных растворах таежной зоны достигает нескольких десятков миллиграммов на один литр; под хвойными лесами это рапстворенное6 органическое вещество в основном представлено фульвокислотами. С глубиной количество органического вещества вжидкой фазы почвы постепенно уменьшается, что говорит о закреплении мигрирующих воднорастворимых веществ в почвенном профиле. Вместе с органическим веществом мигрирует и железо (в двух- и трехвалентной форме). Железоорганические комплексы присутствуют в почвенных растворах в широком диапазоне рН. В почвенных растворах примерно 80-95% железа и прочно связано в органоминеральные комплексы.

 В степных почвах (черноземах, солонцах и др.) концентрация почвенных  растворов существенно выше, чем  в подзолистых и болотных почвах (не десятки, а сотни миллиграммов 1-3 грамм на литр). В связи с более высокой биологической активностью этих почв, в них существенно повышается содержание гидрокарбонатного иона, реакция становится нейтральной или слабощелочной. Более высокое поступление химических элементов с высокозольнымопадом травянистых степных растений обеспечивает повышение концентрации и других катионов и анионов (кальция, магния, хлора, сульфат-иона). В солодях и особенно солонцах резко возрастает количество ионов натрия, появляется ион CO32- , что обеспечивает в солонцах, в частности, щелочную реакцию почвенных растворов. Максимальное содержание солей (до десятков и сотен грамм на один литр) наблюдается в почвенных растворах солончаков. Концентрация солей в почвенных растворах солончаков в несколько раз превышает их содержание в морской воде.

 Если для большинства  почв характерен гидрокарбонатнокальциевый состав почвенных растворов (преобладание этих двух ионов), то в почвенных растворах засоленных почв преобладающая доля принадлежит хлоридам и сульфатам магния и натрия. Для характеристики степени и характера засоления почв широко применяется анализ водной вытяжки. Этот вид анализа дает возможность проводить массовые определения и в то же время позволяет выделять из почвы максимальные количества солей, находящихся в том числе и в виде осадка в твердой фазе почвы. Водная вытяжка (отношение воды к почве 5:1) растворяет все легкорастворимые соли, часть труднорастворимых солей и часть солей, образовавшихся в результате обмена катионов труднорастворимых солей с натрием и магнием поглощающего комплекса.

Весьма тщательное исследование соотношения солей, извлекаемых водными вытяжками и находящихся в водных растворах, были проведены П. Шаврыгиным. Из исследований вытекает, что общая сумма воднорастворимых веществ в водных вытяжках выше, чем в почвенных растворах; эти различия тем выше, чем меньше растворимость солей. Так, например, содержание сульфата кальция в почвенных растворах не превышает 8-12% от его количества в водной вытяжке. Различия в составе солей почвенных растворов и водных вытяжек больше всего относится к кальциевым солям и в малой мере к хлорид- иону.

Метод водных вытяжек, оставаясь основным для контроля солевого состояния почв, одновременно позволяет также путем расчетов получить и данные по концентрации почвенных растворов, характеризующие истинные условия существования растения в данной почве. Расчет концентрации солей по данным анализа водной вытяжки удобно производить относительно влажности почвы, соответствующей наименьшей влагоемкости (НВ). Н. Г. Минашиной предложена следующая формула расчета концентрации почвенного раствора по данным анализа водной вытяжки (1.1):

                            (1.1)

 где С- концентрация суммы токсичных солей в почвенном растворе; г/л;S-% токсичных солей на сухую почву по данным анализа водной вытяжки; V- НВ в процентах по массе за вычетом гигроскопической воды (растворяющий соли объем).

Расчетные и истинные концентрации почвенного раствора для почв Мургабского оазиса Средней Азии, Н.Г.Минашиной, оказались довольно близкими. Исключение составили почвы с высоким содержанием гипса, где расчетные концентрации по водной вытяжке были выше, чем истинная концентрация почвенного раствора.[8]

3. Динамика концентрации почвенного раствора

Тесная связь состава почвенных растворов с изменениями температуры и влажности почвы, интенсивностью деятельности микрофлоры и микрофауны почв, метаболизмом высших растений, процессами разложения органических остатков в почве определяют четко выраженную его суточную и сезонную динамику.

 Для большинства типов  почв характерно постепенное, иногда  весьма значительное возрастание  концентрации почвенных растворов, особенно в верхних горизонтах, от весны к лету. Это связано  с концентрированием почвенной  влаги за счет испарения и  транспирации, увеличением интенсивности  разложения органических остатков  в теплое время года. Эта общая  закономерность нарушается в  ряде случаев из-за своеобразия  режимов отдельных видов почв. Так, например, в тундровых мерзлотных  почвах наиболее существенное  возрастание концентрации почвенных  растворов наблюдается в верхних  горизонтах почв в конце зимы  за счет криогенного подтягивания  растворов из нижних горизонтов  почвы к более холодному фронту. Таяние снега и летние дожди  вызывают некоторое промывание  почвы и разбавление растворов. [8]

 Степень динамичности состава почвенных растворов различных генетических горизонтов почв неодинакова. Содержание микроорганизмов, а следовательно, и интенсивность биохимических процессов наиболее высоки в подстилке и гумусоаккумулятивном горизонте. В этих же горизонтах и наиболее контрастны температурные условия и режим увлажнения. В соответствии с этим химический состав почвенных растворов верхних горизонтов наиболее динамичен.

 Исследования на обыкновенных  черноземах показали, что сезонная  динамика общей концентрации  почвенных растворов черноземов  не имеет четко выраженных  закономерностей; максимумы концентрации  могут наблюдаться в разные  моменты вегетационного периода. Было отмечено, что причины повышения  концентрации почвенного раствора  могут быть принципиально разными. Наиболее очевидной причиной  является испарительное концентрирование, наблюдаемое в наиболее жаркие  и сухие периоды года. Однако  концентрация почвенных растворов  может повышаться и в весенне-раннелетний  период, когда происходит бурный  прирост фитомассы степной растительности, в раствор поступают обильные корневые выделения и разнообразные продукты разложения органического опада. Общая концентрация почвенного раствора в этот период может возрастать до 2 г/л.

Сопряженное изучение состава и динамики почвенных растворов с динамикой процессов прироста фитомассы и разложения опада в степях и широколиственных лесах показало, что решающее влияние на  состав почвенных растворов теплого периода года оказывает биологический фактор. Физико-химические процессы испарительного концентрирования или разбавления играют в это время второстепенную роль. [1]

Своеобразна динамика солей в почвенных растворах засоленных почв. В весенний период по мере повышения температуры воздуха и почвы начинается постепенное испарение почвенной влаги. Соответственно повышается концентрация всех растворенных в почве солей. Этот процесс достигает своего максимального выражения вс наступлением летней жары и сильного иссушения почвы. В это период концентрация легкорастворимых солей MgCl2 Na2SO4. MgSO4 гидрокарбонатов и сульфатов кальция близка к точке насыщения ими раствора. Концентрация почвенных растворов солончаков может достигать в этот период 350-400 г/л. Эта фаза сезонного цикла солевого режима может быть названа фазой соленакопления.

В период осенне-зимних дождей атмосферные осадки разбавляют почвенный раствор и растворяют часть солей, выпавших летом из раствора в твердую фазу почвы, - наступает фаза разбавления почвенных растворов. Когда под влиянием атмосферных осадков влажность почвы начинает превышать наименьшую влагоемкость, почвенный раствор перемещается вниз. При этом он сильно разбавляется в верхних горизонтах почвы, а нижние горизонты почвы и верхние слои грунтовых вод приобретают повышенную минерализацию. Эту третью фазу солевого режима можно назвать фазой выщелачивания и опреснения почвенного профиля.

Изменения концентрации почвенного раствора засоленных почв в годовом цикле могут быть иллюстрированы следующими показателями в горизонтах о-5 см среднезасоленного светлого серозема концентрация от зимы к лету возрастает от 7 до 150 гл, в пухлом солончаке — от 16 до 410 гл соответственно. В условиях орошения солевой режим почвенных растворов осложняется, хотя общий ход годового режима сохраняется. Каждый полив в слабой степени создает условия для наступления фазы выщелачивания и опреснения. По окончании полива вследствие интенсивного испарения почвенно-грунтовых вод начинается процесс повышения концентрации солей в почвенном растворе. [8]

Использование новых методов исследования почвенных растворов с помощью ионоселективных электродов позволило в последние годы получить данные о суточной динамике ряда ионов в почвенных растворах.

Исследования на черноземах показали, что особенно резкому колебанию подвержена активность ионов кальция. Максимум концентрации ионов кальция приходится на дневные часы, минимум — на ночные. Это связано с более активным выделением днем углекислоты почвенной биотой, смещением гидрокарбонатно-кальциевого равновесия в сторону растворения кальция и вытеснения его из почвенного поглощающего комплекса. Суточная динамика нитрат-иона в поверхностном горизонте целинного чернозема противоположна динамике кальция. Наибольшая концентрация нитратов наблюдается в ночные часы, ранним утром и вечером; днем, в период интенсивной фотосинтетической деятельности высших растений, она минимальна. Эти два примера показывают, насколько вариабелен состав почвенного раствора в суточном цикле и как тесно он связан с функционированием всей экосистемы в целом.[1]