Почвенный раствор и окислительно-восстановительные реакции

Под  окислительно-восстановительной буферностью понимается способность почв противостоять изменению ОВП при действии различных факторов, нарушающих сложившееся ОВ-равновесие. Почвы, различающиеся по генетическим свойствам, при одних и тех же условиях увлажнения, аэрации, температуры обладают различной «податливостью» к изменению ОВП, к развитию восстановительных процессов.

Так, в дерново-подзолистых почвах при избыточном увлажнении восстановительные процессы развиваются быстрее, чем в чернозёмных и каштановых почвах, которые более устойчивы к изменению их ОВ состояния при избыточном увлажнении,и, наоборот, они быстро восстанавливают потенциал до его первоначального значения при последующем постепенном высушивании. Различная  ОВ-буферность почв обусловлена главным образом различиями в содержании несиликатных форм железа и степени их гидратации.

Невысокая гумусность дерново–подзолистых почв, фульватный характер гумуса, накопление несиликатных соединений железа являются причиной низкой буферности данных почв к изменению ОВП при  избыточном увлажнении. Для чернозёмов и каштановых почв характерен гуматный тип малоподвижного гумуса, консервативность минеральных форм железа. Поэтому при их переувлажнении ОВП изменяется медленно, т.е. они обладают повышенной буферностью к развитию восстановительных процессов.

Проявления окислительно-восстановительных процессов в почве зависит от ее генетических свойств и состояния водно-воздушного и температурных режимов. Поэтому существует различие в развитии окислительно-восстановительных процессов.

В подзолистых и дерново-подзолистых почвах нормального увлажнения ОВ потенциал составляет - 550-750 мВ; в черноземах - 400-600; в сероземах  - 350-450 мВ. Самые низкие потенциалы у длительно затопляемых почв рисовых полей и болотных почв. При падении rH2 до 200 мВ и ниже начинается интенсивное развитие восстановительных процессов с типичными признаками глееобразования.[6]

Для большинства почвенных типов характерна неоднородность ОВ состояния их профиля. Это проявляется в нескольких видах: в изменчивости ОВ состояния по генетическим горизонтам почвенного профиля, в пределах одного горизонта в отдельных его участках и в изменчивости ОВ состояния профиля почв и отдельных его горизонтов во времени. Так, многие аморфные почвы характеризуются пониженными показателями ОВ потенциала в верхних гумусовых горизонтах с постепенным их увеличением вниз по профилю. Такой тип распределения ОВ потенциала по профилю обусловлен тесной связью окислительно-восстановительных процессов с микробиологической деятельностью и особой ролью органического вещества как фактора микробиологической активности. В полугидроморфных почвах с грунтовым дополнительным увлажнением наиболее низкий потенциал свойствен нижним оглеенным горизонтам.

Для гидроморфных почв типична некоторая гетерогенность ОВ состояния их профиля при преобладании восстановительных условий. Неоднородность ОВ состояния в микрозонах одного и того же горизонта почвы обусловлена различной микробиологической активностью в отдельных участках в связи с неоднородным распределением органического вещества, разными условиями увлажнения и газообмена и т.д. Так, установлено различие в ОВ состоянии внутри и на поверхности структурных отдельностей гумусовых горизонтов почв.[7]

Сезонная изменчивость водно-воздушного, температурного и микробиологического режимов определяет динамику окислительно-восстановительных процессов в почвах, т.е. их окислительно-восстановительный режим. Под окислительно-восстановительным режимом почв следует понимать соотношение окислительно-восстановительных процессов в почвенном профиле в годичном цикле почвообразования. Конкретное выражение окислительно-восстановительного режима определяется проявлением отмеченных форм неоднородности (изменчивости) окислительно-восстановительного состояния почв в связи с их генетическими свойствами, особенностями состава и режимов, обусловленных также хозяйственным воздействием человека на почву. Различают следующие типы окислительно-восстановительного режима почв:

1)почвы с абсолютным  господством окислительной обстановки  — автоморфные почвы степей, полупустынь  и пустынь (черноземы, каштановые, серо-коричневые, бурые полупустынные, сероземы, серо-бурые  и др.);

2) почвы с господством  окислительных условий при возможном  проявлении восстановительных процессов  в отдельные влажные годы или  сезоны (автоморфные почвы таежно-лесной  зоны, влажных субтропиков, лиственно-лесной  и буроземно-лесной зон);

3)почвы с контрастным  окислительно- восстановительным режимом (полугидроморфные почвы различных зон). Наиболее контрастной динамикой окислительно-восстановительных процессов характеризуются почвы с временным избыточным увлажнением. Такие почвы широко распространены среди подзолистых, дерново-подзолистых, бурых лесных, солодей, солонцов и других типов почв;

4) почвы с устойчивым  восстановительным режимом (болотные  и гидроморфные солончаки).

Наиболее изменчивы показатели ОВ потенциала в верхних, обогащенных органическим веществом, горизонтах, где наблюдается наибольшее колебание в увлажнении почвы и интенсивнее протекают микробиологические процессы. Нижние, бедные органическим веществом горизонты, где слабо развиты микробиологические процессы и поэтому нет интенсивного расхода кислорода, обычно характеризуются и более высокими показателями потенциала.

В минеральных почвах устойчивого грунтового заболачивания наименьший потенциал наблюдается в нижних горизонтах.[8]

 

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА 3. ЗНАЧЕНИЕ ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНОГО ПОТЕНЦИАЛА ДЛЯ ПЛОДОРОДИЯ ПОЧВ

Окислительно-восстановительные процессы оказывают большое влияние на почвообразовательный процесс и плодородие почв. С ними тесно связаны процессы трансформации растительных остатков, темпы накопления и состав образующихся органических веществ и особенно гумуса. Избыточное увлажнение и устойчивая восстановительная обстановка замедляют разложение растительных остатков , обуславливают  возрастание в составе гумуса доли как наиболее подвижных органических кислот (фульвокислоты), так и малоактивных гумусовых кислот и негидролизуемого остатка. Периодическая смена режимов (окислительного на восстановительный и наоборот), особенно резко выраженная в поймах или при затоплении почв на рисовых полях, способствует активизации процессов разложения растительных остатков, что является одной из причин нарушения углеродного баланса этих почв, дегумификации.[3]

Питательный режим почв складывается для растений неблагоприятно как при резко окислительной, так и при глубоко восстановительной обстановке. Господство в почве аэробной обстановки с Eh порядка 700-750 мВ способствует утрате подвижности и недоступности растениям железа, марганца и отчасти азота. Результатом этого является развитие у растения хлороза (дефицит железа) и «серной немочи» (дефицит марганца), что нередко вызывает  гибель растений. Снижение Eh до 250 мВ и ниже обуславливает накопление восстановленных соединений железа, марганца, ртути в количествах, токсичных для растений, что также вызывает их угнетение, а порой и гибель. Кроме того, анаэробиоз способствует появлению в почвах таких соединений, как сероводород, сода, этилен и фосфин, также угнетающе действующих на растения.

Самым тесным образом с окислительно-восстановительным состоянием связаны процессы превращения соединений азота (нитрификация и денитрификация ). Процесс нитрификации наиболее интенсивно протекает при хорошей  аэрации почв (оптимальное значение Eh 550-600 мВ). При затрудненной аэрации и развитии восстановительных процессов господствующим в почве становится процесс денитрификации, с которым связаны основные потери  азота из почвы (при переходе их воднорастворимых  форм нитратов и нитритов в газовую фазу в виде оксидов азота, молекулярного азота и аммиака).

И.П. Сердобольский (1949) наметил следующие границы ОВ (в мВ) условий процессов превращения азотных соединений:

Более 480 ………………………..нитриты       

480 – 340 ..……………………… нитраты, нитриты       

340 – 220 …………………………нитриты

Ниже 220 …………………………оксид азота, молекулярный азот

В работах других авторов (Н. Пирсол, 1950) указываются более высокие значения ОВП почв, при которых нитраты переходят в нитриты (450- 400), а нитриты – в аммиак (400- 350 мВ). Различие показателей   Eh, характеризующих рубеж процессов нитрификации и денитрификации, связано с ярко выраженной микрозональностью , биологической очаговостью почвенных горизонтов.

Снижение окислительно-восстановительного потенциала до 200-250 мВ, а в грубогумусовых подзолистых почвах и до 350-400 мВ приводит к образованию заметных количеств закисного железа и подвижного Mn2+ .

Подавляющее большинство сельскохозяйственных культур испытывают угнетение при возникновении в почвах устойчивой восстановительной обстановки. Но не редки случаи, когда даже кратковременное создание анаэробной обстановки крайне неблагоприятно  отражается на состоянии растений.

Знание ОВ потенциала почв позволяет судить об общей направленности окислительно-восстановительных процессов и определять необходимость применения мероприятий по регулированию окислительно—восстановительного режима почвы.

Основные приёмы регулирования связаны в первую очередь с регулированием их структурного состояния, водного и воздушного режимов. Осуществляется это с помощью  агротехнических приёмов (вспашка, рыхление, прикатывание),полива и дренирования почв.[8]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Почвенный раствор - это жидкая часть почвы, исключительно динамичная по объему и составу, заполняющая поровое пространство почвы. Содержание и свойства почвенного раствора зависят от водно-физических свойств почвы и от ее состояния в данный момент в соответствии с условиями грунтового и атмосферного увлажнения при данном состоянии погоды. В районах с низкими зимними температурами в холодный сезон жидкая фаза почвы переходит в твердое состояние (замерзает), превращаясь в лед, при повышении температуры часть почвенного раствора может испариться, перейти в газовую фазу почвы.[6]

Возможность непосредственного изучения естественных почвенных растворов до последнего десятилетия была ограничена из-за отсутствия надежных методов отделения их от твердой фазы почвы.В последнее время проблема получения неизмененного почвенного раствора была успешно решена Н. А. Комаровой и П. А. Крюковым, которые разработали ряд методов, основанных как на применении давления, так и на вытеснении почвенного раствора замещающими жидкостями. Эти методы позволяют отделять жидкую фазу почвы от твердой, в основном не изменяя ее состава, не требуют сложной аппаратуры, применимы к различным типам почв и дают возможность работать с почвами, имеющими небольшую влажность.[7]

Жидкая фаза - это «кровь» почвенного тела, служащая основным фактором дифференциации почвенного профиля, так как главным образом путем вертикального и латерального передвижения воды в почве происходит в ней перемещение тех или иных веществ в виде суспензий или растворов, истинных либо коллоидных. Почвенный раствор служит основным и непосредственным источником элементов питания для растений. Так как из него растения усваивают большинство питательных веществ. Он создает определенную среду, в которой развиваются микроорганизмы, и служит, поэтому основным регулятором микробиологической деятельности.

Но в ряде случаев почвенный раствор может оказать неблагоприятное воздействие на условия жизни и почвообразовательный процесс. При высокой концентрации почвенного раствора наступает так называемая физиологическая сухость, когда имеющиеся в растворе элементы питания не могут быть усвоены микроорганизмами и растениями, потому что осмотическое давление концентрированного почвенного раствора значительно превышает осмотическое давление сока в клетках корней или плазме микроорганизмов.

Сильнокислая и щелочная реакции почвенного раствора подавляют развитие и деятельность микроорганизмов. К этому же приводит и присутствие в почвенном растворе ряда соединений, которые даже при малой концентрации губительны для растений - это сода, сероводород и закисные формы железа.

Почвенный раствор играет большую роль в почвообразовании. Кислая его реакция способствует подзолообразованию, а высокая концентрация легкорастворимых солей приводит к образованию солончаков.

Концентрацию почвенного раствора уменьшают промыванием почвы пресными водами. Состав его изменяют внесением удобрений, а реакцию -гипсованием и известкованием. Эти мероприятия позволяют создать искусственное плодородие почв. Воздействие на плодородие почв основывается на том, что все факторы жизни растений (элементы питания, вода, кислород) равнозначны. Нельзя повысить урожайность, улучшая лишь один из режимов -питательный, водный или воздушный. Односторонне воздействие на один из факторов привод к постепенному уменьшению эффекта (закон убывающего плодородия.)

В почвах постоянно происходят разнообразные окислительно-восстановительные процессы, связанные преимущественно с жизнедеятельностью микроорганизмов. При этом в поверхностных слоях почвы, куда кислород проникает в достаточном количестве, окислительные процессы обычно преобладают над восстановительным; в более же глубоких слоях, где газообмен затруднен, сильнее выражены восстановительные процессы.

Поскольку реакция окисления сопровождается отдачей окисляемым веществом электрона, а реакция восстановления — присоединением электрона, то они должны сопровождаться и изменением величины заряда реагирующих веществ. Это изменение обычно учитывается путем измерения потенциала, и по величине последнего судят об энергии окислительного или восстановительного напряжения среды. Такого рода потенциал получил название окислительно-восстановительного потенциала (ОВ), обозначается он символом Eh и выражается в милливольтах. Нижним и верхним пределами величин Eh в почвах являются 200 и 700 милливольт. Чем выше Eh, тем большим окислительным напряжением обладает раствор. В дерново-подзолистых почвах Eh колеблется чаще всего в пределах 600-700 мв, в черноземах — от 450 до 600  мв, в сероземах — 350-400 мв.