Окислительно восстановительные свойства почв

Окислительно-восстановительные свойства почв

В химическом отношении разложение органических ве­ществ — процесс окислительно-восстановительный, так как органические вещества окисляются до простых органических и минеральных соединений, таких, как СО2·Н2О, соли фос­форной, серной и других кислот. Главный окислитель — сво­бодный кислород — при этом восстанавливается. Сущность почвообразования с химических позиций заключается в окис­лительно-восстановительных реакциях, поэтому значительные изменения состава и свойств почв связаны в большой степе­ни с окислительно-восстановительными условиями. Окисле­ние— процесс отдачи электронов. Восстановление — их при­обретение. Свободный кислород, окислив углерод, водород, серу и другие элементы, приобрел электроны, следовательно, восстановился. Восстановитель отдает электроны — окис­ляется. Окислитель приобретает электроны — восстанавли­вается.

Для большинства почв характерно присутствие в почвен­ном воздухе и почвенном растворе свободного кислорода — очень сильного окислителя, который поступает в почву из атмосферы. В почвах с достаточным содержанием кислорода многие элементы находятся в окисленном состоянии, т.е. характеризуются более высокой валентностью. Так, железо может присутствовать в форме Fе3+ и Fе2+. Минералы трехва­лентного железа — гематит, гетит и другие — имеют желтую, красную и коричневую окраску, легко обнаруживаются при наблюдении почвенных профилей. Если в данных природных условиях в почвенном воздухе и растворе много свободного кислорода, то железо находится преимущественно в форме Fе3+ и почвы окрашены в теплые тона. Такую обстановку называют окислительной. Она характерна для ландшафтов с глубоким залеганием грунтовых вод, плоских водоразделов и слабых склонов почвы, расположенных на равнинах и выровненных участках, где формируются черноземы, каштано­вые почвы, буроземы, большинство почв пустынь. Такие почвы называются автоморфными, т.е. без избыточного увлажнения.

Почвы с восстановительной обстановкой — так называе­мые гидроморфные — почвы избыточного увлажнения. Это происходит при формировании почв в понижениях, при близ­ком залегании грунтовых вод или при скоплении поверхност­ных вод. Почвенного воздуха недостаточно, все поры почвы заполнены водой, т.е. представлены почвенным раствором, кислород содержится только в почвенном растворе, поэтому его явно недостаточно для окисления растительных остатков. При этом возрастает роль микробиологического разложения органических веществ. В этих условиях господствуют ана­эробные бактерии, способные окислить органические вещест­ва при отсутствии свободного кислорода воздуха. Трехвалент­ное железо в этих условиях

служит окислителем и восстанав­ливается до двухвалентного состояния Fe3+ → Fe2+, а углерод органических соединений при этом окисляется. Соедине­ния двухвалентного железа имеют зеленую, сизую, синева­тую, серую окраску, поэтому почвы и горизонты, где проте­кают подобные процессы, приобретают зеленоватый или си­зый оттенок, характерный для глеевых почв.

Г.Н. Высоцкий впервые ввел термин глей. Районов с глеевой обстановкой особенно много в Западно-Сибирской низменности (тундра, заболоченная тайга, березовые леса), Подмосковной Мещере (болота), Белорусском Полесье и т. д.

При глеевой обстановке в почвенном растворе много органических веществ, в том числе органических кислот, ко­торые образуются при неполном окислении растительных остатков. Продукты окисления органических веществ обра­зуют органо-минеральные подвижные соедине-ния со многими металлами — железом, марганцем, медью, никелем, кобаль­том, цинком, свинцом и т.д. Поэтому глеевая обстановка — это образование агрессивных соединений, которое способствует энергичной миграции многих металлов по профилю почв.

Для количественной характеристики окислительно-восста­новительного состояния почв используют окислительно-вос­становительный потенциал (Еов).

Eoв — окислительно-восстановительный потенциал, который выражает суммарный эффект разнообразных окислительно-восстановительных систем почвы в данный момент.

Е — окислительно-восстановительный потенциал по отно­шению к воздуху.

При падении потенциала Еh до 200 мВ и ниже начинается интенсивное развитие восстановительных процессов глееобразования (глеевые почвы меньше 200). Оптимальные условия для нитрификации при Еh 350-500 мВ. При резком падении потенциала развивается денитрификация. Снижение потенциа­ла Еh до 200-350 мВ вызывает накопление Fе2+ и Мn2+, т.е. форм, токсичных для роста и развития большинства растений. Таким образом, при избыточном увлажнении формируются небла­гоприятные воздушно-физические режимы (недостаток кисло­рода), накапливается много токсичных форм тяжелых метал­лов (Fе2+, Мn2+), ухудшается режим основных элементов пи­тания, например, создаются неблагоприятные условия для нит­рификации или идет связывание фосфат-ионов в труднорастворимые соединения с поливалентными металлами (Fе, Аl), а также возникает кислая и сильнокислая реакция среды.

Источник

Окислительно-восстановительные процессы в почвах

В почве широко распространены окислительно-восстановительные процессы, имеющие большое значение в почвообразовании и плодородии почв. Процессами окисления называют присоединение кислорода, отдачу водорода, электронов без участия водорода и кислорода.

Обратные процессы объединены в понятие «восстановление». В общем виде реакции окисления рассматривают как отдачу электронов, а восстановления — как присоединение электронов.

Понятие об окислительно-восстановительных процессах

Соотношение в почве в конкретный период наблюдений окислительных и восстановительных процессов, сопровождающихся накоплением окисленных или восстановленных продуктов этих реакций, характеризует окислительно-восстановительное (ОВ) состояние почвы.

Для количественной оценки ОВ-состояния почвы можно использовать несколько показателей:

• величину ОВ-потенциала (Eh), которую определяют с помощью потенциометров,
• величину индекса аэробности (rН₂), рассчитанную по формуле;
• количественные показатели содержания в почве суммы восстановленных продуктов или отдельных их компонентов (Fe 2+ , Mn 2+ , H₂S и др.).

Eh характеризует разность потенциалов, возникающую между почвенным раствором и электродом из инертного металла (платины), помещенным в почву. По величине Eh можно судить о преобладании в почве окислительных или восстановительных процессов, условиях обеспечения корней растений кислородом и т. д.

Благоприятное ОВ-состояние почвенной среды характеризует величина Eh в пределах 450-700 мВ.

Показатели в 250-300 мВ и ниже свидетельствуют о заметном развитии восстановительных процессов и создании неблагоприятных для растений условий аэрации в почве. При глубоком анаэробиозе и господстве восстановительных процессов Eh может достигать отрицательных значений (-100 мВ).

Величина rН₂ = 27 характеризует рубеж перехода от окислительного состояния к восстановительному (и наоборот). При величине rН₂ > 27 в почве преобладают окислительные процессы, а показатель rН₂

Влияние пористости аэрации на ОВ-процесс

Так, при пористости аэрации 18-20% создается благоприятный воздухообмен почвы с атмосферой, что обеспечивает нормальное течение в ней окислительных процессов.

Пористость аэрации в 10-12% затрудняет поступление кислорода в почву, и при нормальной микробиологической активности его расход не восполняется, что приводит к возникновению анаэробных процессов, при которых в качестве источника кислорода анаэробные микроорганизмы используют связанный кислород минеральных соединений почвы. При этом образуются восстановленные продукты.

При пористости аэрации 3 ) имеют важное значение в создании нормального ОВ-состояния почвы.

Влияние влажности на ОВ-процесс

С влажностью связана аэрация почвы, и в этом ее главное влияние на развитие ОВ-процессов. Ухудшение аэрации в результате повышения влажности почвы приводит к снижению ОВ-потенциала.

• Наиболее резко он падает при влажности, близкой к полной влагоемкости (>90 % ПВ), когда сильно нарушается нормальный газообмен почвенного воздуха с атмосферным.
• При повышении влажности с 10 до 90 % ПВ снижение потенциала в большинстве почв происходит медленно.

Влияние влажности на развитие ОВ-процессов проявляется и в том, что с содержанием влаги в почве тесно связана активность микроорганизмов, корней растений, почвенной фауны, а следовательно, и расход кислорода. Поэтому повышение влажности почвы даже в пределах ее оптимальных значений (ВРК-НВ) может вызвать некоторое изменение ОВ-потенциала.

Кроме того, вода в почве переводит в растворимое состояние элементы переменной валентности (соединения Fe, Mn и др.), активность которых при этом к проявлению окислительно-восстановительных реакций заметно возрастает.

Влияние жизнедеятельности организмов

Особая роль органического вещества в жизнедеятельности микроорганизмов определяет и его большое значение в проявлении ОВ-процессов в почве. Наиболее быстро изменение ОВ-состояние почвы при избыточном ее увлажнении происходит в гумусовых горизонтах.

Свежее органическое вещество, богатое белками и растворимыми углеводами, являясь благоприятным материалом для жизнедеятельности микроорганизмов, способствует интенсивному развитию восстановительных процессов в избыточно увлажненной почве.

Органическое вещество почвы содержит соединения, обладающие восстановительной способностью. Поэтому возможно и прямое влияние органического вещества на изменение ОВ-состояния почвы.

Влияние температуры почвы

С температурой связаны интенсивность жизнедеятельности почвенных организмов, а следовательно, и расход (поглощение) кислорода почвенного воздуха, его мобилизация анаэробами из окисленных форм минеральных соединений почвы, активность различных химических реакций, влияющих на ОВ-процессы. В этом проявляется роль температуры.

Поэтому, если избыточное увлажнение почвы наблюдается при температурах >10 ˚С, то можно ожидать быстрого возникновения восстановительных процессов и ухудшения условий роста растений.

Переувлажнение в течение 5-7 дней при низких температурах почвы (1-5 °С) не вызывает резкого изменения ее ОВ-состояния.

На развитие ОВ-процессов большое влияние оказывают также содержание и формы соединений элементов переменной валентности. В частности, повышенное содержание подвижных форм железа и марганца способствует более быстрому снижению потенциалов при переувлажнении почв.

Окислительно-восстановительные режимы почв

Поскольку развитие ОВ-процессов в почвах тесно связано с особенностями их состава, свойств и динамикой водно-воздушного, температурного и микробиологического режимов, это обусловливает большую неоднородность ОВ-состояния почв.

Она проявляется в следующем:

• разным почвам свойственно различное ОВ-состояние;
• для большинства типов почв характерна неоднородность ОВ-состояния их профиля.

В любой зоне наиболее заметно по ОВ-состоянию различаются:

• автоморфные,
• полугидроморфные
• гидроморфные почвы.

Неоднородность ОВ-состояния почвенного профиля проявляется в изменчивости ОВ-состояния по генетическим горизонтам профиля почв в связи с различиями:

• в их составе,
• свойствах и режимах;
• в изменении ОВ-состояния в пределах одного горизонта, обусловленном различиями состава, увлажнения, аэрации, микробиологической активности в отдельных его участках (микрозонах);
• в изменчивости ОВ-состояния профиля и его горизонтов во времени в связи с сезонной динамикой гидротермического, воздушного и микробиологического режимов, определяющих ОВ-режим почвы.

Под окислительно-восстановительным режимом следует понимать соотношение ОВ-процессов в почвенном профиле в годичном цикле почвообразования.

Различают следующие типы ОВ-режима почв.

1. Почвы с абсолютным господством окислительных процессов. Этот тип ОВ-режима характерен для автоморфных почв степей, полупустыни и пустыни (черноземов, каштановых, бурых полупустынных, серо-бурых и песчаных пустынных почв, сероземов и др.).
2. Почвы с господством окислительных процессов при возможном проявлении восстановительных условий в отдельные влажные годы или сезоны (автоморфные почвы таежно-лесной зоны, лесостепи, буроземно-лесной, влажных субтропиков).
3. Почвы с контрастным ОВ-режимом (полугидроморфные почвы различных зон). Наиболее контрастен ОВ-режим с временным избыточным увлажнением верхних или нижних горизонтов профиля. Такие почвы широко распространены среди подзолистых, дерново-подзолистых, бурых лесных, солодей и других типов.
4. Почвы с устойчивым развитием восстановительных процессов (болотные, гидроморфные солончаки).

Наиболее изменчивы показатели ОВ-потенциала в верхних горизонтах, обогащенных органическим веществом, с наибольшими колебаниями влажности и с более интенсивным развитием микробиологических процессов.

Нижние горизонты почвенного профиля, бедные органическим веществом, со слабой микробиологической активностью обычно характеризуются и более высокими и устойчивыми потенциалами. Исключение составляют грунтовооглеенные почвы.

Значение окислительно-восстановительных процессов

Значение ОВ-процессов в почвообразовании и плодородии исключительно велико и проявляется в их влиянии на процессы превращения органических и минеральных веществ, их миграцию и аккумуляцию.

Конкретное проявление такого влияния выражается в темпах и качественной направленности превращения растительных остатков (соотношении процессов их минерализации, гумификации и консервации).

Так, избыточное увлажнение и развитие восстановительных процессов замедляют минерализацию и гумификацию, способствуют образованию наиболее подвижных и активных форм органического вещества (фульвокислот, различных соединений неспецифической природы) и формированию оторфованных горизонтов.

Кроме того, влияние ОВ-процессов выражается в превращении минеральных веществ и прежде всего соединений элементов переменной валентности (азота, фосфора, серы, железа, марганца и др.).

Оглеение — яркая форма превращения окисных соединений железа в закисные формы при развитии восстановительных процессов. Падение ОВ-потенциалов ниже 350 мВ вызывает заметное развитие денитрификации и сопровождается потерями азота из почвы в газообразной форме (NO, N₂O, N₂).

При развитии контрастного ОВ-режима в пахотных горизонтах почвы происходит накопление несиликатных подвижных соединений гидроксидов железа, которые связывают фосфор почвы и удобрений в трудноусвояемые растениями формы.

Процессы окисления органических соединений до образования простых солей (минерализация) способствуют мобилизации элементов питания растений.

Восстановление серы, марганца приводит к образованию H₂S, Мn 2+ , повышенное содержание которых угнетает развитие растений и может вызвать их гибель.

Влияние ОВ-процессов заключается также в усилении или ослаблении миграции отдельных элементов. Так, восстановительные процессы повышают миграционную способность марганца, железа и многих других элементов, в том числе тяжелых металлов.

Возникновение на пути миграции элементов в восстановленной форме окислительной среды (окислительные барьеры) приводит к их осаждению (аккумуляции). Таким образом, с развитием окислительно-восстановительных процессов тесно связаны

• формирование почвенного профиля (гумусовых, торфяных, оглеенных, ожелезненных и других горизонтов), а также питательного режима,
• образование токсичных соединений и возникновение других важных для плодородия свойств почвы.

Приведенные примеры свидетельствуют о необходимости регулирования ОВ-состояния почв, поддержания его в режиме оптимального развития окислительных процессов и недопущения возникновения продолжительного и глубокого анаэробиозиса (преобладание восстановительного состояния).

Регулирование окислительно-восстановительного процесса

Все сельскохозяйственные растения (за исключением орошаемого риса) отрицательно реагируют на возникновение в почве устойчивых восстановительных процессов.

Даже кратковременное их проявление (1-2 нед.) отрицательно сказывается на состоянии растений и некоторых свойствах почвы (ухудшение питательного, воздушного и микробиологического режимов, появление токсичных соединений и др.).

Чем активнее и продолжительнее развиваются восстановительные процессы, тем медленнее почва возвращается в свое исходное ОВ-состояние до их возникновения, тем сильнее ухудшается последующее состояние растений.

Постоянно избыточно высокие ОВ-потенциалы способствуют повышению минерализации органического вещества, в том числе гумуса, снижают подвижность некоторых элементов. Поэтому необходимо поддерживать оптимальный уровень ОВ-потенциала.

Его ориентировочные параметры могут быть определены, исходя из тех значений, которые типичны для конкретных почв в условиях их нормального водно-воздушного режима.

• Так, для дерново-подзолистых почв ОВ-потенциал составляет 550-750 мВ,
• черноземов и каштановых — 400-600, для сероземов — 350-450 мВ.

Приемы регулирования окислительно-восстановительного состояния почвы основываются на учете роли рассмотренных факторов (аэрация, органическое вещество, влажность и др.) в их проявлении.

Приемы регулирования ОВ-состояния

Регулирование ОВ-состояния почвы включает агротехнические и агромелиоративные приемы, направленные на создание оптимальных условий аэрации, водного и микробиологического режимов.

К ним относятся:

• Агротехнические приемы
• Осушительные мелиорации
• Оросительные мелиорации

Агротехнические приемы

Агротехнические приемы по борьбе с поверхностным избыточным увлажнением:

• создание мощного пахотного слоя,
• улучшение его структуры,
• поддержание благоприятной плотности и пористости,
• планировка поверхности почвы,
• рыхление подпахотного горизонта,
• отвод поверхностных вод путем устройства водоотводных борозд,
• кротование и др.

Осушительные мелиорации

Осушительные мелиорации, направленные на радикальное улучшение водно-воздушного режима.

При этом особое значение приобретает установление оптимальной нормы осушения, т. е. понижение уровня грунтовых вод до глубины, обеспечивающей достаточную аэрацию корнеобитаемого слоя и в то же время сохраняющей возможность поддерживать его влажность на уровне, близком к НВ, не только за счет атмосферного увлажнения, но и за счет капиллярной каймы грунтовых вод.

Норма осушения колеблется в зависимости от свойств почв и возделываемых культур.

На переувлажненных тяжелых минеральных почвах эффективное регулирование водно-воздушного и окислительно-восстановительного режимов достигают путем сочетания закрытого дренажа с возделыванием культур на гребнях или в сочетании с узкозагонной вспашкой.

Оросительные мелиорации

Оросительные мелиорации помимо создания оптимального водного режима способствуют ослаблению в почве избыточно интенсивных окислительных процессов, а это сопровождается некоторым (в допустимых пределах) понижением величин Eh.

Все приемы регулирования органического вещества касаются и ОВ-состояния почвы, поскольку органическое вещество оказывает значительное влияние на развитие ОВ-процессов.

При возделывании культуры затопляемого риса для нормализации восстановительных процессов широко используют мобильные формы органического вещества (навоз, рыбные удобрения, запашка сидератов).

Источник