Почвенный раствор в почве

 

S * 1000

C= ----------------

V

 

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.

 

 

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.

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 на состав почвенных растворов теплого периода года оказывает биологический фактор. Физико-химические процессы испарительного концентрирования или разбавления играют в это время второстепенную роль.

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 г\л, в пухлом солончаке — от 16 до 410 г\л 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.

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.

4. Окислительно-восстановительные процессы в почвах

 

В почве широко развиты окислительно-восстановительные процессы.

Процессами окисления называются:

1. присоединение кислорода
2. отдача водород
3. отдача электронов без участия водорода и кислорода

Обратные процессы объединяют в понятие «восстановление». Окислительные процессы широко развиты при явлениях превращения органического вещества в почве. Так, возможно окисление тирозина и других ароматических аминокислот в меланины; окисление смол и соединений непредельного ряда; окисление дубильных веществ, сахаров, аминокислот, белков и других соединений, входящих в состав растительных остатков. Гумификация — в целом процесс окислительный.

Большинство реакций окисления органических веществ почвы относится к группе необратимых. Обратимыми окислительно-восстановительными реакциями являются широко развитые в почве реакции окисления и восстановления железа (Fe3+-=== Fe2+), марганца (Mn4+ -===Mn2+) , азота (N5+ === N3+). В почве происходит окисление и восстановление кислорода и водорода (O ===O2- , H===H+ , S6+=== S2-). Поскольку большая часть этих реакций имеет биохимическую природу и теснейшим образом связана с проявлением микробиологических процессов, то их интенсивность в почве непосредственно влияет на на развитие окислительно-восстановительных процессов.

Основным окислителем в почве выступает молекулярный кислород почвенного воздуха, почвенного раствора. Поэтому развитие окислительно-восстановительных процессов в почвах тесно связано с условиями их аэрации и зависит от всех свойств почвы, определяющих состояние газообмена (структура, плотность, механический состав и др.), и прежде всего от влажности.

Главные условия, определяющие интенсивность и направленность окислительно-восстановительных процессов - состояние увлажнения и аэрации почв, содержание в них органического вещества и температура, при которой протекают биохимические реакции. Ухудшение аэрации в результате повышения влажности почвы, ее уплотнения, образования корки и других причин ведет к снижению окислительно-восстановительного процесса. Наиболее резко он падает в почвах при влажности, близкой к полной влагоемкости, когда нарушается нормальный газообмен почвенного воздуха с атмосферным. Так, резкое уменьшение потенциала в гумусовых горизонтах дерново-подзолистых почв (Ап, А1) наблюдается при увлажнении почвы выше 90% ее полной влагоемкости. При повышении влажности от 10 до 90% полной влагоемкости снижение потенциала идет медленно и постепенно.

И.П. Гречин в модельных опытах установил, что при пропускании через почву газовой смеси из 99,5% азота и 0,5% кислорода наблюдается развитие устойчивых восстановительных процессов, сопровождающихся интенсивным восстановление нитратов и образованием значительных количеств закиси железа. При оптимальной температуре и влажности в пахотном горизонте дерново-подзолистой почвы переход от аэробных условий к анаэробным происходит при содержании кислорода в почвенном воздухе 2,5 — 5%.

В опытах М.В. Курлыковой под многолетними травами в суглинистой дерново-подзолистой почве при влажности ее выше 80% полной влагоемкости и пористости аэрации 6% наступил устойчивый анаэробиозис. Существенно влияют на ОВ процессы почве содержание и формы органических веществ. Снижение потенциала при переувлажнении почвы быстро происходит только в гумусовых горизонтах. Свежее неразложившееся органическое вещество, богатое белками и растворимыми углеводами, являясь лучшим материалом для жизнедеятельности микрофлоры, способствует интенсивному развитию восстановительных процессов в избыточно увлажненной почве.

Для количественной характеристики окислительно-восстановительного состояния почвы пользуются определением окислительно-восстановительного потенциала, который отражает суммарный эффект разнообразных окислительно-восстановительных систем почвы в данный момент. Он характеризуется следующим уравнением (мВ):

 

RT (окисл)

Еов = Ео + ---- 1n -----------

nF (восст)

 

где R - универсальная газовая постоянная, Дж, Т — абсолютная температура, ТК; F - число Фарадея, Кл: n — число зарядов, переносимых одной частицей (ионом), (окисл) и (восст) - концентрация окислителей и восстановителей данной системы.

Чем выше концентрация окислителя, тем больше потенциал. Если активные концентрации окислителя и восстановителя равны, то отношение

(окисл)

----------- = 1, и тогда Еов = Ео.

(восст)

 

Потенциал системы, в которой активность окислителя и восстановителя одинакова и равна 1, называется нормальным потенциалом окислительно-восстановительной системы.

Окислительно-восстановительных потенциал по отношению к водороду называют Eh

 

RT  (H+)2

Eh = Ео + ------1n -----

nF  (H2)

 

Потенциал вычисляют к условно выбранному стандартному электроду; в электрохимии таким принят водородный электрод. Потенциал стандартного нормального водородного электрода условно считают равным нулю. Величину и знак потенциала любого электрода, применяемого при определении окислительно-восстановительного потенциала системы, сравнивают с водородным электродом. Например, потенциал насыщенного каломельного электрода равен по отношению к нормальному водородному электроду +250 мВ при 18 градусах по Цельсию. Величина ОВ потенциала выражается в милливольтах.

Напряженность окислительно-восстановительных процессов в почвах в определенной мере связана с условиями среды (рН): реакция среды влияет на интенсивность и направленность микробиологических процессов; от нее зависит переход в раствор компонентов некоторых окислительно-восстановительных систем почвы. Для получения сравнимых данных по окислительно-восстановительным условиям в средах с различными величинами рН Кларк предложил ввести показатель rH2,который представляет отрицательный логарифм давления молекулярного водорода и вычисляется по формуле:

Eh

rH2 =-------+2 рН

30

 

Таким образом, количественная характеристика окислительно-восстановительного состояния почвы может быть выражена через Eh в милливольтах и через условную величину rH2. При rH2 больше 27 преобладают окислительные процессы, меньше 27 (22-25) - восстановительные, при интенсивном развитии восстановительных процессов rH2 меньше 20. При определении ОВ в почвах стационарно устанавливаются по профилю электроды.

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.

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.

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: