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
O2
2KNO2 2KNO3
2) отдача водорода
СН2СООН СН -- СООН
+Н2
СН2СООН СН -- СООН
3) отдача электронов без участия водорода и кислорода
Fe2+ --e- ------ Fe3+
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.