Процессы в почвах

Дождевая вода, поступающая в почву, содержит некоторое количество растворенных веществ: газов атмосферного воздуха (О₂, СО_2, NН₃ и др.), а также соединений, находящихся в воздухе в виде пыли. В почве она активно взаимодействует с твердой фазой, переводя в раствор отдельные ее компоненты. Следовательно, вода в почве представляет собой почвенный раствор.

Почвенный раствор имеет огромное значение в генезисе почв и их плодородии. Он участвует в процессах преобразования (разрушение и синтез) минеральных и органических соединений; в составе его по профилю почв перемещаются разнообразные продукты почвообразования. Исключительно велика роль почвенного раствора в питании растений. Поэтому важно знать его состав, свойства (реакция, буферность, осмотическое давление) и динамику.

Концентрация, состав и свойства.Почвенный раствор находится в постоянном и тесном взаимодействии с твердой и газовой фазами почвы и корнями растений, и поэтому состав и концентрация его — результаты биологических, физико-химических и физических процессов, лежащих в основе этого взаимодействия.

Темп и направление указанных процессов подвержены значительной сезонной изменчивости, поэтому и состав почвенного раствора чрезвычайно динамичен.

Концентрация почвенного раствора невелика в обычно не превышает нескольких граммов вещества на литр раствора. Исключение составляют за соленные почвы, в которых содержание растворенных веществ может достигать десятков и даже сотен граммов на литр. В почвенном растворе содержатся минеральные, органические и органо-минеральные вещества, представленные в виде ионных, молекулярных и коллоидных форм. Кроме того, в почвенном растворе присутствуют растворенные газы: СО_2, О₂ и др.

Из минеральных соединений в составе почвенного раствора могут быть анионы НСО₃^- СО₃^2- NО₃^- С1^-, НРО₄^2-, Н₂РО₄^- и катионы Са²⁺, К⁺, Н⁺, Mg²⁺, NH₄⁺, Na⁺ и др. В сильнокислых почвах могут быть также А1³⁺, Fe³⁺. а в заболоченных — Fе²⁺. Железо и алюминий в почвенных растворах содержатся в основном в виде устойчивых комплексов с органическими веществами.

Из органических соединений в почвенном растворе могут быть водор астворимые 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.

Органо-минеральные соединения представлены преимущественно комплексными соединениями различных органических веществ кислотной природы (гумусовые кислоты, полифенолы, низкомолекулярные органические кислоты) с поливалентными катионами.

Соотношение минеральной и органической частей почвенного раствора неодинаково в разных почвах. Так, для болотных, подзолисто-болотных

и целинных дерново-подзолистых почв характерно преобладание в почвенном растворе органических веществ над минеральными; в черноземах эти компоненты примерно равны, а в засоленных почвах минеральных соединений больше. Повышенное содержание органических веществ в почвенном растворе имеют также солонцовые почвы благодаря его щелочной реакции к пептизирующему действию поглощенного натрия.

Коллоидно-растворимые формы могут быть представлены органическими и органно-минеральными веществами, золями кремнекислоты и полутараокисей железа и алюминия. 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 их 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.

Из анионов, присутствующих в почвенном растворе, наиболее важное значение для растений имеют NO₃^-, SO₄^2-, фосфат-ионы.

Концентрация почвенного раствора невелика и обычно не превышает нескольких граммов вещества на литр раствора. Исключение составляют засоленные почвы, в которых содержание растворенных веществ может достигать десятков граммов на литр. Так, в подзолах концентрация почвенного раствора составляет 2-3, в черноземах -4-6, в солончаках – 10-300 г/л при оптимальной концентрации для большинства сельскохозяйственных растений 3-6 г/л. Для сравнения: концентрация солей в воде реки Дон -0,5, а в морской воде – 35 г/л.

В почвенных растворах засоленных почв содержится много С1^-,SО₄^2- и Са²⁺, Мg²⁺ и Nа⁺.

Реакция почвенного раствора характеризует актуальную, или активную, кислотность или щелочность почвы и оказывает большое влияние на химические, физико- химические и биологические процессы, протекающие в почве, а также на развитие растений.

Осмотическое давление почвенного раствора имеет важное значение для растений. Если оно равно или выше осмотического давления клеточного сока растений, то поступление воды и растение прекращается, и оно погибает. Осмотическое давление зависит от концентрации почвенного раствора и степени диссоциации растворенных веществ. Наиболее высокое осмотическое давление почвенного раствора у засоленных почв, особенно тяжелых по гранулометрическому составу, с высокой поглотительной способностью.

Осмотическое давление почвенного раствора существенно отличается в разных типах почв и в отдельных горизонтах одной и той же почвы. Осмотическое давление почвенного раствора любой почвы зависит от влажности и интенсивности биологических процессов, поэтому его величина довольно динамична.

Как показали работы Саратовской и Безенчукской сельскохозяйственных опытных станций, при повышенном осмотическом давлении сокращается вегетационный период пшеницы, задерживается кущение, но ускоряются колошение, цветение и созревание, уменьшается транспирационный коэффициент и увеличивается содержание белка в зерне.

Осмотическое давление определяется криоскопическим методом по точке замерзания почвенного раствора.

Окислительно-восстановительные процессы. В почве широко развиты окислительно-восстановительные процессы, и в этом отношении ее можно рассматривать как сложную окислительно-восстановительную систему. Как известно, процессами окисления называются:

1) присоединение кислорода:

+O₂

2KNO₂ 2KNO₃

2) отдача водорода

СН₂СООН СН ---СООН

| | | +H₂

CН₂СООН СН ---CООН

янтарная кислота фумаровая кислота

3) отдача электронов без участия водорода и кислорода:

Fе²⁺ ----е^- = Fe³⁺

Обратные процессы объединяют в понятие «восстановление

Окислительные процессы широко развиты при явлениях превращения органического вещества в почве. Так, в почве 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 (Fе³⁺ Fе²⁺), марганца (Мn⁴⁺ ---Mn²⁺, азота (N⁵⁺ N ²⁺ ). В почве происходит окисление и восстановление кислорода. водорода, серы.

Основным окислителем в почве выступает молекулярный кислород почвенного воздуха, почвенного раствора. По этому развитие окислительных процессов в почвах тесно связано с условиями их аэрации И, следовательно, 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 потенциала. 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 (А_п, 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.

Типы окислительно-восстановительных режимов. Величины Еh в разных почвах в разное время года колеблются в пределах 100—750 мВ, опускаясь иногда до отрицательных значений. В летний период в дерново-подзолистых автоморфных почвах они колеблются в пределах 550—750 мВ, в черноземах — 400—600, в сероземах 350—450 мВ, в болотных почвах опускаются до 200 мВ и ниже. Эти показатели весьма динамичны и при определенном сочетании водно-воздушного, теплового и микробиологического режимов для каждой конкретной почвы характерен свой окислительно-восстановительный режим - соотношение окислительно-восстановительных процессов в почвенном профиле в годичном цикле почвообразования. Различают следующие типы ОВ-режима почв:

• почвы с абсолютным господством окислительной обстановки — амфотерные почвы степей, полупустынь и пустынь (черноземы, каштановые, сероземы, серо-бурые и др.) — Е_h 600 мВ;

• почвы с господством окислительной обстановки при возможном проявлении восстановительных процессов в отдельные влажные годы или сезоны (автоморфные почвы таежно-лесной зоны, лесостепной и влажных субтропиков). — Е_h 450—600 мВ;

• почвы с контрастным ОВ-режимом (полугидроморфные почвы различных зон) — Еh 300—450 мВ;

• почвы с устойчивым восстановительным режимом (болотные почвы и гидроморфные солончаки) — Е_h < 200 мВ.

Наиболее динамичны ОВ-режимы в верхних горизонтах, где активна микробиологическая деятельность, где отмечается снижение ОВП при повышенных температурах (20—30 °С) и оптимальной влажности. В таких условиях происходит накопление восстановительных соединений — продуктов жизнедеятельности микроорганизмов, что сопровождается нарастанием поглощения кислорода.

Окислительно-восстановительные процессы играют большую роль в почвообразовании и оказывают большое влияние на плодородие почв. С ними связаны все процессы превращения органических остатков, темпы накопления гумуса, они влияют на формирование элювиальных горизонтов, от них зависит появление различного рода железисто-марганцевых новообразований (ортштейны, примазки, конкреции, пленки и др.). От состояния ОВ-режима зависит питательный режим, который складывается неблагоприятно как при резко окислительной, так и при восстановительной обстановке. При Е_h порядка 700—750 мВ, господстве аэробной (окислительной) обстановки снижается доступность растениям железа, марганца, отчасти азота. Соединения железа с марганцем выпадают в осадок, а для образования нитратного азота в процессе нитрификации оптимальными являются границы ОВ в интервале 480—340 мВ.

Снижение Е_h до 250 мВ обусловливает накопление восстановленных соединений железа, марганца, ртути в количествах, токсичных для растений. При этом могут накапливаться сероводород, фосфин, этилен, сода, которые также действуют на растения угнетающе. Для большинства растений даже кратковременный анаэробиоз неблагоприятен, поэтому необходимо следить за ОВ-режимом, особенно на мелиорируемых землях.

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

Основные приемы регулирования — воздействие на оптимизацию водного, воздушного режима и структурное состояние почвы.-