? В чем проявляется отрицательное воздействие излишней кислотности почв на растения?

Кислотность усиливает связь фосфора с полуторными окислами и снижает его доступность растениям; приводит к закупорке сосудов корневой системы, что снижает поступление элементов питания; приводит к разрушению структуры почвы, что вызывает ухудшение ее водно-физических свойств, угнетение растений и жизнедеятельности микроорганизмов.

Негативное влияние кислотности на растения проявляется через недостаток кальция и повышенную концентрацию токсичных для растений ионов алюминия, марганца и водорода. В кислых почвах повышается растворимость железа, марганца, алюминия, бора, меди, цинка. При избытке этих элементов продуктивность растений снижается. Высокая кислотность понижает доступность молибдена. Кислая среда угнетающе действует на процессы аммонификации, нитрификации, фиксации азота из воздуха, ухудшая азотный режим почвы. Оптимальные условия для развития микрофлоры, определяющей эти процессы лежат в пределах рН 6,5 – 8,0.

Чувствительность растений к повышенному содержанию подвижных алюминия и марганца различна. Повышенное количество подвижного алюминия в почве приводит к нарушению у растений обмена веществ, формирования генеративных органов и оплодотворения; тормозит развитие корневых систем. Особую проблему представляет наличие его в подпахотном горизонте почвы, где повышенную кислотность нельзя устранить известкованием.

По чувствительности к повышенному содержанию подвижного алюминия Авдонин Н.С. выделяет 4 группы растений:

1) высокоустойчивые – тимофеевка луговая, овес;

2) среднеустойчивые – люпин, кукуруза, просо;

3) повышенно чувствительные – горох, репа, фасоль, гречиха, ячмень, пшеница яровая, лен, турнепс;

4) высокочувствительные – клевер луговой, свекла столовая и сахарная, люцерна, озимая пшеница.

Установлены критические пределы содержания алюминия в почве для ряда культур (табл. 6).

Таблица 6

В кислых и переувлажненных почвах растения могут страдать от повышенного содержания подвижного марганца, негативно влияющего на углеводный, фосфатный и белковый обмен, развитие генеративных органов. Но растения могут выдержать более высокие концентрации растворимого марганца, чем алюминия.

Это прием химической мелиорации, направленный не только на нейтрализацию, но и на улучшение агрофизических, агрохимических и биологических свойств почвы, обеспечение растений кальцием и магнием, что оказывает влияние на мобилизацию и иммобилизацию (перевод элементов питания из недоступных форм в доступные) макро- и микроэлементов в почве, на создание оптимальных условий для жизни культурных растений.

Дозы извести устанавливают по обменной (рН_сол), гидролитической кислотности (Н_г) и по степени насыщенности почв основаниями (V):

1. Установление доз извести по рН_сол:

Если рН_сол = менее 4,5 – почвы сильно нуждаются в известковании;

4,6 – 5,0 – средне нуждаются;

5,1 – 5,5 – слабо нуждаются;

более 5,5 – не требуется известкования.

2. Установление доз извести по гидролитической кислоте (Н_г):

Д = = 1,5Н_г,

ДCaCO₃ = 1,5Н_г, (т/га),

где Д – доза; d – плотность, h – мощность слоя, 50 – молярная масса СаСО₃ в г/моль.

При использовании Са(ОН)₂ дозу извести умножают на коэффициент 1,11, а СаО – умножают на 0,84.

3. Установление доз извести по степени насыщенности почв основаниями:

Если V менее 50 % – почвы сильно нуждаются в известковании;

50 – 70 % – средне нуждаются;

70 – 80 – слабо нуждаются;

более 80 % не нуждаются.

Сроки известкования определяются в зависимости от культуры: в апреле – под культуры ярового сева; в июне-августе – под озимые.

Главная задача при этом – равномерно распределить известь по полю. Через 2-3 года рН приближается к нейтральной:

ППК 2Н⁺ + СаСО₃ → ППК Са²⁺ + Н₂СО₃ ; Н₂СО₃ → Н₂ О + СО₂↑.

К известковым удобрениям относятся:

а) мергель; б) мел; в) доломит; г) жженная известь СаО; д) гашенная известь Са(ОН)₂; е) известковые туфы; ж) отходы свеклосахарной промышленности – дефекат.

Для нейтрализации кислых почв используют физиологически щелочные удобрения: натриевая селитра, мочевина, аммиачная селитра, термофосфат, фосфатшлак, фосфоритная мука и другие.

Актуальная щелочность может быть общей, включающей в себя щелочность от нормальных карбонатов и гидрокарбонатов.

Актуальная щелочность выражается рН_водн:

Если рН_водн 7,2 – 7,5 – слабощелочная;

7,6 – 8,5 – щелочная;

более 8,6 – сильнощелочная.

Если содержание натрия в ППК менее 3 % – почвы несолонцеватые;

3-10 % – слабосолонцеватые;

10-15 % – среднесолонцеватые;

15-20 % – сильносолонцеватые;

более 20 % – солонцы.

Почвы с щелочной реакцией среды формируются в регионах с дефицитом атмосферных осадков, где ограничен вынос из почв и почвообразующих пород продуктов выветривания и почвообразования.

? В чем выражается отрицательное действие излишней щелочности почв на растения?

Высокая щелочность почв неблагоприятна для большинства растений и сельскохозяйственных культур. В условиях щелочной среды в растениях нарушается обмен веществ, снижается растворимость и доступность фосфатов, соединений железа, меди, марганца, бора и цинка. При щелочной реакции в почвенном растворе появляются токсичные для растений вещества, в частности сода и алюминаты натрия. В случае резкого повышения рН корневые волоски растений испытывают щелочной ожог, что негативно отражается на их дальнейшем развитии и может привести к отмиранию. Сильнощелочные почвы характеризуются ярко выраженными отрицательными агрофизическими свойствами, что связано с пептизацией почвенных коллоидов и растворением гумусовых веществ. Такие почвы обесструктуриваются, приобретают высокую липкость, связность во влажном состоянии; отличаются плохой фильтрацией, водопроницаемостью и неудовлетворительным водно-воздушным режимом. Сильнощелочные почвы малоплодородны. Но щелочность почвы менее вредна, чем кислотность.

ППК 2Nа⁺ + CaSO₄ → ППК Са²⁺ + Nа₂SO₄

Для улучшения свойств солонцеватых почв в качестве мелиоранта чаще всего используется гипс CaSO₄^.2Н₂О. Доза гипса (т/га) рассчитывается по формуле:

ДCaSO₄ = 0,086 (Nа – 0,1 Е)^. h^. d^. 100

где 0,086 – значение 1 мг-экв. гипса; Nа – содержание обменного натрия, мг-экв/100 г почвы; 0,1 – содержание обменного натрия, не оказывающее отрицательного влияния на свойства почвы, % от емкости обмена (Е); Е – емкость обмена, мг-экв/100 г почвы; h – мощность пахотного слоя, см; d – плотность почвы, г/см³; 100 – коэффициент пересчета в %.

Важное условие эффективной химической мелиорации щелочных почв является удаление продуктов нейтрализации и обменных реакций, чаще всего, сернокислого натрия (Nа₂SO₄).

В качестве гипсующих веществ применяют гипс и фосфогипс.

? Какие еще мероприятия проводятся для нейтрализации щелочности?

Применение кислых минеральных удобрений: хлористый аммоний, сульфат аммония, суперфосфаты, аммиачная селитра; внесение навоза, лигнина.

В качестве средств кислования можно применять отходы промышленности, содержащие сильные кислоты или серу; последняя с помощью бактерий окисляется до серной кислоты. Но экономически это не эффективно.


2.1.4. РЕАКЦИЯ СРЕДЫ ОСНОВНЫХ ТИПОВ ПОЧВ

?Какие значения рН характерны для различных типов почв?

В природных условиях реакция почвенного раствора колеблется от рН 3-3,5 (в сфагновых торфах) до рН 9-10 (в солонцовых почвах) и рН 11-12 (в содовых солончаках). Но чаще всего она не выходит за пределы значений рН 4-8.

Щелочную реакцию раствора имеют почвы сухих степей, полупустынь и пустынь – это южные черноземы и каштановые (рН 7,2- 8,5), сероземы (рН 8,5), солонцы (рН более 8,5).

Близкая к нейтральной (рН 6,5-7,0) реакция раствора у выщелоченных, обыкновенных и типичных черноземов.

Оподзоленные черноземы, темно-серые лесные почвы имеют слабокислую реакцию среды (рН 6,0-6,5); дерново-подзолистые, подзолистые и болотные почвы имеют кислую и сильнокислую реакцию среды (рН 4-5).

Различные растения неодинаково относятся к реакции почв. Одни из них могут расти в очень широких пределах рН, а другие очень чувствительны к изменению среды.

Кислые почвы занимают в нашей стране значительные площади и широко используются после окультуривания для выращивания зерновых, кормовых, овощных и технических культур.

1. Какая величина характеризует реакцию среды?

2. Какие компоненты почвенного раствора и ППК формируют почвенную кислотность?

3. Какие виды почвенной кислотности вы знаете?

4. Какова природа актуальной кислотности почв?

5. В чем заключается сущность потенциальной кислотности почв?

6. Как определяют обменную и гидролитическую кислотность почв?

7. Как влияет излишняя кислотность на развитие растений и жизнедеятельность микроорганизмов?

8. Какие мероприятия применяют для устранения излишней кислотности?

9. Какие виды щелочности почв вы знаете?

10. Как определить степень солонцеватости почв?

11. Как влияет излишняя щелочность на развитие растений и жизнедеятельность микроорганизмов?

12. Какие мероприятия применяют для устранения излишней щелочности?

13. Какова реакция среды различных типов почв?

• 
  Буферные системы почвенного раствора и твердой фазы почвы.
  
• 
  Механизм буферного действия.
  
• 
  Буферные свойства различных типов почв.
  
• 
  Количественные характеристики буферных свойств.
  
• 
  Методы экспериментального исследования буферности почв.
  

• 
  Дать представление о буферных системах почв.
  
• 
  Раскрыть механизм буферного действия.
  
• 
  Дать характеристику буферной способности различных типов почв.
  
• 
  Показать значение исследования буферных свойств почвы для оценки ее устойчивости к воздействию кислотных и щелочных агентов.
  

• 
  Понимать значение буферности почвы как одной из характеристик ее плодородия.
  
• 
  Прогнозировать буферную способность почв в зависимости от их механического состава, содержания гумуса, состава поглощенных катионов.
  
• 
  Определять количественные характеристики буферности почв.
  
• 
  Знать приемы повышения буферной способности.
  

1. 
   Мамонтов В.Г., Панов Н.П., Кауричев И.С., Игнатьев Н.Н. Общее почвоведение. – М.: КолосС, 2006. – 456 с.
   
2. 
   Орлов Д.С., Садовникова Л.К., Суханова Н.И. Химия почв. – М.: Высшая школа, 2005. – 558 с.
   

1. 
   Васильков В.Ф., Казеев К.Ш., Колесников С.М. Почвоведение. Учебник для ВУЗов. – М.: Ростов н/Д, 2006. – 495 с.
   
2. 
   Возбуцкая А.Е. Химия почв. – М.: Высшая школа, 1968. – 427 с.
   
3. 
   Жукова Н.Н., Суслова Т.А. Физико-химические процессы в почвах: Учебное пособие. – Сарат. гос. агр. ун-т им.Вавилова, Саратов, 2003. – 54 с.
   
4. 
   Ковриго В.П., Кауричев И.С., Бурлакова Л.М. Почвоведение с основами геологии. – М.: Колос, 2000. – 415 с.
   
5. 
   Муха Д.В. Агропочвоведение. – М.: Колос, 1994. – 528 с.
   
6. 
   Почвоведение / под ред. Кауричева И.С. – М.: Агропромиздат, 1989. – 719 с.
   
7. 
   Синицына Н.Е., Пронько В.В., Медведев И.Ф., Палагина Т.Я., Павлова Т.И. Физико-химические свойства почв: Метод. указания к лабораторным занятиям. ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ». – Саратов, 2006. – 54 с.
   

В почве в результате биологических, химических и физико-химических процессов происходит образование избытка кислот и оснований, что влечет за собой изменение реакции среды. Кроме этого, реакция среды меняется при внесении в почву физиологически кислых и физиологически щелочных удобрений, а также химических мелиорантов. Изучение различных типов почв показало, что для одних характерны резкие колебания рН, а другие устойчивы к таким воздействиям.

Носителем буферных свойств почвы в основном является ее твердая фаза (почвенные коллоиды) и меньшей степени почвенный раствор.

Буферность твердой части почвы обусловлена способностью почвенных коллоидов к поглощению катионов и обмену их на катионы почвенного раствора. Поглощенные основания (Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺) оказывают буферное действие против подкисления. Если в почве, насыщенной основаниями появляется кислота, то происходит реакция обмена между катионами водорода кислоты и обменными катионами почвенного поглощающего комплекса:

ППК Ca²⁺ + 2HCl  ППК 2H⁺ + CaCl₂.

В результате катионы водорода переходят в поглощенное состояние, а в растворе образуется нейтральная соль.

Буферность по отношению к щелочам обеспечивают поглощенные катионы водорода и алюминия. При появлении в почве щелочи, она нейтрализуется в результате обменных реакций, например:

ППК 2H⁺ + Ca(OH)₂  ППК Ca²⁺ + 2H₂O.

Кроме почвенных коллоидов, буферные свойства почвы обеспечивают минералы, например карбонаты кальция и магния. Они противостоят подкислению, связывая катионы водорода с образованием гидрокарбонатов:

2CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + Ca(HCO₃)₂.

Буферные системы жидкой фазы почвы представлены содержащимися в почвенном растворе слабыми кислотами, основаниями и их солями. Наибольшее значение здесь имеют карбонатные, фосфатные буферные системы, а также на основе органических кислот.

Представим механизм буферного действия на примере карбонатной буферной системы: NaHCO₃ и Na₂CO₃. При добавлении к такому раствору кислоты или щелочи происходят реакции их нейтрализации с образованием компонентов буферного раствора и нейтральных соединений:

NaHCO₃ + NaOH → Na₂CO₃ + H₂O,

Na₂CO₃ + HCl → NaHCO₃ + NaCl.

2.2.2. ХАРАКТЕРИСТИКА БУФЕРНЫХ СВОЙСТВ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ ПОЧВ

? Как состав почвы влияет на ее буферные свойства?

Буферность почв зависит от:

• 
  Количества и состава почвенных коллоидов. Чем больше коллоидов в почве, тем выше ее буферность. Песчаные почвы почти не обладают буферностью. Чем выше в почвах содержание гумуса, глинистых минералов, тем их буферность выше.
  
• 
  Состава обменных катионов. Наличие большого количества катионов Са²⁺, Mg²⁺, Na⁺ создает буферность против кислот; катионов H⁺, Al³⁺ – буферность против щелочей.
  

Наибольшей буферностью – как против подкисления, так и против подщелачивания обладают черноземы, т.к. хорошо гумусированы и содержат в большом количестве катионы кальция, магния.

Солонцеватые почвы, содержащие в большом количестве поглощенный натрий, проявляют высокую буферность против подкисления.

Подзолистые почвы и красноземы обладают высокой буферностью против подщелачивания, т.к. содержат поглощенные катионы водорода и алюминия.

Таблица 8

Сравнительная характеристика почв относительно песка (В.А.Ковда)

Почвы	Буферность против кислот	Буферность против щелочей
Подзолистые и красноземы	1 – 2	10
Черноземы и серые лесные	2 – 3	5 – 8
Каштановые	8 – 10	2
Солонцеватые	10	1
Пески	1	1

2.2.3. КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БУФЕРНЫХ СВОЙСТВ ПОЧВЫ И ИХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ

? Что такое буферная емкость почв?

Любая буферная система выполняет свои функции до тех пор, пока содержащиеся в ней компоненты способны связывать добавленные количества кислоты или щелочи и сохранять значение рН на прежнем уровне. Если компоненты буферной системы «не справляются» с большим количеством кислотных или щелочных агентов, то буферное действие прекращается. С количественной стороны буферное действие характеризуется величиной буферной емкости.

В = ,

где В – буферная емкость, ммоль/кг почвы;

С – концентрация кислоты или щелочи, ммоль/л;

V – объем кислоты или щелочи, л;

– абсолютная величина разности конечного и начального значения рН;

m – масса навески почвы, кг.

На практике исследование буферной способности почвы проводят методом потенциометрического титрования. Сущность определения состоит в постепенном прибавлении раствора НСl (при определении буферности по отношению к кислотам) или раствора NaOH (при определении буферности по отношению к щелочам) к водной почвенной суспензии и измерении рН. По результатам измерений строится кривая титрования – кривая буферности, описывающая буферную способность почвы. На рисунке 4 приведены кривые буферности.

Рис. 4. Кривые буферности:

1 – песчаная почва, 2 – чернозем.
Кривая 1 соответствует песчаной почве, ей свойственно резкое изменение рН как при титровании кислотой, так и при титровании щелочью. Такая почва почти не обладает буферностью. Пологий характер кривой 2 (чернозем) говорит о высокой буферности как по отношению к кислотам, так и по отношению к щелочам.

Для характеристики буферных свойств определяют показатель – буферная площадь. Это площадь, ограниченная кривой буферности данной почвы и кривой буферности песка, выраженная в см². Эта площадь разбивается на два участка – для кислой и для щелочной области. В случае почв с низкой буферностью кривые почвы и песка расположены ближе друг к другу и буферная площадь меньше, тогда как для почв с высокой буферностью эта величина больше.

Буферная способность является одной из характеристик почвенного плодородия. Она позволяет почве сохранять благоприятные для растений свойства.

Исследование буферных свойств почв позволяет оценить их устойчивость к кислотным дождям и другим вредным химическим воздействиям. В последнее время наблюдается снижение буферности почв как сельскохозяйственного назначения, так и городских. Причина этой экологической проблемы – возрастающее антропогенное воздействие на окружающую среду.

Буферность почв следует учитывать при проведении химической мелиорации (известковании и гипсовании). Почва, обладающая буферностью, требует внесения повышенных доз химических мелиорантов вследствие сопротивления изменению кислотности.

Буферность почв следует учитывать при внесении удобрений. В почвах с низкой буферностью возможно резкое изменение кислотности среды при внесении удобрений. Так, например, на подзолистых почвах внесение физиологически кислых удобрений может вызвать понижение кислотности. В этом случае требуется известкование.

? Какие меры позволяют повысить буферность почвы?

Повышение буферности почв может быть достигнуто внесением коллоидов (ил, глины), органических удобрений (навоз, торф, зеленое удобрение), возделыванием многолетних трав. Известкование кислых почв повышает степень насыщенности почвы основаниями и, следовательно, увеличивает ее буферность.

1. Что понимают под кислотно-основной буферностью почв?

2. Какие основные буферные системы содержатся в почвах?

3. В чем заключается роль почвенных коллоидов как носителей буферных свойств почвы?

4. Какова роль почвенного раствора в обеспечении буферных свойств почвы?

5. От каких факторов зависит буферность почв?

6. Сравните буферную способность различных типов почв.

7. Как на практике определяется буферная способность почвы?

8. Что характеризует показатель «буферная емкость почвы»?

9. Почему следует учитывать буферные свойства почвы при внесении минеральных удобрений и химических мелиорантов?

10. В чем заключается экологическое значение буферных свойств почвы?

11. Какие способы повышения буферной способности почв вы знаете?

• 
  Окислительно-восстановительный потенциал почвы, его измерение.
  
• 
  Факторы, влияющие на величину окислительно-восстановительного потенциала почвы.
  
• 
  Типы окислительно-восстановительных режимов.
  
• 
  Способы регулирования окислительно-восстановительного состояния почв.
  

• 
  Дать представление об окислительно-восстановительных системах почв.
  
• 
  Раскрыть понятие окислительно-восстановительного потенциала как характеристики окислительно-восстановительного состояния почвы.
  
• 
  Рассмотреть окислительно-восстановительное состояние различных типов почв.
  
• 
  Показать роль окислительно-восстановительных процессов в почвообразовании и плодородии почв.
  

• 
  Проводить экспериментальное измерение окислительно-восстановительных потенциалов почв.
  
• 
  Знать приемы регулирования окислительно-восстановительных процессов в почве.
  

1. 
   Мамонтов В.Г., Панов Н.П., Кауричев И.С., Игнатьев Н.Н. Общее почвоведение. – М.: КолосС, 2006. – 456 с.
   
2. 
   Орлов Д.С., Садовникова Л.К., Суханова Н.И. Химия почв. – М.: Высшая школа, 2005. – 558 с.
   

1. 
   Вальков В.Ф., Казеев К.Ш., Колесников С.И. Почвоведение: Учебник для вузов. – М.: ИКЦ «МарТ», Ростов н/Д: Издательский центр «МарТ», 2004. – 496 с.
   
2. 
   Возбуцкая А.Е. Химия почв. – М.: Высшая школа, 1968. – 427 с.
   
3. 
   Ганжара Н.Ф., Борисов Б.А., Байбеков Р.Ф. Практикум по почвоведению. – М.: Агроконсалт, 2002. – 280 с.
   
4. 
   Жукова Н.Н., Суслова Т.А. Физико-химические процессы в почвах: Учебное пособие. – Сарат. гос. агр. ун-т им.Вавилова, Саратов, 2003. – 54 с.
   
5. 
   Муха Д.В. Агропочвоведение. – М.: Колос, 1994. – 528 с.
   
6. 
   Почва и почвообразование / под ред. В.А. Ковды, Б.Г. Розанова. 1-2 часть. – М.: Высшая школа, 1989. – 400 с.
   
7. 
   Почвоведение / под ред. Кауричева И.С. – М.: Агропромиздат, 1989. – 719 с.
   
8. 
   Савич В.И., Амергужин Х.А., Карманов И.И., Булгаков Д.С., Федорин Ю.В., Карманова Л.А. Оценка почв. – Астана, 2003. – 544 с.
   
9. 
   Синицына Н.Е., Пронько В.В., Медведев И.Ф., Палагина Т.Я., Павлова Т.И. Физико-химические свойства почв: Метод. указания к лабораторным занятиям. ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ». – Саратов, 2006. – 54 с.
   

Как известно, окислительно-восстановительными называются реакции, сопровождающиеся переходом электронов от одних атомов, молекул или ионов к другим. Процесс отдачи электронов называется окислением (при этом сами вещества, отдающие электроны называются восстановителями). Процесс присоединения электронов – восстановление, а вещества – окислители.

Окислительно-восстановительную реакцию в общем виде можно представить следующим образом:

Ox + ne ↔ Red,

где Ox – окислитель, Red – восстановитель, n – число электронов, участвующих в реакции.

? Какие окислительно-восстановительные процессы происходят в почвах?

Почва – сложная окислительно-восстановительная система. Окислительно-восстановительные реакции в почвах протекают с участием как органических, так и неорганических веществ. К реакциям окисления относятся процессы гумификации растительных остатков. Окислительно-восстановительные превращения претерпевают макро– и микроэлементы: азот, сера, железо, марганец и другие. Основным окислителем является кислород почвенного воздуха и растворенный в почвенном растворе. При этом образуются окислительно-восстановительные пары, в которых элементы находятся в разных степенях окисления: O₂ – 2O^2-, NO₂^- – NO₃^-, SO₄^2- – S^2-, Fe³⁺ – Fe²⁺, MnO₂ – Mn²⁺.

Наряду с химическими процессами окисления и восстановления в почвах широко распространены биохимические процессы, протекающие с участием микроорганизмов.

Эти процессы могут иметь как обратимый характер (например, окислительно-восстановительные превращения соединений железа), так и необратимый (окисление органических веществ).

Для количественной характеристики окислительно-восстановительного состояния почвы служит величина окислительно-восстановительного потенциала (ОВП), который определяется уравнением Нернста:

Eh = E⁰ + ln,

где Е⁰– стандартный окислительно-восстановительный потенциал; R – универсальная газовая постоянная; Т – температура; F – постоянная Фарадея; n – число электронов, участвующих в окислительно-восстановительной реакции; а_ох и а_red – активности окисленной и восстановленной форм соединений.

При подстановке числовых значений R, F и T = 298К и замене натурального логарифма на десятичный уравнение приобретает вид:

Eh = E⁰ + lg.

Стандартный окислительно-восстановительный потенциал E⁰ в уравнении Нернста равен Eh при =1. Значения E⁰ для различных окислительно-восстановительных систем приводится в справочниках.

Таблица 9

Значения окислительно-восстановительных потенциалов почв находятся в интервале от – 200 мВ до + 700 мВ. Для выращивания сельскохозяйственных культур наиболее благоприятным является интервал значений окислительно-восстановительных потенциалов от + 400 мВ до + 650 мВ.

Для характеристики направленности окислительно-восстановительный процессов в почве в зависимости от ОВП предложено несколько классификаций, но общепринятой не выработано. Например, Н.К.Хтрян для почв Армении предложил использовать следующую шкалу (табл. 10):

Таблица 10

Достижение значения ОВП 350–450 мВ говорит о смене окислительных условий на восстановительные (или наоборот).

Измерение окислительно-восстановительного потенциала проводится потенциометрическим методом с использование платинового электрода в качестве индикаторного и хлорсеребряного в качестве электрода сравнения. Потенциал платинового электрода равен окислительно-восстановительному потенциалу E_h; потенциал электрода сравнения является постоянным. Электроды непосредственно помещаются в почву и измеряется ЭДС цепи, которая представляет собой разность потенциалов двух электродов: ЭДС = E_h – E_ср. Тогда величина ОВП вычисляется по формуле: E_h = ЭДС + E_ср.

Определение ОВП можно проводить как в полевых условиях, так и в лаборатории. Более правильные представления о ОВП получают в результате измерений, выполненных непосредственно в природной обстановке. Только в таких условиях не нарушается сложившееся окислительно-восстановительное состояние почвы. В лабораторных условиях ОВП измеряют в свежеотобранных образцах с ненарушенной структурой. В основном лабораторные исследования служат для изучения изменения окислительно-восстановительного потенциала в модельных опытах.
2.3.2. ЗАВИСИМОСТЬ ОВП ПОЧВЫ ОТ ЕЕ СОСТОЯНИЯ

? Какие факторы влияют на величину ОВП почв?

Проявление окислительно-восстановительных процессов в почве зависит от ее генетических свойств, водного, воздушного, температурного и биохимического режимов. Окислительно-восстановительный потенциал почвы – чрезвычайно динамичная величина. ОВП зависит не от некоторых факторов (аэрация, влажность, температура, интенсивность микробиологической деятельности), а от совокупности их действия.

Аэрация, которая определяется структурой, плотностью, гранулометрическим составом, тесно связана с режимами увлажнения и высушивания почвы. Действие этих факторов определяет содержание в почвенном воздухе и почвенном растворе кислорода – основного окислителя. Ухудшение аэрации в результате повышения влажности почвы, ее уплотнения, образования корки ведет к снижению ОВП. При пористости аэрации 18-20% создается благоприятный воздухообмен, что обеспечивает протекание окислительных процессов. При пористости аэрации менее 6% интенсивно развиваются восстановительные процессы.

Значительное снижение ОВП наблюдается при высокой влажности, близкой к полной влагоемкости (более 90% ПВ), когда сильно нарушается нормальный газообмен почвенного воздуха с атмосферным. При 10-90% ПВ снижение ОВП в большинстве почв происходит медленно. Связь изменения ОВП почвы с ее влагонасышенностью не всегда действует однозначно. Если атмосферные осадки обогащены растворенным кислородом, то существенного изменения ОВП не наблюдается или даже приводит к его повышению. Содержание влаги в почве оказывает влияние на микробиологическую деятельность, определяющую потребление кислорода, на растворение минеральных и органических веществ почвы, что также сказывается на ее окислительно-восстановительном состоянии.

Интенсивность жизнедеятельности почвенных микроорганизмов и, как следствие, расход кислорода, а также скорость химических окислительно-восстановительных реакций тесно связаны с температурой. При избыточном увлажнении и при температуре более 10⁰ происходит быстрое возникновение восстановительных процессов и ухудшение условий роста растений. Переувлажнение в течение 5-7 дней при температуре 1-5⁰ не вызывает резкого изменения окислительно-восстановительного состояния почвы.

Содержания органического вещества – фактор, действующий неоднозначно. Свежее органическое вещество, богатое белками и углеводами, являясь благоприятным материалом для жизнедеятельности микроорганизмов, способствует интенсивному расходу кислорода и развитию восстановительных процессов (в увлажненной почве). Сухость вызывает окислительные процессы.

Таким образом, в целом увлажнение почвы, ухудшение аэрации, внесение свежего органического вещества приводят к снижению ОВП и наоборот, высушивание, улучшение аэрации повышают его.
2.3.3. ТИПЫ ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ РЕЖИМОВ

? Какие значения ОВП наблюдаются у почв различных типов?

Различные типы почв характеризуются своими особенностями в развитии окислительно-восстановительных процессов. Для автоморфных почв в условиях обычного для них увлажнения величина ОВП имеет значения: 550-750 мВ для дерново-подзолистых и подзолистых почв, 400-600 мВ для черноземов, 350-450 для сероземов, что говорит о преобладании окислительных процессов.

В почвах с дополнительным грунтовым увлажнением низкие значения ОПВ отвечают восстановительным условиям. Для луговых и пойменных почв величина Eh составлят 300-400 мВ, в почвах с залеганием грунтовых вод, влажных солончаках, болотных, лиманных почвах Eh не превышает +200 мВ в верхней границе значений и может снижаться до величин от +100 до –100 мВ. Снижение ОВП до –150 мВ наблюдается в затопленных почвах рисовых полей.

? Как классифицируют почвы по окислительно-восстановительным режимам?

Окислительно-восстановительный режим почв – это соотношение окислительно-восстановительных процессов в годичном цикле почвообразования.

В первом приближении почвы делят на две большие группы:

• 
  почвы с преобладанием окислительных процессов;
  
• 
  почвы с преобладанием восстановительных процессов.
  

Вторая группа включает луговые, пойменные, болотные почвы, почвы затопляемых рисовых полей.

Однако такое деление недостаточно полно отражает сложность и многообразие окислительно-восстановительных процессов. Поэтому предложены более детальные классификации окислительно-восстановительных режимов. В классификации И.С. Кауричева различаются четыре типа окислительно-восстановительных режимов:

1) Почвы с абсолютным господством окислительных процессов: автоморфные почвы степей, полупустынь и пустынь; черноземы, каштановые, бурые полупустынные, сероземы;

2) Почвы с господством окислительных процессов: дерново-подзолистые, серые лесные, красноземы;

3) Почвы с контрастным окислительно-восстановительным режимом: полугидроморфные почвы любых зон;

4) Почвы с господством восстановительных процессов (болотные, гидроморфные солончаки).

? Что называют напряженностью окислительно-восстановительных процессов?

Протекание многих химических и особенно биохимических окислительно-восстановительных процессов связано с реакцией среды (рН). Для характеристики таких окислительно-восстановительных систем следует учитывать наряду с Eh и рН.

Для получения сравнимых данных по окислительно-восстановительным условиям при различных значениях рН ученый Кларк предложил ввести показатель напряженности ОВП – rН₂ , который представляет собой отрицательный логарифм давления молекулярного водорода и вычисляется по формуле:

rН₂ = Eh/30 + 2 рН.

В почвах с хорошей аэрацией rН₂ колеблется от 28 до 34; при развитии восстановительных процессов – от 22 до 25; в оглеенных почвах – менее 20.
2.3.4. РОЛЬ ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ В ПОЧВООБРАЗОВАНИИ И ПЛОДОРОДИИ ПОЧВ

? В чем состоит необходимость изучения окислительно-восстановительного состояния почв?

С развитием окислительно-восстановительных процессов тесно связано формирование почвенного профиля (гумусовых, торфяных, оглеенных горизонтов), питательного режима почв; образование токсичных соединений.

1) Окислительно-восстановительный режим почв влияет на процессы превращения органического вещества. Избыточное увлажнение и развитие восстановительных процессов замедляет процессы гумификации и минерализации, способствует образованию подвижных и активных форм органических веществ (торф). Иссушение приводит к окислению органического вещества, т. е. полной минерализации.

2) С окислительно-восстановительным состоянием почвы связаны процессы превращения минеральных веществ: соединений азота, фосфора, серы, железа, марганца и других. Это играет роль в питании растений, в формировании почвенного профиля.

Состояние азота в почве определяется протеканием процессов нитрификации и денитрификации. Оптимальные значения ОВП для нитрификации составляют 350-500 мВ. Падение ОВП ниже 350 мВ приводит к денитрификации – потери азота из почвы в виде газообразных соединений (NO, N₂O, N₂). Сердобольским И.П. предложены следующие градации окислительно-восстановительных условий протекания этих процессов:

Таблица 11

Поведение фосфора в почве связано с содержанием окисленных и восстановленных форм железа. При развитии контрастного окислительно-восстановительного режима в пахотных горизонтах почвы происходит накопление несиликатных подвижных соединений гидроксидов железа, которые, которые связывают фосфор почвы и удобрений в трудноусвояемые растениями формы.

Соединения серы в почве представлены сульфатами в аэробных условиях и сульфидами – анаэробных. Восстановительные процессы начинают преобладать в переувлажненных или затопляемых почвах при потенциалах от –100 до –200 мВ. При этом образуются сероводород и сульфиды железа, придающие почвам темную окраску. Восстановление сульфатов в анаэробных условиях, происходящее с участием сульфатредуцирующих бактерий приводит к подщелачиванию и образованию содового засоления.

Резко окислительные условия также неблагоприятны для растений. Аэробная обстановка в почве с Eh выше 650 мВ способствует утрате подвижности и недоступности растениям соединений железа и марганца вследствие образования гидроксидов. Создание восстановительных условий, особенно в кислой среде, способствует образованию подвижных восстановленных форм железа, марганца, алюминия, в больших количествах токсичных для растений. Кроме того, анаэробная обстановка способствует образованию сероводорода, метана, этилена, угнетающе действующих на растения.

С восстановительными процессами (при снижении ОВП до 200 мВ и ниже) связаны процессы глееобразования. Сизую окраску глеевым горизонтам придают закисные формы железа.

3) Окислительно-восстановительные процессы оказывают влияние на миграцию отдельных элементов. Восстановительные процессы повышают миграционную способность марганца, железа, тяжелых металлов.

Управление окислительно-восстановительными процессами в почве достигается агротехническими и агромелиоративными приемами, направленными на создание оптимальных условий аэрации, водного и микробиологического режимов. Если для переувлажненных почв необходимо усиление окислительных процессов, то для почв сухостепных районов может стоять и обратная задача снижения ОВП, что способствует мобилизации питательных элементов. Для решения этих задач используются:

1) Агротехнические приемы по борьбе с поверхностным увлажнением или коркой – это создание мощного пахотного слоя, улучшение его структуры, поддержание оптимальной плотности и пористости; планировка (выравнивание) поверхности почвы; рыхление подпахотного горизонта; отвод поверхностных вод путем устройства водоотводных борозд, кротование, щелевание и другое.

2) Осушительные мелиорации.

3) Оросительные мелиорации.

4) Внесение органического вещества (навоз, сидераты, запахивание соломы).

5) А главное чередование условий – регулировать недлительное увлажнение почвы сменой кратковременного иссушения.

Контрольные вопросы и задания

1. Какие окислительно-восстановительные системы присутствуют в почвах?

2. Раскройте понятие окислительно-восстановительного потенциала как количественной характеристики окислительно-восстановительного состояния почвы.

3. Какой интервал значений ОВП благоприятен для выращивания сельскохозяйственных культур?

4. Как на практике измеряют окислительно-восстановительный потенциал почвы?

5. Какие факторы влияют на величину ОВП почвы?

6. Раскройте связь между аэрацией почвы и направленностью окислительно-восстановительных процессов.

7. Как изменяется окислительно-восстановительный потенциал при изменении влажности и температуры?

8. Какие значения ОВП наблюдаются у почв различных типов?

9. Как характеризуют почвенные процессы в зависимости от величины ОВП?

10. Как классифицируют почвы по окислительно-восстановительным режимам?

11. Как влияет окислительно-восстановительный потенциал на состояние макро- и микроэлементов в почве?