Невысокая гумусность дерново-подзолистых почв, фульватный характер гумуса, накопление несиликатных соединений же леза являются причиной низкой буферности данных почв к из менению ОВП при избыточном увлажнении. Для черноземов и каштановых почв характерен гуматный тип малоподвижного гумуса, консервативность минеральных форм железа. Поэтому при их переувлажнении ОВП изменяется медленно, т. е. они об ладают повышенной буферностью к развитию восстановительных процессов.
11.5. Зависимость Eh от рН почвы
Многие окислительно-восстановительные реакции в почвах идут с участием ионов водорода, поэтому Eh зависит от рН раст вора. Как правило, в кислой среде окисление идет при более высоких значениях Eh по сравнению с щелочными условиями, т. е. чем выше рН почвы, тем меньше при прочих равных усло виях будет содержание в почве восстановленных форм соедине ний различных элементов. Подкисление почвы должно вызывать обратную реакцию — накопление соединений, характеризующих ся наименьшей степенью окисления.
Длительное время в почвоведении и агрохимии существо вало представление, что изменение рН почвы на единицу вы зывает сдвиг ОВП на 58 мВ (при 20°С). При этом считалось, что возрастание рН вызывает снижение потенциала почвы. В настоящее время установлено, что между рН и ОВП почвы су ществуют более сложные связи и вывести единую количествен ную зависимость между рН и ОВП для всех почв не представ ляется возможным.
Для получения приближенно-оценочных данных по окисли тельно-восстановительным условиям в средах с различным зна чением рН нередко используют понятие водородного потенциала
(rН2 ), учитывая его условность: |
|
rН2 = Eh/29 + 2рН. |
(48) |
Предложено оно У. М. Кларком и представляет собой отрицатель ный логарифм концентрации молекулярного водорода. rН2 выше 27 характеризует преобладание окислительных процессов. При создании в почвах восстановительной обстановки rН2 колеблется в пределах 22—25; при интенсивном развитии восстановительных процессов падает ниже 20.
11.6. Окислительно-восстановительное состояние
почв
Eh в разных типах почв и почвенных горизонтах уклады ваются обычно в пределах 100—750 мВ, опускаясь иногда до отрицательных значений. По ОВ состоянию почвы подразделяют-
211
ся на две большие группы: 1) с преобладанием окислительных
и2) с преобладанием восстановительных условий.
Кпервой группе относится большинство типов автоморфных почв, Eh которых колеблется в довольно узких пределах. Для почв этой группы, находящихся в обычном для них режиме увлажнения, характерны следующие средние значения Eh, мВ; для дерново-подзолистых и подзолистых почв 450—600; для серых лесных, черноземов и сероземов 500—650. Общей тен денцией для этих почв в условиях оптимального увлажнения являются несколько более высокие показатели Eh в горизонтах
Впо сравнению с гумусовым горизонтом (на 20—50 мВ). Но эта общая закономерность профильного распределения ОВП сильно зависит от конкретных погодных условий. Поэтому она часто на рушается. Так, в периоды избыточной влажности потенциал этих почв, особенно их гумусовых горизонтов, может снизиться до 350—250 мВ. В орошаемых черноземах при обычных вегета
ционных поливах также может иметь место снижение ОВП (с 600—650 до 400—300 мВ), но оно кратковременно и в течение нескольких часов или 1—2 сут после полива Eh почвы практи чески достигает прежних значений.
Вторая группа включает почвы полугидроморфные и гидроморфные, т. е. почвы с близким залеганием грунтовых вод (лу говые, пойменные, болотные и почвы, подтопленные водохрани лищами, орошаемые методом затопления под культуру риса). В луговых и пойменных почвах отмечаются колебания ОВП от 450 до 300 мВ. Наиболее низкие показатели ОВП свойственны нижним оглеенным горизонтам и горизонтам грунтовых вод (+100 ÷ –100 мВ). Болотные почвы чаще характеризуются ста бильными низкими показателями E h = –200 мВ и ниже. Резкие изменения ОВП характерны для почв рисовых полей. Здесь пере
пады ОВП в органогенных горизонтах |
могут достигать 600— |
700 мВ и в отдельных случаях более |
(с 400—600 до –100÷ |
÷ –150 мВ в затопленных почвах). В этих почвах окислительная обстановка предполивного периода после затопления в те чение 5—10 сут меняется на резко восстановительную. Для почв 2-й группы характерна гетерогенность ОВ условий на фоне гос подства в целом в почве восстановительной обстановки. Осо бенно четко эта неоднородность проявляется в гумусированных горизонтах почв.
Установлено, что снижение Eh до 350—450 мВ служит обыч но показателем среды, в которой окислительные условия ме няются на восстановительные (Д. С. Орлов, Б. Г. Розанов, С. Г. Саакян, 1970). ОВП порядка 200 мВ и ниже свидетельст вуют об интенсивном развитии в почвах восстановительных про цессов с типичными признаками глееобразования.
11.7. Зависимость ОВП почвы от ее состояния
ОВП почв чрезвычайно дина мичен. Зависит он не от какоголибо одного или нескольких фак торов, а от совокупности всех свойств почв и динамики протека ющих в ней процессов. Главным условием, определяющим интен сивность и направленность окис лительно-восстановительных про цессов, являются режимы влаж ности и аэрации и интенсивность микробиологической деятель
ности.
Увлажнение почвы, особенно чрезмерное орошение, ухудшение аэрации, внесение свежего орга
нического вещества приводят к снижению ОВП. При этом ОВП почв может снизиться с 500—600 до 200—300 мВ, а в отдельных
случаях |
(при |
затоплении почв |
в условиях рисосеяния) до |
— 100÷ |
–200 |
мВ. И, наоборот, |
при высушивании почв, улуч |
шении газообмена потенциал почв повышается. Главная особен ность влияния степени увлажнения почвы на ее ОВ состояние определяется тем, что динамика влажности почв тесно связана с условиями ее аэрации, т. е. с динамикой важнейшего фактора, определяющего развитие ОВ процессов, — концентрацией сво бодного кислорода в почвенном воздухе и растворе. Вместе с тем содержание влаги в почве оказывает непосредственное влияние на интенсивность микробиологических процессов, определяющих скорость потребления кислорода. Кроме того, повышение влаж ности почвы способствует переходу в мобильное состояние раз личных компонентов органической и минеральной частей почвы, прямо или косвенно влияющих на ее ОВП.
В опытах И. П. Сердобольского (1940) было показано, что в дерново-подзолистых почвах, в гумусовом горизонте почв (со держание гумуса 3,5—4,0%) повышение влажности от 10 до 60% полной влагоемкости почв (ПВ) приводит к очень незначи тельным изменениям ОВП (рис. 41); при увлажнении же почвы до 90% ПВ и выше в этих почвах отмечается резкое падение ОВП: на 200—300 мВ уже через 4 сут компостирования об разца, т. е. переувлажнение обусловливает создание в гумусовых горизонтах почв в короткий срок устойчивой восстановительной обстановки. В безгумусных же образцах породы потенциал почвы практически не изменился при увеличении влажности от 60 до 90% ПВ. Связано это с подавленностью здесь микробио логических процессов в отсутствие органического энергетического
213
материала. Позднее аналогичные результаты были получены многими исследователями.
Однако не всякое избыточное увлажнение вызывает в почве резкое снижение ОВ потенциала. Если увлажняющие почву воды (атмосферные осадки или грунтовые воды) обогащены раство ренным кислородом (9—13 мг/л) и существуют условия для непре рывного поступления их в почву и оттока из почвы (что может быть в период частых дождей на хорошо дренированной почве), то, не смотря на высокую степень увлажнения, в почвах устойчиво сохраняются окислительные условия.
Ухудшение аэрации в результате повышения влажности поч вы или ее уплотнения, образования на поверхности корки и других причин, нарушающих нормальный газообмен почвенного воздуха с атмосферным, также ведет к снижению ОВП почв. Воздухообмен в почвах определяется главным образом порозностью аэрации. Нормальный воздухообмен, при котором ОВП не подвергается существенным изменениям, обеспечивается при порозности аэрации порядка 20%. Снижение порозности аэрации до 10% и более резко нарушает поступление кислорода в почву, замедляет скорость его диффузии, что вызывает быстрое паде ние ОВП. Ориентировочно за рубеж перехода от окислительного состояния к восстановленному для гумусовых горизонтов почв принимают содержание кислорода в почвенном воздухе 2,5— 5,0%.
Температурный показатель наряду с непосредственным влия нием на ОВП почв в большей степени воздействует на него косвенным путем, усиливая или замедляя интенсивность биоло гических процессов. Снижение ОВП наблюдается обычно в гуму совых горизонтах почв при повышенных температурах (20— 30°С) и в интервале влажности почвы от наименьшей до пол ной влагоемкости. В этих условиях имеет место повышение микробиологической активности, что сопровождается нарастани ем поглощения кислорода и накоплением продуктов жизне деятельности микроорганизмов — восстановленных соеди нений.
11.8.Роль ОВ процессов в почвообразовании
иплодородии почв
Окислительно-восстановительные процессы оказывают боль шое влияние на почвообразование и на плодородие почв. С ними тесно связаны процессы трансформации растительных остатков, темпы накопления и состав образующихся органических ве ществ и особенно гумуса. Избыточное увлажнение и устойчивая восстановительная обстановка замедляют разложение раститель ных остатков, обусловливают возрастание в составе гумуса доли как наиболее подвижных органических кислот (фульвокислоты), так и малоактивных гумусовых кислот и негидролизуемого остат-
214
ка. Периодическая смена режимов (окислительного на восстано вительный и наоборот), особенно резко выраженная в поймах или при затоплении почв на рисовых полях, способствует акти визации процессов разложения растительных остатков, что яв ляется одной из причин нарушения углеродного баланса этих почв, их дегумификации.
Окислительно-восстановительный режим почв оказывает так же решающее влияние на соотношение в почве элементов раз личной степени окисления. Это обстоятельство играет существен ную роль в питании растений, в формировании почвенного про филя. При восстановлении соединений железа и марганца повышается их растворимость, создаются условия для миграции этих соединений в пределах почвенного профиля и выноса за его пределы.
С восстановительными явлениями связано развитие в сезонно избыточно увлажненных почвах элювиально-глеевого про цесса, формирование элювиальных горизонтов в почвах. При смене восстановительных условий окислительными происходит сегрегация гидроксидов железа и марганца и образование раз личного рода железисто-марганцовистых новообразований (ортштейны, бобовины, трубковидные выделения, пленки и др.). При реакциях восстановления сульфатов образуются сероводород и сульфиды железа, придающие почвам темную, часто неодно родную окраску.
Питательный режим почв складывается для растений не благоприятно как при резко окислительной, так и при глубоко восстановительной обстановке. Господство в почве аэробной обстановки с Eh порядка 700—750 мВ способствует утрате подвижности и недоступности растениям железа, марганца и от части азота. Результатом этого является развитие у растений хлороза (дефицит железа) и «серной немочи» (дефицит мар ганца), что нередко вызывает гибель растений. Снижение Eh до 250 мВ и ниже обусловливает накопление восстановленных соединений железа, марганца, ртути в количествах, токсичных для растений, что также вызывает их угнетение, а порой и ги бель. Кроме того, анаэробиоз способствует появлению в почвах таких соединений, как сероводород, сода, этилен и фосфин, так же угнетающе действующих на растения.
Самым тесным образом с окислительно-восстановительным состоянием почвы связаны процессы превращения соединений азота (нитрификация и денитрификация). Процесс нитрифика ции наиболее интенсивно протекает при хорошей аэрации почв (оптимальное значение Eh 550—600 мВ). При затрудненной аэрации и развитии восстановительных процессов господствую щим в почве становится процесс денитрификации, с которым связаны основные потери азота из почвы (при переходе из воднорастворимых форм нитратов и нитритов в газовую фазу в виде оксидов азота, молекулярного азота и аммиака).
И. П. Сердобольский (1949) наметил следующие границы
215