7.5. Вплив окисно-відновних процесів на хімічний стан ґрунтів
Стан хімічних елементів і їхніх сполук у ґрунтах тісно пов’язаний з рівнем потенціалу окиснення. Взаємозалежність проявляється у тому, що величина потенціалу впливає на інтенсивність і напрям трансформації компонентів ґрунту, а хімічний склад ґрунту сприяє або перешкоджає зміні потенціалу окиснення як у бік його підвищення, так і зниження. Відомо, що для малогумусних ґрунтів величина потенціалу зумовлена, насамперед, абіотичним чинником. Водночас у ґрунтах, збагачених гумусом, де формуються сприятливі умови для життєдіяльності мікрофлори, доволі часто спостерігають інтенсивний розвиток відновних процесів унаслідок діяльності мікроорганізмів. У таких умовах надзвичайно сильно впливають на рівень потенціалу окиснення температура і вологість ґрунту.
Окисно-відновні процеси спричиняють певні зміни не тільки у сполуках, в яких містяться елементи зі змінною валентністю, але прямо чи опосередковано впливають на трансформацію таких елементів і сполук, як Алюміній, фосфати, сполуки Нітрогену, Сульфуру та ін.
Сполуки Сульфуру (S). В аеробних умовах стійкі сполуки Сульфуру у ґрунтах представлені сульфатами (солями H2SO4), в анаеробних – сульфідами (солями H2S). Встановлено, що у незасолених ґрунтах при помірно окисному режимі найпоширенішою формою наявних мінеральних сполук Сульфуру є сульфати.
В автоморфних ґрунтах сполуки Сульфуру достатньо швидко піддаються окисно-відновним трансформаціям; напрям процесу залежить від присутніх у ґрунті сполук Сульфуру та величини ОВП.
Сульфіди і Сульфур у ґрунтовому середовищі є надзвичайно нестійкими, швидко піддаються окисненню під впливом атмосферного Оксигену та сульфобактерій. Реакція окиснення ступінчаста, проте кінцевими продуктами є сульфатна кислота або сульфати:
У перезволожених або періодично затоплюваних ґрунтах, коли значення ОВП знижуються до -100 – -200 мВ, домінують біохімічні реакції відновлення сульфатів до сульфідів.
Особливий інтерес становлять реакції відновлення сульфатів сульфатвідновлювальними анаеробними бактеріями роду Desulfovibrio, унаслідок чого спостерігається помітне підлуговування ґрунтового середовища.
Діяльність сульфатвідновлювальних бактерій зумовлює до накопичення у ґрунтах сульфідів заліза і соди, що у свою чергу, сприяє формуванню ґрунтів з содовим засоленням та солонців.
Сполуки Фосфору (Р). Поведінка сполук Фосфору у ґрунтах зумовлена величиною рН, катіонним складом ґрунтового розчину, вмістом і ступенем кристалізації мінералів півтораоксидів, зокрема Fe2O3, а також гумусовим станом цих ґрунтів. Зазначені показники найтісніше зв’язані з окисно-відновним режимом ґрунтів, а, отже, динаміка, рухомість і доступність Фосфору рослинам також залежать від рівня ОВП.
Сорбція фосфатів у періодично затоплюваних ґрунтах залежить від закисних і окисних форм сполук Феруму. У затоплених ґрунтах рисових чеків сорбція фосфатів зумовлена гідроксидами Fe(II). При зміні відновних умов на окисні головну роль у вбиранні фосфатів відіграють гідроксиди Fe(III). Утворення закисних сполук Феруму супроводжується підвищенням розчинності фосфатів. Водночас при зміні анаеробних процесів на аеробні закисне залізо переходить у окисне і розчинність фосфатів знижується.
За умови розвитку у ґрунтах тимчасових відновних процесів трансформації піддаються як мінеральні, так і органічні сполуки Фосфору.
Сполуки Нітрогену (N). Найважливішими циклами перетворень Нітрогену в ґрунтах є процеси нітрифікації і денітрифікації, які безпосередньо залежать від умов аерації, а відтак і від особливостей окисно-відновних режимів.
Процес нітрифікації – це окиснення аміаку до нітритів і нітратів. Він відбувається у два етапи. На першому етапі нітрифікацію забезпечують бактерії роду Nitrosomonas, Nitrosospira, Nitrosocystis, під дією яких NH3 окиснюється до HNO3 через гідроксиламін NH2OH і гіпонітрити (солі азотноватистої кислоти HO – N = N – OH) як проміжні продукти:
Другий етап відбувається за участі бактерій Nitrobacter та інших, унаслідок чого тривалентний Нітроген окиснюється до п’ятивалентного:
Швидкість другого етапу нітрифікації є значно вищою, ніж першого. Тому нітрити можуть накопичуватися тільки у ґрунтах з лужною реакцією середовища.
Найінтенсивніше процеси нітрифікації розвиваються у добре аерованих ґрунтах та їхніх горизонтах. Оптимальні потенціали окиснення для нітрифікації змінюються від 0,35 до 0,55 В.
У випадку, коли умови аерації у ґрунті погіршуються, а значення ОВП падають нижче 0,35 В, то процеси нітрифікації сповільнюються, розвиваються відновні умови і, водночас, домінуючими стають процеси денітрифікації. Власне, розвиток останніх є однією з вагомих причин втрати ґрунтом Нітрогену.
Денітрифікація здійснюється переважно біологічним шляхом, під дією бактерій денітрифікаторів: Pseudomonas denitrificans, Micrococcus mucilaginosis та ін. Значно рідше денітрифікація відбувається хімічним шляхом.
Повний набір перетворень, які відбуваються упродовж денітрифікації, характеризується наявністю кисневих сполук Нітрогену усіх ступенів окиснення:
Загалом денітрифікація розвивається доволі інтенсивно, якщо:
ґрунт (або його окремий генетичний горизонт) відзначається слабкою дренованістю;
реакція ґрунтового розчину у ґрунті наближена до нейтральної;
ґрунт (або його окремий генетичний горизонт) збагачений органічною речовиною;
упродовж певного часу спостерігається стійка температура ‒ +25 0С;
у ґрунті формуються відповідні окисно-відновні умови тощо.
Вищесказане стало основою для виділення І. П. Сердобольським таких градацій окисно-відновних умов, які кількісно характеризують розвиток процесів денітрифікації (В):
Проте середнє (сумарне) значення ОВП ґрунту не завжди достатньо точно відображає особливості розвитку окисно-відновних процесів, зокрема у мікрозонах генетичних горизонтів. Інколи денітрифікація може розвиватися і в аеробних умовах і, насамперед, у середині структурних окремостей.
Для скорочення втрат Нітрогену унаслідок денітрифікації, окрім прийомів регулювання водно-повітряного режиму ґрунтів, особливого значення набуває вибір форм внесення азотних добрив, а також застосування інгібіторів денітрифікації.