Лекция 10. Кислотность и щелочность почв. Окислительно-восстановительные процессы.

Характеристика кислотных и основных свойств почв.

Реакция почвы обусловлена наличием и соотношением в почвенном растворе водородных (Н⁺) и гидроксильных (ОН^–) ионов и характеризуется рН – отрицательным логарифмом активности водородных ионов в растворе.

В зависимости от состава растворенных веществ и их взаимодействия с твердой фазой почв, что определяет соотношение между водородными и гидроксильными ионами в почвенном растворе, почвы могут иметь нейтральную (рН=7), кислую (рН<7) или щелочную (рН>7) реакцию.

Реакция почвы зависит:

• химического и минералогического состава минеральной части почв;

• наличия свободных солей;

• содержания и качества органического вещества;

• состава почвенного воздуха;

• влажности почвы;

• жизнедеятельности организмов.

Важнейшим регулятором реакции почвы являются находящиеся в ней соли. Нейтральные, кислые или щелочные соли, переходят в раствор из твердой фазы при увлажнении и обратно при иссушении и изменяются при этом почвенный раствор.

В почве весьма распространенной минеральной кислотой является угольная кислота. Она может поддерживать рН в пределах 3,9-5,7. Ее концентрации зависят от сезонных ритмов и от жизнедеятельности микроорганизмов. При окислении сернистых минералов (сульфидов) в почвах может образовываться серная кислота, которая вызывает сильное подкисление почв. Кроме того, подкисление почв могут вызывать гуминовые кислоты и фульвокислоты (рН снижается до 3-3,5), малоразложившиеся остатки органического вещества лесной подстилки (рН 3,5-5), мхов (2,5-3). В результате жизнедеятельности грибов и бактерий, выделений корнями в почве могут присутствовать слабые органические кислоты типа уксусной, щавелевой, лимонной и т.д.

Различают актуальную (активную) и потенциальную кислотность почв в зависимости от того, при каких взаимодействиях она проявляется.

1. Актуальная кислотность почвы обусловлена наличием водородных ионов (протонов) в почвенном растворе, активность которых зависит от свойств (ионной силы) раствора, влияющих на коэффициент активности иона. Она измеряется при взаимодействии почвы с дистиллированной водой.

2. Потенциальная кислотность – это способность почвы при взаимодействии с растворами солей проявлять себя как слабая кислота. Определяется свойствами твердой фазы почвы, которая дает дополнительное количество протонов в растворе при взаимодействии с удобрениями. Потенциальная кислотность подразделяется на: обменную и гидролитическую.

2а. Обменная кислотность обнаруживается при взаимодействии с почвой растворов нейтральных солей. При этом происходит эквивалентный обмен катиона нейтральной соли на ионы водорода, алюминия и др. из ППК. Зависит от свойств почвенных коллоидов. Кислотность органических почвенных коллоидов (гумусовые кислоты) обусловлена обмены водородом, источником которого служат органические кислоты – гумусовые – и угольная кислота. Кислотность минеральных коллоидов связана с наличием в ППК обменных ионов водорода, алюминия и железа. Источником Al и Fe служат ионы кристаллической решетки глинистых минералов и гидроксидов.

2б. Гидролитическая кислотность – обнаруживается при воздействии на почву раствора гидролитически щелочной соли сильного основания и слабой кислоты, при котором происходит более полное вытеснение поглощенных водорода и других кислотных ионов.

Сельскохозяйственная деятельность человека вызывает изменение почвенной реакции. Вынос урожаев с полей приводит к обеднению почв элементами, входящими в состав растений, в том числе основаниями. Длительная обработка почвы приводит к обеднению ее кальцием, магнием, вызывает снижение рН.

Кислая реакция неблагоприятна для большинства культурных растений и полезных микроорганизмов. Кислые почвы обладают плохими физическими свойствами, в них не закрепляется органическое вещество, мало питательных веществ. Алюминий, вызывающий подкисление почв, оказывает на растения более токсическое действие, чем водород.

Характеристика щелочности почв.

Щелочная реакция почв и почвенных вытяжек может быть вызвана различными соединениями:

• карбонатами и гидрокарбонатами щелочных и щелочно-земельных элементов,

• силикатами,

• алюминием,

• гуматами натрия.

Различают актуальную (активную) и потенциальную щелочность.

1. Актуальная щелочность связана с наличием в почвенном растворе гидролитически щелочных солей, при диссоциации которых образуется в значительных количествах гидроксильный ион. Она подразделяется на общую щелочность, щелочность от нормальных карбонатов и щелочность от гидрокарбонатов. Эти виды щелочности разделяются по граничным значениям рН.

2. Потенциальная щелочность проявляется у почв, содержащих поглощенный натрий. При взаимодействии почвы с углекислотой поглощенный натрий в ППК замещается водородом и появляется сода, которая подщелачивает раствор:

[ППК^2–]2Na⁺ + H₂CO₃ ↔ [ППК^2–]2H⁺ + Na₂CO₃

Сильнощелочная реакция неблагоприятна для большинства растений. Она обуславливает низкое плодородие многих почв, их неблагоприятные физические и химические свойства. При рН 9-10 почвы отличаются большой вязкостью, липкостью, водонепроницаемостью во влажном состоянии, большой твердостью, цементированностью и бесструктурностью в твердом состоянии.

Буферность почвы.

- это способность почвы противостоять изменению ее актуальной реакции под воздействием различных факторов.

Различают буферность против кислотных и буферность против щелочных агентов. Буферные свойства связаны с вытеснением и поглощением ионов, процессами перехода соединений в молекулярные или ионные формы, с нейтрализацией и выпадением в осадок образующихся в почве соединений.

Зависит от свойств твердой фазы почв, главным образом – от почвенных коллоидов. Кислота или щелочь, которые появляются в почвенном растворе, вступают во взаимодействие с почвенными коллоидами, что ослабляет сдвиг реакции.

При взаимодействии почвы с кислотой происходит реакция обмена между обменными катионами и водородным ионом кислоты, в результате чего водородный ион связывается с твердой фазой почвы, а в растворе появляются катионы:

[ППК^2–]Сa⁺ + HCl ↔ [ППК^2–]2H⁺ + Ca₂Cl₂

Если в почве появляется щелочь, водород или алюминий ППК обмениваются с катионами щелочи, которые нейтрализуются:

[ППК^2–]2Н⁺ + Са(OН)₂ ↔ [ППК^2–]Са²⁺ + 2Н₂O

Кроме почвенных коллоидов, в почве есть другие факторы буферности: малорастворимые простые соли основного или кислотного характера, которые могут взаимодействовать с растворами и ослаблять сдвиг реакции.

Буферность почвы зависит от:

1. количества почвенных коллоидов (чем их больше, тем выше ее буферность, песчаные почвы не обладают буферностью)

2. состава почвенных коллоидов (чем больше в почве гумуса, монтморрилонита и др., тем выше их буферность, она возрастает параллельно увеличению емкости поглощения почв)

3. состава обменных катионов (наличие большого количество катионов Са²⁺, Mg²⁺, Nа²⁺ и др. создает значительную буферность в кислую сторону; почвы, имеющие в составе обменных катионов H⁺ или Al³⁺ способны поглощать щелочь).

Буферная способность почв является одним из элементов почвенного плодородия. Она позволяет сохранять благоприятные для растений свойства почв. Ее необходимо учитывать при проведении химической мелиорации, т.к. при высокой буферности почвы сопротивляется изменению реакции, что требует повышенных доз удобрений.

Окислительно-восстановительные процессы.

Почва – это сложная окислительно-восстановительная система. В ней присутствует большое количество веществ минеральной и органической природы, способных вступать в реакции окисления и восстановления. Благодаря этому в ней активно протекают ОВ-процессы, которые оказывают большое влияние на процесс почвообразования.

С окислительными процессами связаны процессы гумификации растительных остатков, с окислением и восстановлением – изменение степени окисленности железа, марганца, азота, серы и др. элементов.

Реакции окисления и восстановления всегда протекаю одновременно. В них участвуют вещества, которые теряют электроны и окисляются (реа окисления), другие приобретают электроны и восстанавливаются (реа восстановления). Донор электронов называется восстановителем (он окисляется), а акцептор – окислителем (он восстанавливается).

Ox + ne ↔ Red

Ox – окислитель, Red – восстановитель, e – электроны, n – количество электронов.

Направление ОВР определяется степенью легкости отдачи восстановителем и прочности их связывания окислителем. Часть протекающих в почве ОВР обратимы (окисление и восстановление марганца и железа), но большинство необратимы (реа. окисления органических веществ, превращение серы и азота и др.).

Основным окислителем в почве является молекулярный кислород почвенного воздуха и почвенного раствора. Он проникает в почву из атмосферы, взаимодействует в компонентами почвы и окисляет их. Окислителем также могут выступать Fe³⁺, Mn⁴⁺, S⁶⁺, но т.к. их в почвенном растворе мало, их роль в процессах окисления невелика.

Восстановительная обстановка создается при накоплении в почве продуктов анаэробного распада органического вещества и жизнедеятельностью микроорганизмов, а также в меньшей степени – соединениями железа (II), серы и других металлов, но их в почве также немного.

Большая часть ОРВ имеет биохимическую природу и связана с микробиологическими процессами в почвах. Микроорганизмы в процессе жизнедеятельности поглощают кислород почвенного воздуха и связанный кислород, переводя минеральные соединения в восстановленные продукты и диоксид углерода.

Важной характеристикой окислительно-восстановительного состояния почв является окислительно-восстановительная емкость и буферность почв.

– окислительно-восстановительная емкость – это максимальное количество восстановителя (или окислителя), которое может быть связано почвой.

– буферность почв – это способность почв противостоять изменению окислительно-восстановительного потенциала при действии различных факторов, нарушающих сложившиеся ОВ-равновесие почвы. Почвы с разными свойствами при одних условиях увлажнения, аэрации, температуры обладают разной податливостью к изменению ОВ-потенциала, к развитию восстановительных процессов. Например, в дерново-подзолистых почвах при избыточном увлажнении восстановительные процессы развиваются быстрее, чем в черноземных и каштановы почвах. Различная ОВ-буферность связана с различиями в содержании гумуса, с разным его качественным составом, с различиями в содержании несиликатных форм железа.

Роль ОВ-процессов в почвообразовании:

Окислительно-восстановительные процессы оказывают большое влияние на почвообразование и плодородие почв. С ними тесно связаны процессы трансформации растительных остатков, скорость накопления и состав образующихся органических веществ, в т.ч. гумуса.

Избыточное увлажнение и восстановительная обстановка замедляют разложение растительных остатков, в составе гумуса возрастает количество наиболее подвижных кислот – фульвокислот, а также нерастворимого остатка. Развитие восстановительной обстановки приводит к формирования элювиальных горизонтах в почвах.

Периодическая смена режимов (окислительного на восстановительный и наоборот) – выражена в поймах рек и др. – способствует активному разложению органических остатков, дегумификации.

ОВ-режим оказывает влияние на соотношение в почве элементов разной степени окисления. При восстановлении соединений железа и марганца повышается их растворимость, происходит миграция по профилю и вынос за его пределы.

Для растений неблагоприятна как резко окислительная, так и резко восстановительная обстановка. При аэробной, окислительной, обстановке для растений становятся недоступны соединения железа, марганца и азота. В результате у них развиваются хлороз (дефицит железа) и «серая немочь» (дефицит марганца), что часто вызывает гибель растений. Но при хорошей аэрации почв активно происходит процесс нитрификации.

Восстановительная обстановка приводит к накоплению восстановленных соединений железа, марганца, ртути в количествах, токсичных для растений, а также к появления в почве таких соединений как сероводород, сода, этилен и фосфин, также угнетающих растений. Кроме того, при затрудненной аэрации в почве господствует процесс денитрификации, с которым связаны потери азота из почвы.

ОВ-режим регулируется с помощью агротехнических приемов по улучшению структурного состояния почв, ввозного и воздушного режимов (вспашка, рыхление), полива и дренажа почв.