Окислительно-восстановительные свойства почв

Размещено на http://www.allbest.ru/

Окислительно-восстановительные свойства почв

Вы будете изучать

· Окислительно-восстановительный потенциал почвы, его измерение.

· Факторы, влияющие на величину окислительно-восстановительного потенциала почвы.

· Типы окислительно-восстановительных режимов.

· Способы регулирования окислительно-восстановительного состояния почв.

Цели модуля

· 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.

После изучения модуля вы сможете

· Проводить экспериментальное измерение окислительно-восстановительных потенциалов почв.

· Знать приемы регулирования окислительно-восстановительных процессов в почве.

Литература

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.

3. 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.

4. Возбуцкая А.Е. Химия почв. М.: Высшая школа, 1968. 427 с.

5. Ганжара Н.Ф., Борисов Б.А., Байбеков Р.Ф. Практикум по почвоведению. М.: Агроконсалт, 2002. 280 с.

6. Жукова Н.Н., Суслова Т.А. Физико-химические процессы в почвах: Учебное пособие. Сарат. гос. агр. ун-т им.Вавилова, Саратов, 2003. 54 с.

7. Муха Д.В. Агропочвоведение. М.: Колос, 1994. 528 с.

8. Почва и почвообразование / под ред. В.А. Ковды, Б.Г. Розанова. 1-2 часть. М.: Высшая школа, 1989. 400 с.

9. Почвоведение / под ред. Кауричева И.С. М.: Агропромиздат, 1989. 719 с.

10. Савич В.И., Амергужин Х.А., Карманов И.И., Булгаков Д.С., Федорин Ю.В., Карманова Л.А. Оценка почв. Астана, 2003. 544 с.

11. 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.

Введение

? Какие процессы называются окислительно-восстановительными?

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).

Окислительно-восстановительный потенциал почвы

? Что называют окислительно-восстановительным потенциалом почвы?

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

Стандартные окислительно-восстановительные потенциалы Е⁰ (Лурье Ю.Ю.)

! В реальной почве содержится не одна, а несколько окислительно-восстановительных систем. Поэтому значение ОВП зависит от концентрации многих окисленных и восстановленных форм соединений. Окислительно-восстановительный потенциал почвы отражает суммарное действие различных окислительно-восстановительных систем почвы в данный момент времени. Его значение по величине ближе к Eh той системы, окисленные и восстановленные формы которой преобладают в почве. Такая система носит название потенциалопределяющей.

? Как по величине ОВП характеризуются окислительно-восстановительные процессы?

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.:

Таблица

Зависимость характера окислительно-восстановительных процессов от величины ОВП (Н.К. Хтрян)

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

? Как экспериментально определяют окислительно-восстановительный потенциал почвы?

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.

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.

окислительный восстановительный потенциал почва

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.

К первой группе относятся большинство типов автоморфных почв: черноземы, каштановые, сероземы.

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 - rН_2, 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.

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

Окислительно-восстановительные условия этапов денитрификации (И.П. Сердобольский)

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.

? Как осуществляется регулирование окислительно-восстановительного состояния почв?

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?

12. Какие способы регулирования окислительно-восстановительного состояния почв вы знаете?

Размещено на Allbest.ru