Окисно-відновний режим грунтів

Грунт – це складна окисно-відновна (ОВ) система. В ньому проходять реакції окиснення й відновлення. Під окисненням розуміють: приєднання кисню, віддачу водню, віддачу електрона. В грунті існує багато окисно-відновних систем. Вони бувають:

а) зворотними (в яких у процесі зміни ОВ режиму не змінюється сумарний запас компонентів): Fe³⁺ —» Fe²⁺; Mn⁴⁺ —» Mn²⁺;

б) незворотними (в процесі зміни ОВ режиму втрачається ряд речовин у вигляді газів, осаду): NO₃^- —» NО₂ —» N₂

 

Більша частина цих реакцій пов'язана з мікробіологічними процесами, має біохімічну природу. Головним окиснювачем у грунті є молекулярний кисень грунтового повітря й розчину.

 

Основними характеристиками інтенсивності та напрямку ОВ процесів у грунті є:

1. Окисно-відновний потенціал (ОВП) – відображає сумарний ефект ОВ системи грунту в даний момент, різниця потенціалів, яка виникає між грунтовим розчином і електродом із інертного металу (платини), поміщеного в грунт:

 

 

де [Ox],[Red] – концентрація окиснювачів і відновлювачів у даній системі; R – універсальна газова постійна, Дж/(моль-К); Т – абсолютна температура, К; F – число Фарадея, Кл; п – число зарядів, що переносяться іоном; Ео – нормальний потенціал, коли [Ox]:[Red]=l.

2.ОВП по відношенню до водню називається Eh.

 

 

Eh коливається від 100 до 800 мВ, інколи стає від'ємним. Його оптимальні значення – від 200 до 750 мВ. Якщо показники вищі, спостерігається аеробіозис в грунті (при цьому відчувається нестача заліза, марганцю, пригнічуються рослини, у них проявляється хвороба – хлороз). При зменшенні Eh до 200 і нижче розвиваються анаеробні процеси, втрачаються нітрати, появляються сірководень, метан, збільшується концентрація закисного заліза, відчувається дефіцит фосфору тощо.

3. Оскільки ОВП в певній мірі пов'язаний з рН, то для одержання порівняльних даних в середовищах з різною кислотністю Кларк запропонував використовувати показник rH₂: rH₂=Eh/30+2pH. Якщо rН₂ більше 27 – в грунті переважає окиснення, менше 27 – відновлення.

 

Залежність ОВП від режиму вологості. Вологість грунту, надлишкове зрошення, погіршення аерації, внесення свіжої органічної речовини призводить до зниження ОВП. ОВП може знизитися з 500-600 до 200-300 мВ, а при затопленні – до -100-200 мВ. Навпаки, при висиханні грунтів, поліпшенні аерації, газообміну потенціал грунту підвищується. З динамікою вологості зв'язана мікробіологічна діяльність, розкладання органічної речовини. Опади забезпечують надходження у грунт 0₂ і ОВП не змінюється. Утворення кірки на поверхні спричиняє погіршення аерації і зниження ОВП. Зниження пористості аерації до 10% порушує надходження кисню до грунту і призводить до зниження ОВП. Вміст у грунтовому повітрі СО₂ зумовлює виникнення у грунті відновних умов. Температурний режим опосередковано впливає і на зміну ОВП, і на мікроорганізми, утворюючи відповідні продукти їх життєдіяльності.

 

Роль ОВ процесів у грунтоутворенні і родючості грунтів. ОВ процеси зв'язані з процесами перетворення рослинних решток, накопичення гумусу. Надлишкове зволоження уповільнює розклад органічної речовини, утворюються фульвокислоти. При змінах зволоження і висушування, відновлення й окиснення виникають процеси розкладу органічної речовини, решток; дегуміфікації.

ОВ-режим впливає на співвідношення у грунті елементів з різним ступенем окиснення. При відновленні сполук заліза і марганцю підвищується їх розчинність, рухомість, вони мігрують по профілю.

 

За характером ОВ-режиму грунти поділяються на групи:

- грунти з абсолютним пануванням окиснювальної обстановки (автоморфні грунти степів, напівпустель, пустель – чорноземи, каштанові, сіро-коричневі, бурі напівпустельні, сіроземи тощо);

- грунти з пануванням окиснювальних умов при можливому прояві відновлювальних процесів в окремі вологі роки або сезони (автоморфні грунти тайгово-лісової зони, вологих субтропіків – підзолисті, дерново-підзолисті, червоноземи, жовтоземи тощо);

- грунти з контрастним ОВ-режимом (напівгідроморфні різновиди підзолистих, дерново-підзолистих, бурих лісових грунтів тощо);

- грунти зі стійким відновлювальним режимом (болотні, гідроморфні солончаки, солоді тощо).

 

З відновними явищами зв'язаний розвиток у сезонно надлишково зволожених грунтах елювіально-глейового процесу, формування елювіальних горизонтів. При зміні відновних умов на окисні виникають залізо-марганцеві новоутворення: ортштейни, бобовини, плівки і тощо. Поживний режим складається несприятливо як при різко окисних, так і при різко відновних умовах: анаеробіоз призводить до накопичення у грунтах NH₃, CH₄, H,S і т.п. Головні прийоми регулювання ОВ-умов – оптимізація водно-повітряного режиму грунтів.

Грунтове повітря

Грунт – пориста система, що містить суміш газів, яка заповнює вільний від води поровий простір скелетної частини. Повітряна фаза – найбільш динамічна складова частина грунту. Кількість і склад грунтового повітря впливає на: 1) розвиток і функціонування рослин і мікроорганізмів; 2) розчинність і міграцію хімічних сполук у грунтовому профілі; 3) інтенсивність і спрямованість грунтових процесів. Крім того, грунт поглинає та сорбує токсичні промислові гази, а також очищує атмосферу від технічного забруднення.

 

Повітря в грунті знаходиться у чотирьох фізичних станах: вільне і защемлене, адсорбоване й розчинне.

Вільне грунтове повітря – це суміш газів і летких органічних сполук, які вільно переміщуються системою грунтових пор і з'єднуються з повітрям атмосфери. Вільне грунтове повітря забезпечує аерацію грунтів і газообмін з атмосферою.

Защемлене грунтове повітря – знаходиться у порах, з усіх боків ізольоване водяними плівками. Тонкодисперсна грунтова маса й компактна її упаковка має найбільшу кількість защемленого повітря. У суглинистих грунтах кількість його досягає більше 12% від загального об'єму грунту, або четверту частину його порового простору. Воно нерухоме, не бере участі в газообміні між грунтом й атмосферою, суттєво перешкоджає фільтрації води в грунті, може спричиняти руйнування грунтової структури при коливанні температури, тиску, вологості.

Адсорбоване грунтове повітря – гази й леткі органічні сполуки, адсорбовані грунтовими частинками на їх поверхні. Чим дисперсніший грунт, тим більше містить він адсорбованих газів при даній температурі. Кількість сорбованого повітря залежить від мінералогічного складу грунтів, від вмісту органічної речовини, вологості. Пісок поглинає повітря в 10 разів менше, ніж важкий суглинок: відповідно 0,75 і 6,00 см куб/г. Тонкодисперсний кварц сорбує СО₂ у 100 разів менше, ніж гумус.

Розчинне повітря – гази, розчинені в грунтовій воді. Це повітря обмежено може брати участь в аерації грунту. Але розчинні гази відіграють велику роль у забезпеченні фізіологічних потреб рослин, мікроорганізмів, грунтової фауни, а також фізико-хімічних процесів, які протікають у грунті. Усі чотири грунтові фази – тверда, рідка, газоподібна й жива – тісно пов'язані між собою і знаходяться в складній взаємодії.

 

Повітряно-фізичні властивості грунтів – це сукупність фізичних властивостей грунтів, які визначають стан і поведінку грунтового повітря у профілі.

 

Найбільш важливими є: повітроємність, повітровміст, повітропроникність, аерація.

 

Загальною повітроємністю грунтів називають максимально можливу кількість повітря, яка вміщується в повітряно-сухому грунті непорушеної будови при нормальних умовах.

 

Загальну повітроємність (Рз.п.) виражають у процентах до всього об'єму й визначають за формулою:

 

Рз.п. = Рзаг. – Рг,

 

де Рзаг. – загальна пористість грунту; Рг – об'єм гігроскопічної вологи,%.

 

Повітроємність грунтів залежить від їх гранулометричного складу, складення, ступеня оструктуреності. Необхідно розрізняти капілярну й некапілярну повітроємність. Грунтове повітря, яке міститься в капілярних порах малого діаметра, характеризує капілярну повітроємність грунтів. Велика кількість у грунті цього повітря свідчить про низьке переміщення газів у межах грунтового профілю. Це характерно для важкоглинистих, безструктурних, щільних грунтів, що набухають, викликає в них оглеєння. Суттєве значення для забезпечення нормальної аерації грунтів має некапілярна повітроємність, або пористість аерації, тобто повітроємність міжагрегатних пор. Вона містить великі пори, ходи коренів і черв'яків у грунтовій товщі. Некапілярна повітроємність (Ра – пористість аерації) визначає кількість повітря, яка існує в грунтах при їх капілярному насиченні вологою. Вона розраховується:

 

Ра = Рзаг – Рк,

 

де Рк – об'єм капілярної пористості,%. У добре оструктурених грунтах некапілярна повітроємність досягає найбільших значень – 25-30%.

 

Повітровміст – кількість повітря, яке міститься в грунті при визначеному рівні зволоження.

 

Його визначають за формулою:

 

Рв = Рзаг – Woб.,

 

де Wo6. – об'ємна вологість грунтів,%. Оскільки повітря і вода в грунтах є антагоністами, тому існує чітка від'ємна кореляція між волого – і повітровмістом.

 

Повітропроникність – здатність грунту пропускати через себе повітря.

 

Вона визначає швидкість газообміну між грунтом і атмосферою. Залежить від гранскладу грунту та його оструктуреності, від об'єму й будови порового простору. Переважно визначається некапілярною пористістю. Необхідно також звернути увагу на залежність некапілярної пористості від стану поверхні грунту, його розпущеності, наявності кірки.

 

Повітрообмін (газообмін), або аерація – це обмін газами між грунтовим повітрям й атмосферою.

 

Аерація визначається великою кількістю факторів як безпосередньо грунтових, так і зовнішніх, а саме:

1) атмосферними умовами – коливаннями температури повітря, зміною атмосферного тиску, кількістю опадів та їх розподілом, інтенсивністю та об'ємом випарування і транспірації води;

2) фізичними властивостями грунту – гранулометричним складом, структурою, станом поверхні, щільністю, кількістю та якістю пор аерації, температурним режимом і режимом їх вологості;

3) фізичними властивостями газів – швидкістю їх дифузії;

4) фізико-хімічними реакціями у грунтах по ланцюгу: поглинаючий комплекс-грунтовий розчин-газова фаза.

 

Основним фактором аерації в грунті, газообміну між грунтом й атмосферою є дифузія.

 

Дифузія – це переміщення газів відповідно до парціального тиску.

 

Дифузія газів залежить від довжини вільного пробігу молекул окремих газів (О₂, N₂, СО₂) та швидкості їх руху. Оскільки швидкість теплового руху молекул дуже велика (для О₂, N₂, СО₂, Н₂ і парів Н₂O ця швидкість відповідно дорівнює 461, 493, 393, 1838, 615 м/с), то якщо б дифузія залежала тільки від теплового руху молекул, вона в атмосфері проходила б миттєво. Внаслідок незначної довжини вільного пробігу молекул газів (для О₂, N₂, CO₂, Н₂ і парів Н₂O в середньому відповідно дорівнюють 10,22·10^-5; 9,5·10^-5; 6,5·10^-5; 17,8·10^-5; 0,72·10^{-5 м), вони зіштовхуються одна з одною і за одиницю часу проходять значно меншу відстань. Тому дифузія газів у грунті завжди повільніша, ніж у вільній атмосфері (в 2-20 разів).}

Сучасний склад земної атмосфери має біогенну природу. Велику роль у формуванні атмосфери відіграє газообмін між її приземним шаром і грунтом. Атмосферне повітря – це суміш газів, серед яких основними є чотири: азот, кисень, аргон, вуглекислий газ. Склад атмосферного повітря постійний, вміст його основних компонентів змінюється незначно. В атмосферному повітрі міститься в об'ємних процентах: азоту (N₂) – 78,08; кисню (О₂) – 20,95; аргону (Аr) – 0,93; вуглекислого газу (CO₂) – 0,03.

Грунтове повітря відрізняється динамічністю. Найбільш рухомими в грунтовому повітрі є О, і CO,. їх вміст у грунтах дуже коливається відповідно з інтенсивністю споживання кисню й продукування вуглекислого газу, а також швидкістю газообміну між грунтом і атмосферою. У грунтовому повітрі може бути СО, в десятки й сотні разів більше, ніж в атмосферному, а концентрація кисню може знижуватись з 20,9 до 15-10% і нижче. В орних, добре аерованих грунтах кількість СО₂ в грунтовому повітрі не перевищує 1-2%, а кількість О₂ не буває нижче 18%. В орних грунтах важкого гранулометричного складу вміст СО₂ може досягати 4-6% і більше, а О₂ падати до 8-15%. Кількість азоту в грунтовому повітрі мало відрізняється від атмосферного. Деякі зміни його вмісту відбуваються внаслідок зв'язування азоту бульбочковими бактеріями та проявом процесу денітрифікації.

Кисень виконує величезну роль у біосфері в цілому і в грунтовому повітрі, зокрема. Достатній вміст кисню забезпечує необхідний рівень мікробіологічної діяльності, дихання коренів рослин і грунтових тварин. Дефіцит кисню пригнічує розвиток кореневих волосків, викликає масову загибель сходів рослин, провокує розвиток хвороботворних мікроорганізмів. Анаеробний процес починає розвиватися при зниженні вмісту кисню до 2,5%. Концентрація кисню в грунтовому повітрі коливається від 0 до 21,0%.

Існує думка, що вуглекислий газ атмосфери на 90% має грунтове походження. Процеси дихання, розкладання постійно поповнюють запаси CO₂. Вуглекислий газ забезпечує асиміляційний процес рослин. Водночас його надлишок у складі грунтового повітря (більше 3%) пригнічує розвиток рослин, уповільнює пророщування насіння, скорочує надходження води в рослинні клітини. Оптимальні рівні концентрацій СО₂ в складі грунтового повітря коливаються в межах 0,3-3,0%. Існує високоінформативний показник біологічної активності грунтів, так зване "дихання грунтів". Воно характеризується швидкістю виділення СО₂ за одиницю часу з одиниці поверхні. Коливається від 0,01 до 1,5 г/м кв за год.

Динаміка грунтового повітря визначається сукупністю всіх явищ надходження, переміщення й трансформації газів у межах грунтового профілю, а також взаємодією газової фази з твердою, рідкою й живою фазами грунту. Вона має добовий і сезонний (річний) хід. Крім того, грунтове повітря різко реагує на додаткове надходження вологи в грунт. Добова динаміка визначається добовим ходом атмосферного тиску, температури, освітлення, зміною швидкості фотосинтезу. Ці параметри контролюють інтенсивність дифузії, дихання коренів, мікробіологічної активності, інтенсивність сорбції й десорбції, розчинності й дегазації. Сезонна (річна) динаміка визначається річним ходом атмосферного тиску, температур та опадів і тісно зв'язаними з ними вегетаційними ритмами розвитку рослинності та мікробіологічної діяльності.

Контрольні питання

1. Оцініть поняття "вологість грунту", порівняйте можливі стани води в грунті.

2. Охарактеризуйте форми та основні властивості рідкої грунтової води.

3. Охарактеризуйте гравітаційну воду, порівняйте основні типи підземних вод.

4. Опишіть грунтово-гідрологічні константи та поясніть, як їх застосовують на практиці.

5. Порівняйте основні види вологоємності грунту, поняття про водопроникність.

6. Оцініть доступність різних категорій грунтової вологи рослинам.

7. Визначте поняття "грунтовийрозчин", опишіть його склад та властивості.

8. Опишіть різні типи кислотності грунтів, причини їх виникнення та методи боротьби з нею.

9. Охарактеризуйте лужність Грунтів та шляхи її регулювання.

10. Визначте поняття "буферність грунтів".

11. Поняття про окисно-відновний режим грунтів, його показники.

12. Дайте загальну характеристику грунтового повітря.

13. Проаналізуйте основні повітряно-фізичні властивості грунтів.

14. Проаналізуйте відмінність складу атмосферного та грунтового повітря.

РОДЮЧІСТЬ ГРУНТУ

Основою сільськогосподарського виробництва є грунт (земля). Поліпшення його культурного стану – одна із найважливіших умов підвищення родючості. Головне завдання землеробства передбачає максимальне і раціональне використання грунтів як головного засобу виробництва в сільському господарстві, забезпечення росту врожайності сільськогосподарських культур.

Не дивно, що в стародавні часи родючість грунту, як сонце, вогонь і воду, люди обожнювали: у стародавньому Єгипті богинею родючості грунту була Ізида, а у стародавньому Римі – Прозерпіна. У ті часи письменники, філософи, наприклад, Аристотель, розглядали неорганічну природу як умову існування рослин і поділяли грунти на родючі і неродючі. Бернард Паліссі (1563) пояснював ріст рослин дією солей, що містяться у землі: "Сіль є основа життя і росту всіх посівів".

М.В. Ломоносов (1763) вважав, що рослини отримують живлення із повітря. У першій половині XIX ст. Теєр, який узагальнив погляди своїх попередників (Деві, Берцеліуса), дійшов висновку, що рослини живляться гумусом. Він вважав, що родючість повністю залежить від гумусу, оскільки, крім води, він є єдиною речовиною грунту, яка здатна служити живленням рослинам.

Пізніше Шпренгель висловив думку про те, що для живлення рослин необхідні не тільки "перегнійні" кислоти, але і ще, принаймні, 12 неорганічних елементів: сірка, фосфор, калій, кремній та інші.

У 40-і роки XIX ст. століття німецький учений Ю. Лібіх висунув теорію мінерального живлення рослин, згідно з якою родючість залежить від кількості мінеральних поживних речовин, які містяться у грунті в доступному для рослин стані.

В.Р.Вільямс звернув увагу, що родючість грунту залежить не тільки від кількості мінеральних поживних речовин, але й від запасів вологи. Під родючістю він розумів здатність грунту забезпечити життєві потреби рослин у воді і живленні. Він перший поставив питання не про відновлення, а про підвищення родючості грунту, запропонував травопільні сівозміни і обожнював грунтову структуру.

Для отримання високих і стійких врожаїв необхідно вкладання праці і коштів у землю, удобрення, правильне і своєчасне застосування технологічних процесів. У зв'язку з останнім при швидкому розвитку виробничої сили всі старі машини замінюються на більш вигідні. Земля, навпаки, постійно поліпшується, якщо правильно поводитися з нею.

Отже, під родючістю грунту розуміють здатність грунту забезпечувати рослини всіма необхідними умовами росту і розвитку (а не тільки водою й елементами живлення).