Лужність грунтів та її форми. Окисно-відновний режим грунтів

Лужність грунтів та її форми

Лужна реакція грунтових розчинів і водних витяжок може бути зумовлена різними за складом сполуками:

карбонатами і гідрокарбонатами лужних і лужноземельних елементів, силікатами, алюмінатами, гуматами натрію, Na₂CO₃, K₂CO₃, CaCO₃, MgCO₃, -COONa;
згідно з теорією кислот і основ, лужна реакція може бути зумовлена аніонами слабких кислот, які переходять із твердої фази грунтів у грунтові розчини й водні витяжки і можуть виявляти основні властивості.

Визначальним моментом у створенні лужної реакції грунту є присутність у грунті гідролітично-лужних солей слабких кислот і основ:

карбонатів натрію і калію,
гідрокарбонатів натрію і калію,
карбонатів кальцію і магнію,
гідрокарбонату кальцію і магнію.

Так само себе ведуть гумати і фульвати лугів.

За аналогією з кислотністю, розрізняють

актуальну (активну) і
потенційну лужності грунту.

Актуальна лужність

Актуальна лужність грунту зумовлена наявністю у грунтовому розчині гідролітично лужних солей, при дисоціації яких утворюється гідроксильний іон (OH):

При характеристиці актуальної лужності природних вод і грунтових розчинів розрізняють загальну лужність, лужність від нормальних карбонатів і лужність від гідрокарбонатів. Ці види лужності розрізняють по граничних значеннях pH. Лужність грунту визначають шляхом титрування водної витяжки або грунтового розчину кислотою у присутності різних індикаторів і виражають у міліграм-еквівалентах на 100 г грунту.

Загальна лужність визначається титруванням за індикатором метилоранжем. Лужність від нормальних карбонатів є результатом обмінних реакцій в грунтах, які вміщують натрій. Вона проявляється також у результаті життєдіяльності сульфат-редукуючих бактерій, які відновлюють в анаеробних умовах і в присутності органічної речовини солі натрію з утворенням соди. Визначається вона титруванням у присутності фенолфталеїну.

Потенційна лужність грунту

Потенційна лужність проявляється у грунтах, що містять натрій. При взаємодії грунту з вуглекислотою поглинутий натрій у ГПК заміщується воднем і з'являється сода, яка підлуговує розчин:

Дуже лужна реакція несприятлива для більшості рослин. Висока лужність зумовлює низьку родючість багатьох грунтів, несприятливі фізичні та хімічні їх властивості. При pH біля 9-10 грунти відзначаються великою в'язкістю, липкістю, водонепроникністю у вологому стані, значною твердістю, зцементованістю і безструктурністю у сухому стані.

Для хімічної меліорації лужних грунтів необхідно замінити обмінний натрій на кальцій і нейтралізувати вільну соду:

Хімічна меліорація лужних грунтів відбувається шляхом внесення

гіпсу, нітратів кальцію або матеріалів, які містять гіпс,
сірчаної кислоти,
сульфату заліза,
піритових огарків або сірки.

Сірка, окислюючись до сірчаної кислоти, взаємодіє з карбонатом кальцію грунтів, утворюючи сірчанокислий кальцій, який діє на соду і поглинутий натрій. Меліорація злісних содових солончаків проводиться методом кислування сірчаною кислотою з подальшими промиваннями при штучному дренажі.

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:

зворотними (в яких у процесі зміни ОВ режиму не змінюється сумарний запас компонентів):
Fe³⁺ → Fe²⁺; Mn⁴⁺ → Mn²⁺;
незворотними (в процесі зміни ОВ режиму втрачається ряд речовин у вигляді газів, осаду):
NO₃^- → NO₂ → 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 окисно-відновних процесів у грунті є:

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;
n – число зарядів, що переносяться іоном;
Е₀ – нормальний потенціал, коли [Ox] : [Red] = 1.
Окисно-відновний потенціал 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.
Оскільки окисно-відновний потенціал в певній мірі пов'язаний з pH, то для одержання порівняльних даних в середовищах з різною кислотністю Кларк запропонував використовувати показник rH₂:
rH₂= Eh / 30 + 2pH.
Якщо rH₂ більше 27 – в грунті переважає окиснення, менше 27 – відновлення.

Залежність окисно-відновного потенціалу від режиму вологості

Вологість грунту, надлишкове зрошення, погіршення аерації, внесення свіжої органічної речовини призводить до зниження окисно-відновного потенціалу. 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 O₂ і окисно-відновний потенціал не змінюється. Утворення кірки на поверхні спричиняє погіршення аерації і зниження окисно-відновного потенціалу. Зниження пористості аерації до 10% порушує надходження кисню до грунту і призводить до зниження окисно-відновного потенціалу. Вміст у грунтовому повітрі CO₂ зумовлює виникнення у грунті відновних умов. Температурний режим опосередковано впливає і на зміну ОВП, і на мікроорганізми, утворюючи відповідні продукти їх життєдіяльності.

Роль окисно-відновних процесів у грунтоутворенні і родючості грунтів

Окисно-відновні 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.

Окисно-відновний 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 окисно-відновного 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 окисно-відновним 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, H₂S і т.п. Головні прийоми регулювання окисно-відновних умов – оптимізація водно-повітряного режиму грунтів.