Поиск

Окислительно-восстановительные процессы
30.10.2015

Для почв, грунтов и вод пойменно-дельтовых территорий характерны пониженные уровни окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) в сравнении с территориями водоразделов и дренированных склонов. Однако обводненность ландшафтов пойм, дельт и низменностей значительно изменяется по сезонам года. Это, естественно, сопровождается изменениями окислительно-восстановительного режима почв и вод ландшафтов.
ОВП почв и грунтов водораздельных ландшафтов выражается величинами Eh порядка 600—700 мв. Для почв пойм рек Русской равнины характерны Eh порядка 200—300 мв, а в условиях староречий и застойных почвенно-грунтовых вод отмечаются даже отрицательные величины (—50, —150 мв). Наиболее низкие значения Eh и, следовательно, наибольшая восстановленность характерна для морских илов, для осадков солоноватоводных мелководий и заливов. В таких условиях наблюдались величины Eh—167, —295 мв. Илы пресноводных озер Русской равнины имеют Eh около —60 мв (не ниже —150 мв). Почвы и аллювий рек Днепра, Десны, Оки, по данным А.А. Лазаренко, имеют интервал Eh от +200 до —125 мв. Наименьшие величины Eh обнаружены для подводных почв (илов) староречий и заиленных русел (от —10 до —125 мв). Наиболее высокие показатели Eh характерны для хорошо аэрированных почв и русловых песчаных отложений (от 500 до 650 мв).
Резкие различия в окислительно-восстановительном режиме осадков и почв разных элементов пойм показаны на рис. 106. Восстановленность аллювия и почв тем большая, чем больше в них органических веществ. Именно поэтому илистые наносы и почвы озер, стариц, заиленных русел, обычно более обогащенные органическими веществами, имеют и низкие показатели Eh.

Окислительно-восстановительные процессы

Значительная роль органического вещества в восстановительных процессах подтверждается и тем, что наименьшие значения Eh в профиле почв наблюдаются в верхних 10—30 см. Глубже, где грунт опесчанен, где меньше органических веществ и больше выражена циркуляция грунтовых вод, индекс Eh может быть довольно высоким (табл. 107). Однако существуют почвы, в которых повышенная восстановленность характерна для пересыщенной влагой нижней части профиля. Такой тип профиля Eh часто встречается в развитых пойменных почвах севера Русской равнины (табл. 108).
Окислительно-восстановительные процессы

В этих случаях особенно резко выражен восходящий ток соединений двухвалентного железа и марганца и накопление окисленных форм железа и марганца в верхних горизонтах, с образованием железистого аналога солончака. Этим путем почва из грунтовых вод получает, по мнению Г.В. Добровольского и Н.Г. Зырина, ежегодно по нескольку тонн окислов железа на 1 га.
В окислительно-восстановительных условиях пойменных почв столь же значительная роль принадлежит кислороду. Содержание кислорода в водах и почвах пойм и дельт в целом понижено (табл. 109).
Окислительно-восстановительные процессы

Обычно содержание кислорода в водах и почвах высоких (особенно песчаных) террас всегда выше, чем в поймах и в староречьях пойм или притеррасовых понижениях. Исследования Г.В. Добровольского и его сотрудников показали, что пониженное содержание кислорода характерно для лугово-болотных и особенно торфяно-глеевых почв поймы р. Клязьмы, Для них же характерны повышенные содержания двуокиси углерода, метана, сероводорода. Дерново-подзолистые почвы высоких террас в этом отношении весьма отличаются от почв поймы (табл. 110). При глинистом механическом составе и при обогащенности органическим веществом восстановительные процессы проявляются в почвах тем сильнее, чем выше уровень грунтовых вод.
Окислительно-восстановительные процессы

В этом отношении очень интересны данные А.Ф. Скворцова, относящиеся к дельте р. Риони. Глубина залегания глеевого горизонта с его характерной ржавой пятнистой окраской почти следует за уровнем грунтовых вод (рис. 107). Восстановительные процессы в почвах пойм и дельт сопровождаются образованием целого ряда специфических соединений, характерных для глеевых горизонтов. Развиваются процессы десульфирования с образованием сероводорода. Возникают процессы денитрификации, сопровождающиеся появлением аммиака. Формируется восстановленное органическое вещество, а также углеводороды и, в частности, метан. Появляются сернистые, двууглекислые, фосфорнокислые и фульватные соединения железа, марганца и микроэлементов кобальта, меди, никеля. Образуются сидерит, гидротроилит, пирит, вивианит.
Окислительно-восстановительные процессы

При продолжительном процессе восстановления развиваются морфологические признаки оглеения. Для восстановленного горизонта характерны голубые, зеленоватые, сизые тона и ржавые пятна. Происходит общая гидрофилизация и пептизация глинистой фракции почвы. В верхних частях почвенного профиля появляются мелкие и крупные конкреции окислов железа и марганца. В связи с этим резко усиливается поглощение почвой фосфат-ионов. Реакция оглеенных горизонтов под влиянием десульфирования и карбонизации сдвигается в сторону более повышенной щелочности вследствие образования карбонатов щелочей, по следующей схеме:
Na3SO4 + 2С = Na2S + 2СО2,
Na2S + H2CO3 = Na2CO3 + H2S.

Под влиянием притока с грунтовыми водами соединений алюминия, железа, кремнезема и электролитов происходит хемогенное образование глинных минералов типа гидрослюд и монтмориллонита или смешаннослойных минералов, обладающих подвижной кристаллической решеткой. Особенно сильно выражен приток и накопление этих компонентов в депрессиях, староречьях и притеррасовых понижениях пойм. Здесь идут резко выраженные процессы оруденения почвенных горизонтов. Нередко образуются сильно цементированные пласты болотной руды, содержащей до 30% железа. Если оглеение происходит на фоне сильного сульфатного засоления, то формируются черные соляные грязи, цвет которых обязан сульфидам железа, марганца и других металлов, а запах — сероводороду.
Однако восстановительный режим в условиях поемно-дельтового почвообразования не является устойчивым. Свежая паводковая вода и фотосинтетическая деятельность могут повышать приток кислорода. Аэрация особенно усиливается при просыхании переувлажненных территорий, а также вследствие создания осушительных каналов, дренажной сети и заградительных дамб. Аэрация восстановленных почвенных горизонтов вызывает их окисление, что сопровождается переходом сульфидов в сульфаты и в серную кислоту с развитием сильной кислотности (pH = 3-2,5).
Последовательность реакций окисления может быть представлена следующей схемой:
4FeS2 + 6Н2О + 15О2 → 4FeSО4(ОН) + 4H2SO4.

Сульфат железа отличается светло-желтой окраской и придает почве неравномерно пятнистый желтоватый цвет. Однако это вещество нестойко и постепенно превращается в Fe2 (SO4)3(ОН)5*2Н2О и H2SO4. Этот сульфат трехвалентного железа также обладает желтым цветом. Образующаяся серная кислота разрушает карбонаты кальция, магния и натрия (если они были в почве) с образованием гипса и сульфатов магния и натрия. Периодическая смена восстановительных и окислительных условий приводит в конечном счете к декарбонизации почв и к развитию устойчиво кислой среды с pH = 4—2,5.
В Нидерландах такие резко кислые сульфатные глинистые почвы пятнистой окраски получили название «кошачья глина», они отличаются низким плодородием. Резко кислые почвы встречаются на прибалтийских низменностях в ГДР, Дании, Финляндии, Швеции. Они, по-видимому, имеются и в прибалтийских маршах России. Их характерные свойства — высокая кислотность и присутствие железных и алюминиевых квасцов. Большие пространства «кошачей глины» обнаружены на обширных дельтовых и маршевых низменностях Атлантического побережья США, включая Мексиканский залив, от Нью-Джерси до Хьюстона, Техас.
Еще чаще встречаются кислые поемно-дельтовые почвы на низких берегах тропического побережья Юго-Восточной Азии, Африки, Латинской Америки, где в зоне влияния приливов окислительно-восстановительные процессы выражены крайне резко. В частности, они широко распространены в дельте р. Меконг. При господстве восстановительного режима pH этих почв равен 7—8. После осушения и освоения в результате окисления сульфидов железа и марганца за несколько лет pH опускается до 1—4, и почвы практически утрачивают плодородие (рис. 108). Для поддержания благоприятных условий в таких почвах рекомендуются не только большие дозы извести (до 30 т/га), но и периодическое поддержание восстановительного режима путем затопления.
Окислительно-восстановительные процессы

Надо учитывать опасность возникновения сходных явлений на осушаемых землях, бывших в прошлом в устойчивом восстановительном режиме. В этих условиях резкое повышение кислотности почв после осушения потребует специальных мероприятий по известкованию и окультуриванию.
Искусственное орошение, особенно методом затопления (при культуре риса), создает сходный переменный окислительно-восстановительный режим, дефицит кислорода, глееобразование, появление сульфидов, сероводорода и серной кислоты. Снижение урожаев риса по этим причинам иногда наблюдается в дельте р. Инд. С другой стороны, в Пакистане фермеры используют окислительно-восстановительные реакции для улучшения орошаемых сульфатно-содовых солончаков, имеющих pH около 10—11. Поля, имеющие содовые солончаки, получают органические удобрения и затапливаются на несколько месяцев водой. Начинается интенсивное анаэробное разложение, восстановление сульфатов и образование сероводорода и сульфидов железа. После впитывания и сброса воды происходит аэрация почвы, образование серной кислоты и разрушение карбонатов натрия с образованием сульфатов; pH значительно снижается.