В почве широко развиты окислительно-восстановительные процессы, и в этом отношении ее можно рассматривать как сложную окислительно-восстановительную систему. Как известно, процессами окисления называются:1) присоединение кислорода:

2) отдача водорода:

3) отдача электронов без участия водорода и кислорода:

В общей схеме обычно окисление принято рассматривать как отдачу электронов, а восстановление — как их присоединение:

Окислительные процессы широко развиты при явлениях превращения органического вещества в почве. Так, в почве возможно окисление ароматических аминокислот в меланины (пигменты); окисление смол; окисление дубильных веществ, сахаров, аминокислот, белков и других соединений, входящих в состав растительных остатков. Гумификация — в целом процесс окислительный.

 Большинство реакций окисления органических веществ почвы относится к группе необратимых.  Обратимыми окислительно-восстановительными реакциями являются широко развитые в почве реакции окисления и восстановления железа (Fe+3 ↔ Fe+2), марганца (Мn+4↔ Мn+2), азота (N+5 ↔ N+3). В почве происходит окисление и восстановление кислорода и водорода (О↔ О^2-); (Н↔Н⁺), серы (S⁺⁶↔S^2-). Поскольку большая часть этих реакций имеет биохимическую природу и теснейшим образом связана с проявлением микробиологических процессов, то, естественно, интенсивность последних в почве непосредственно влияет  и на развитие окислительно-восстановительных процессов.

 Основным окислителем в почве выступает молекулярный кислород почвенного воздуха, почвенного раствора. Поэтому развитие окислительно-восстановительных процессов в почвах тесно связано с условиями их аэрации и, следовательно, зависит от всех свойств почвы, определяющих состояние газообмена (структура, плотность, механический состав  и др.), и прежде всего от влажности.

 Главные условия, определяющие интенсивность и направленность окислительно-восстановительных процессов - состояние увлажнения и аэрации почв, содержание в них органического вещества и температура, при которой протекают биохимические реакции. Ухудшение аэрации в результате повышения влажности почвы, ее уплотнения, образования корки и других причин ведет к снижению окислительно-восстановительного потенциала. Наиболее резко он падает в почвах при влажности, близкой к полной влагоемкости, когда нарушается нормальный газообмен почвенного воздуха с атмосферным. Так, резкое уменьшение потенциала в гумусовых горизонтах дерново-подзолистых почв (Ап, A1) наблюдается при увлажнении почвы выше 90 % ее полной влагоемкости.

Существенновлияют на окислительно-восстановительные процессы в почве содержание и формы органических веществ. Снижение потенциала при переувлажнении почвы быстро происходит только в гумусовых горизонтах. Свежее неразложившееся органическое вещество, богатое белками и растворимыми углеводами, являясь лучшим материалом для жизнедеятельности микрофлоры, способствует интенсивному развитию восстановительных процессов в избыточно увлажненной почве.

 Для количественной характеристики окислительно-восстановительного состояния почвы пользуются определением окислительно-восстановительного потенциала, который отражает суммарный эффект разнообразных окислительно-восстановительных систем почвы в данный момент.

 Окислительно-восстановительный (ОВ) потенциал характеризуется, по Петерсу, следующим уравнением (мВ):

где R — универсальная газовая постоянная, Дж; Т — абсолютная температура, ТК; F — число Фарадея, Кл; n — число зарядов, переносимых одной частицей (ионом); [окисл.] и [восст.] — концентрация окислителей и восстановителей данной системы.

 Как видно из уравнения, чем выше концентрация окислителя, тем больше потенциал. Если активные концентрации окислителя и восстановителя равны, то отношение

Потенциал системы, в которой активность окислителя и восстановителя одинакова и равна 1, называется нормальным потенциалом окислительно-восстановительной системы.

 Окислительно-восстановительный потенциал по отношению к водороду называют Eh:

Потенциал измеряют на потенциометре имея два электрода, электрод сравнения с постоянным потенциалом и индикаторный электрод, на почверхности которого возникает электрохимическая реакция (окисление или восстановление). В качестве электрода сравнения (стандартного электрода) в электрохимии принят водородный электрод. Потенциал стандартного водородного электрода, насыщенного газообразным водородом до  давления в ( 1 • 10⁵ ) Па,   и находящегося в равновесии с раствором, (активность водородных ионов которого составляет единицу) условно считают равным нулю. Величину и знак потенциала любого электрода, применяемого при определении окислительно-восстановительного потенциала  системы, сравнивают с водородным электродом. Так, потенциал насыщенного каломельного электрода, наиболее  часто употребляемого в качестве индикаторного электрода при измерении ОВ потенциала почв, равен по отношению к нормальному водородному электроду +250 мВ при 18 °С.

 По отношению к нормальному водородному электроду формула после подстановки числовых значений R, Т и F и замены натуральных логарифмов десятичными приобретает следующий вид (для температуры 18 °С) (В):

При количественной характеристке окислительно-восстановительного состояния почвы через Eh величину ОВ потенциала выражают в милливольтах.

 Напряженность окислительно-восстановительных процессов в почвах в определенной мере связана с условиями реакции среды (pH): реакция среды влияет на интенсивность и направленность микробиологических процессов; от нее зависит переход в раствор компонентов некоторых окислительно-восстановительных систем почвы и т. п.

 Для получения сравнимых данных по окислительно-восстановительным условиям в средах с различной величиной pH Кларк предложил ввести показатель r H₂, который представляет отрицательный логарифм давления молекулярного водорода и вычисляется по формуле

Таким образом, количественная характеристика окислительно-восстановительного состояния почвы может быть выражена через Eh в милливольтах и через условную величину rН2. При rН2>27 преобладают окислительные процессы, при rН2<27 (22—25) — восстановительные, при интенсивном развитии  восстановительных процессов rН2<20. 

 Проявление окислительно-восстановительных процессов в почве зависит от ее генетических свойств и состояния водно-воздушного и температурного режимов.

Различают следующие типы окислительно-восстановительного режима почв:

 1) почвы с абсолютным господством окислительной обстановки — автоморфные почвы степей, полупустынь  и пустынь (черноземы, каштановые, серо-коричневые, бурые полупустынные, сероземы, серо-бурые и др.);  2) почвы с господством окислительных условий при возможном проявлении восстановительных процессов в отдельные влажные годы или сезоны (автоморфные почвы таежно-лесной зоны, влажных субтропиков, лиственно-лесной и буроземно-лесной зон); 3) почвы с контрастным окислительно-восстановительным режимом (полугидроморфные почвы различных зон). Наиболее контрастной динамикой окислительно-восстановительных процессов характеризуются почвы с временным избыточным увлажнением. Такие почвы широко распространены среди подзолистых, дерново-подзолистых, бурых лесных, солодей, солонцов и других типов почв;  4) почвы с устойчивым восстановиельным режимом (болотные и гидроморфные солончаки).

 Наиболее изменчивы показатели ОВ потенциала в верхних, обогащенных органическим веществом, горизонтах, где наблюдается наибольшее колебание в увлажнении почвы и интенсивнее протекают микробиологические процессы. Нижние, бедные органическим веществом горизонты, где слабо развиты микробиологические процессы и поэтому нет   интенсивного расхода кислорода, обычно характеризуются и более высокими показателями потенциала.

 В минеральных почвах  устойчивого грунтового заболачивания наименьший потенциал обычно наблюдается в нижних горизонтах.

 Окислительно-восстановительные процессы оказывают большое влияние на почвообразовательный процесс  и плодородие почв.  С этими процессами тесно связаны превращения растительных остатков, темпы накопления и состав образующихся органических веществ, а следовательно, и формирование профиля почв.

 Избыточное увлажнение  и низкие значения ОВ потенциала замедляют разложение растительных остатков, способствуют образованию наиболее подвижных и активных форм органических веществ, переходу гуминовых кислот в фульвокислоты. С развитием окислительно-восстановительных процессов связано также превращение соединений азота, серы, фосфора, железа, марганца в почвах.

Знание ОВ потенциала почв позволяет судить об общей направленности окислительно-восстановительных процессов и определять необходимость применения мероприятий по регулированию окислительно-восстановительного режима почвы.

ПЛОДОРОДИЕ ПОЧВ

 Понятие о почвенном плодородии

Неотъемлемым специфическим свойством почвы как природного тела является ее плодородие. От него зависит жизнь на Земле растений и животных, а также человека.

По мере накопления сведений о почве и развития естествознания и агрономии менялось и представление о том, чем обусловлено плодородие почвы. И в конце концов плодородие начали связывать с наличием в почве воды, перегноя (гумуса) и элементов минерального питания, т.е.  плодородие почвы стали связывать со всей совокупностью свойств почвы в понимании генетического докучаевского почвоведения.  

В современной научной литературе широко распространено определение плодородия почвы, данное академиком В. Р. Вильямсом (1936). Согласно В. Р. Вильямсу, под плодородием почвы понимается ее способность непрерывно обеспечивать растения одновременно водой и элементами питания. Тепло и свет, необходимые растениям, рассматриваются им как космические факторы. Однако в настоящее время плодородие почвы понимается шире.

Растения кроме воды и элементов корневого питания нуждаются в свете, тепле и кислороде, а зеленым частям растений необходима еще и углекислота. А почва это такое тело природы, которое может всем это обеспечить. Солнечное тепло определяет тепловой режим почвы, влияет на процессы испарения почвенной влаги, на скорость и направление сложных химических и физико-химических реакций на молекулярном уровне. Солнечный свет определяет возникновение и интенсивность фотохимических реакций в почве. Присутствующий в почве кислород обеспечивает дыхание организмов, обитающих в почве, способствует протеканию окислительных процессов. Углекислый газ, как продукт образующийся при дыхании и окислительных процессов также в достаточных количествах присутствует в почвах и используется организмами автотрофами в процессе фотосинтеза.

Таким образом, почва как материнский организм обеспечивает живые оргаСоответственно под плодородием почвы понимают способность почвы обеспечизмыивать рост и воспроизводство растений всеми необходимыми им условиями (а не только водой и элементами питания).