Биокосные системы Земли - [8]

Окислительно-восстановительные процессы и ряды почв. В химическом отношении разложение органических веществ — это процесс окислительно-восстановительный, так как углерод, водород и другие элементы, входящие в состав органических соединений, при этом окисляются до простых минеральных соединений — CO₂, H₂O, солей фосфорной, серной и других кислот. Главный окислитель — свободный кислород — при этом восстанавливается[6]. Окислителями и восстановителями могут быть и другие элементы, например железо, но основной вывод от этого не изменится: сущность почвообразования с химических позиций заключается в окислительно-восстановительных реакциях. Отсюда нетрудно предположить, что и главные различия между почвами связаны именно с их окислительно-восстановительными условиями.

Рис. 4. Схема взаимно противоположных процессов — биогенной аккумуляции (1) и выщелачивания (2) в почвах разных ландшафтов.

Соотношение биогенной аккумуляции и выщелачивания определяет строение профиля важнейших типов почв. Ширина стрелок характеризует относительную интенсивность процессов, длина — сравнительную глубину проникновения процесса

Для большинства почв характерно присутствие в почвенном воздухе и почвенном растворе свободного кислорода — очень энергичного окислителя, который поступает в почву из атмосферы. Поэтому в таких почвах многие химические элементы находятся в окисленном состоянии, т. е. характеризуются более высокой валентностью. Например, железо в почве может быть трехвалентным (окисленным) и двухвалентным (восстановленным). Минералы трехвалентного железа — гематит, гетит и другие — имеют желтую, красную, коричневую, бурую окраску и легко узнаются при наблюдении почв в природе. Правда, окраска нередко маскируется черным цветом почвенного гумуса, но ниже гумусового горизонта она обычно выражена отчетливо. Если в почвенном воздухе и почвенном растворе много свободного кислорода, то железо преимущественно находится в трехвалентной форме, почвы окрашены в теплые тона.

Такую обстановку, когда в системе есть свободный кислород и яркие минералы трехвалентного железа, в геохимии принято называть окислительной. Конечно, это несколько условный термин, так как одновременно с окислением в почвах происходит, как мы убедились, и восстановление кислорода, однако при наименовании обстановки учитывались именно процессы окисления многих элементов свободным кислородом.

Где же образуются почвы с преобладанием окислительной среды? Очевидно, там, где атмосферный воздух легко проникает в почву, где глубоко залегают грунтовые воды. Это, например, почвы на склонах гор, многие почвы плоских водоразделов и склонов на равнинах. К ним относятся такие распространенные а хорошо изученные почвы, как черноземы, красноземы, каштановые почвы, буроземы, большинство почв пустынь и т. д.

Для обозначения подобных почв были предложены термины: «сухопутно-растительные», «автоморфные», «элювиальные» почвы и т. д. Все это крупные единицы почвенных классификаций. Конечно, у равных авторов имелись и расхождения в классификации почв, но все же большинство почвоведов рассматривает почвы водоразделов и склонов с глубоким залеганием грунтовых вод как некую общность.

В чем же состоит эта общность? Что объединяет, например, столь различные почвы, как красноземы влажных субтропиков и бурые почвы пустынь? Эту общность автор видит в преобладании в таких почвах окислительных условий и предлагает выделять их в первый ряд почв с преобладанием окислительной среды.

Однако местами окислительная среда в почвах отсутствует. Это происходит, например, в понижениях рельефа, где близко к поверхности подходят грунтовые или накапливаются поверхностные воды. Почва здесь состоит из двух фаз — твердой и жидкой, все поры в ней заполнены водой, воздух отсутствует, и, следовательно, свободный кислород может быть только в почвенном растворе. Этого количества обычно не хватает для окисления растительных остатков, и скоро свободный кислород исчезает из почвы. Микробиологическое разложение органических веществ при этом не прекращается, оно только замедляется. Длительная эволюция выработала такие формы микроорганизмов, которые способны окислять органические вещества при отсутствии свободного кислорода. Это анаэробные бактерии, которые отнимают кислород у минеральных соединений и с его помощью окисляют органические вещества. Так, если в почвах имеются соединения трехвалентного железа, то оно служит окислителем и восстанавливается до двухвалентного состояния, а углерод органических веществ при этом окисляется.

Соединения двухвалентного железа имеют зеленую, сизую, синеватую, серую окраску, и поэтому почвы (горизонты), где протекают подобные процессы, приобретают зеленоватый или сизый цвет. Украинские крестьяне давно уже заметили, что почвы болот, глина со дна озер имеют такую окраску. Подобный грунт на Украине именуют глеем. Известный почвовед и лесовод, ученик Докучаева, впоследствии академик украинской Академии наук, Г. Н. Высоцкий использовал в 1905 г. термин «глей» для обозначения восстановительной обстановки в почвах, характеризующейся отсутствием свободного кислорода и миграцией двухвалентного железа. После работ Высоцкого почвоведы стали говорить о глеевой обстановке, глеевых горизонтах, глеевых почвах.