Почвенный воздух и воздушный режим почвы

Почвенный воздух и воздушный  режим почвы

План:

1. Почвенный воздух.

2. Состав свободного почвенного  воздуха

3. Потребление О₂ и продуцирование СО₂ в почве.

4. Воздушные свойства почвы.

5. Воздушный режим почв и его  регулирование

 

1. Почвенный воздух

Почвенный воздух, или газовая фаза,— важнейшая основная часть почвы, находящаяся в тесном взаимодействии с твердой, жидкой и живой фазами почвы.

Почвенным воздухом называется смесь  газов и летучих органических соединений, заполняющих поры почвы, свободные от воды. Наличие достаточного количества воздуха, его благоприятный состав не менее важны в жизни почвы и формировании урожая, чем обеспеченность почвы водой и питательными веществами.

Главные источники газовой фазы почвы — атмосферный воздух и  газы, образующиеся в самой почве. С атмосферным воздухом в почву поступает кислород, необходимый для дыхания корней растений, аэробных микроорганизмов, почвенной фауны. В процессе дыхания кислород потребляется с выделением углекислого газа.

Большинство растений не может существовать без непрерывного притока кислорода к корням и вывода углекислого газа из почвы. Если изолировать почву от атмосферного воздуха, то кислород в ней израсходуется полностью через несколько суток. Следовательно, почвенный воздух обеспечивает живые организмы кислородом только при условии постоянного обмена с атмосферным воздухом. Процесс обмена почвенного воздуха с атмосферным называют газообменом или аэрацией.

При недостатке кислорода и избытке  углекислого газа в почвенном  воздухе развитие растений угнетается. Замедляется рост корней, снижается поглощение воды и питательных веществ. Отсутствие кислорода приводит к отмиранию корней и гибели растений. Кроме прямого воздействия на растения, кислородная недостаточность косвенно влияет на продуктивность растений, способствуя развитию восстановительных процессов в почве. Таким образом, аэрация почвы — важнейший фактор, определяющий продуктивность почв. Несмотря на исключительно важную роль газовой фазы в жизни почвы, она слабо изучена. Интерес к ней в условиях интенсивного земледелия значительно повысился, так как на многих почвах при обеспеченности их водой и питательными веществами слабая аэрация становится главным лимитирующим фактором урожайности сельскохозяйственных культур.

Почвенный воздух находится в  почве в трех состояниях:

свободном, адсорбированном и растворенном.

Свободный почвенный воздух размещается в некапиллярных и капиллярных порах почвы, обладает подвижностью, способен свободно перемещаться в почве и обмениваться с атмосферным. Наибольшее значение в аэрации почв имеет воздух некапиллярных пор, практически всегда свободных от воды.

В суглинистых и глинистых почвах часть свободного почвенного воздуха  при увлажнении изолируется пробками воды и теряет сплошность. Такой  воздух называют защемленным. Его значение в аэрации почв невелико. Величина защемленного воздуха составляет в среднем —8 % объема почвы, а в глинистых почвах может быть более 12 %; определяется по разности значений между общей пористостью и полной влагоемкостью, выраженной в объемных процентах.

Адсорбированный почвенный воздух — газы, сорбированные поверхностью твердой фазы почвы. Адсорбция газов сильнее проявляется в почвах тяжелого механического состава, богатых органическим веществом. Газы адсорбируются в зависимости от строения их молекул, дипольного момента в такой последовательности: N₂ < O₂ < CO₂ < NH₃ Наибольшее количество адсорбированного воздуха характерно для сухих почв, так как твердые частицы почвы активнее поглощают пары воды, чем газы. При влажности почв выше максимальной гигроскопичности вода вытесняет поглощенные газы, что отражается на изменении состава свободного почвенного воздуха.

Растворенный почвенный воздух — газы, растворенные в почвенной воде. Растворимость газов в почвенной воде возрастает с повышением их концентрации в свободном почвенном воздухе, а также с понижением температуры почвы. Хорошо растворяются в воде аммиак, сероводород, углекислый газ. Растворимость кислорода сравнительно небольшая.

Растворенные газы проявляют высокую  активность. С насыщением почвенного раствора СО₂ повышается растворимость карбонатов, гипса и других минеральных соединений. Растворенный кислород поддерживает окислительные свойства почвенного раствора.

Запасы растворенного кислорода  в почве быстро расходуются без  их пополнения.

Высокая насыщенность кислородом (6—14 мг/л) почвенного раствора отмечается ранней весной, когда почвы переувлажнены водой, обогащенной кислородом, а расход последнего в почве еще невелик вследствие низкой биологической активности.

 

2. Состав свободного  почвенного воздуха

Свободный почвенный воздух, несмотря на его постоянную связь с атмосферным, характеризуется рядом особенностей.

Состав атмосферного воздуха довольно постоянный, и содержание его основных компонентов изменяется незначительно.

Почвенный воздух отличается динамичностью. Наиболее динамичны в почвенном воздухе 0₂ и СО₂. Их содержание в почвах сильно колеблется в соответствии с интенсивностью потребления кислорода и продуцирования углекислого газа, а также скоростью газообмена между почвой и атмосферой. В почвенном воздухе может содержаться СО₂ в десятки и сотни раз больше, чем в атмосферном воздухе, а концентрация кислорода может снизиться с 20,9 до 15—10 % и ниже.

В пахотных хорошо аэрируемых почвах с благоприятными физическими  свойствами содержание СО₂ в почвенном воздухе в течение вегетации растений не превышает 1—2 %, а содержание О₂ не бывает ниже 18 %. При переувлажнении в пахотных почвах тяжелого механического состава содержание СО₂ может достигать 4—6 % и более, а О₂ падать до 17—15 % и ниже. В заболоченных почвах наблюдаются еще более высокие концентрации СО₂ и низкие О₂.

Азот почвенного воздуха мало отличается от атмосферного. Некоторые изменения в содержании азота происходят в результате связывания его клубеньковыми бактериями, проявления денитрификации. В почвенном воздухе обнаруживается и другой характерный продукт денитрификации — закись азота (N₂O).

В почвенном воздухе также в небольшом количестве (1 ∙ 10 ^-9  - 1 ∙ 10^-12 %) постоянно присутствуют летучие органические соединения различной природы (этилен, метан и др.). С ухудшением аэрации почв в почвенном воздухе этилен накапливается в концентрациях, превышающих уровень токсичности для корней растений (0,00 1 %). В почвенном воздухе заболоченных и болотных почв могут находиться в заметных количествах аммиак, водород, метан.

Почвенный воздух неоднороден по составу и подвижности, что обусловливается разнообразием пор по размеру в почвах. В более крупных порах воздух более подвижен, менее обогащен СО₂, больше содержит О₂.

 

2. Потребление О₂ и продуцирование СО₂ в почве.

Основными потребителями  кислорода в почве являются корни растений, аэробные микроорганизмы и почвенная фауна и лишь незначительная часть его расходуется на чисто химические процессы. Пахотные почвы основных типов почв поглощают при 20 °С от 0,5 до 5 мл и более О₂ на 1 кг сухой почвы за 1 ч.

Количество кислорода, потребляемого  растениями, зависит от их биологических  особенностей, фазы развития, условий  среды (температура, влажность, питательные  вещества и т. д.). При увеличении температуры почвы с 5 до 30 °С интенсивность поглощения О₂ и выделения СО₂ возрастает в 10 раз. Летом почвы поглощают и выделяют СО₂ в несколько раз больше, чем ранней весной и поздней осенью.

Кислород поступает в почву из атмосферы диффузионно, с осадками и оросительной водой, по воздухоносным тканям растений. Прямое воздействие кислорода на растения проявляется в актах дыхания. При отсутствии свободного кислорода в почве развитие растений прекращается. Оптимальные условия для них создаются при содержании О₂ в почвенном воздухе около 20 %.

Косвенное влияние кислорода  на продуктивность растений выражается в его воздействии на почву. При  недостатке О₂ в почве развиваются анаэробные процессы с образованием токсичных для растений соединений, снижается содержание доступных питательных веществ, ухудшаются физические свойства, что в совокупности снижает плодородие почвы и урожай растений. В условиях хорошей обеспеченности кислородом в почве развиваются аэробные процессы и в сочетании с другими факторами возникают лучшие условия для роста растений и их продуктивности.

Углекислый газ обнаруживается в почве главным образом благодаря биологическим процессам. Частично он может поступать в почвенный воздух из грунтовых вод, а также в результате его десорбции из твердой и жидкой фаз почвы. Некоторое количество СО₂ может возникать при превращении бикарбонатов в карбонаты во время испарения почвенных растворов и в процессе воздействия кислот на карбонаты почвы, а также химического окисления органического вещества.

Высокая концентрация СО₂ в почвенном воздухе (более 2—З %) угнетает развитие растений.

Выделение СО₂ из почвы в приземный слой атмосферы принято называть дыханием почвы. Поступающий из почвы СО₂ потребляется растениями в процессе фотосинтеза. Интенсивность дыхания почвы зависит от ее свойств, гидротермических условий, характера растительности, агротехнических мероприятий. Выделение СО₂ почвой усиливается при ее окультуривании в связи с активизацией биологических процессов и улучшением условий аэрации. Таким образом, интенсивность дыхания — важная характеристика газообмен а и активности биологических процессов в почве. По литературным данным, торфяно-глеевые почвы тундры выделяют СО₂ в количестве 0,3 т/га в год, подзолистые почвы хвойных лесов — от 3,5 до 30, бурые и серые лесные почвы — от 20 до 60, степные черноземы — 40—70 т/га в год.

 

4. Воздушные свойства  почвы

Газообмен, или аэрация, осуществляется через воздухоносные поры почвы, сообщающиеся между собой и с атмосферой. К факторам газообмена относятся: диффузия, поступление влаги в почву с осадками или при орошении, изменение температуры почвы и атмосферного давления, влияние ветра, изменение уровня грунтовых вод или верховодки.

Диффузия — перемещение газов в соответствии с их парциальным давлением. Поскольку в почвенном воздухе 0₂ меньше, а СО₂ больше, чем в атмосфере, то под влиянием диффузии создаются условия для непрерывного поступления 0₂ в почву и выделения СО₂ в атмосферу.

Поступление влаги в почву с  осадками или при орошении вызывает сжатие почвенного воздуха, его выталкивание наружу и засасывание атмосферного воздуха.

Изменение температуры почвы и  атмосферного давления, ветра и уровня грунтовых вод также вызывает объемные изменения воздуха в почве и, как следствие, общий ток его из почвы или в почву.

Все рассмотренные факторы газообмена действуют в природных условиях совместно, однако основным следует  признать диффузию.

Необходимая для корней растений аэрация  почвы связана с переносом СО₂ и О₂ не только через воздухоносные поры, но и через пленку воды, окружающую корни.

Состояние газообмена определяется воздушными свойствами почв. К воздушным свойствам  почв относятся воздухопроницаемость и воздухоемкость.

Воздухопроницаемость — способность почвы пропускать через себя воздух. Она измеряется количеством воздуха в мл, прошедшем под определенным давлением в единицу времени через площадь сечения почвы 1 см² при толщин слоя 1 см. Чем полнее выражена воздухопроницаемость, тем лучше газообмен, тем больше в почвенном воздухе О₂ и меньше СО₂.

Воздухопроницаемость зависит  от механического состава почвы, ее плотности, влажности, структуры. Воздух в почве передвигается по порам, не заполненным водой и не изолированным  друг от друга. Чем крупнее поры аэрации, тем лучше воздухопроницаемость. В структурных почвах, где наряду с капиллярными порами имеется достаточное количество крупных некапиллярных пор, создаются наиболее благоприятные условия для воздухопроницаемости.

Воздухоемкость характеризует содержание воздуха в почве в объемных процентах. Количество воздуха в почве зависит от влажности и пористости почвы. Чем выше пористость и меньше влажность, тем больше воздуха содержится в почве.

Максимальная воздухоемкость характерна для сухих почв и равна общей пористости. Однако в природных условиях почвы всегда содержат то или иное количество воды, поэтому величина воздухоемкости очень динамична.

В воздушно-сухом состоянии воздухоемкость почвы равна разности между общей пористостью и объемом гигроскопической воды. Особое значение имеет воздухоемкость почвы, соответствующая наименьшей влагоемкости и являющаяся аналогом некапиллярной пористости. Если объем пор, занятых воздухом при наименьшей влагоемкости, составляет менее 15 %, то аэрация почв недостаточная, чтобы обеспечить благоприятный состав почвенного воздуха. Оптимальные условия для газообмена создаются при содержании воздуха в минеральных почвах 20—25 %, а в торфяных — 30—40 %.