Воздушные свойства и воздушный режим почв

Воздушные свойства и воздушный режим почв

Благодаря пористости почва обладает воздухопроницаемостью. Воздухопроницаемость — свойство почвы пропускать воздух через поры, не занятые водой.

Общий объем почвенных  пор выше наименьшей влагоемкости (капиллярно-подвешенной влаги) называют воздухоемкостью, а общий объем пор, свободных от влаги,— воздухосодержанием, или порочностью аэрации. Воздухоемкость и воздухосодержание выражаются в процентах от объема почвы.

Воздушные свойства почвы зависят от влажности, объемной плотности, механического состава, структурности почвы. Благодаря воздухопроницаемости и порозности аэрации почвы в том или ином количестве содержат почвенный воздух. Почвенный воздух — газы, находящиеся в порах почвы, свободных от влаги; содержание его выражается в процентах от объема почвы и изменяется в зависимости от динамики влажности почв в данной местности.

Почвенный воздух хорошо дренированных  почв содержит, %: азота — 78, кислорода  — 21, аргона — 0,9, углекислого газа — 0,03. По составу он мало отличается от атмосферного (в нем больше углекислоты  и меньше кислорода).

В зависимости от пористости, влажности, состава растений, количества органических веществ, микроорганизмов содержание O2 и СО2 в почвенном воздухе может меняться от 0 до 20 %. Различия в концентрации O2 и С02 определяются интенсивностью использования О2, поступлением С02 и быстротой газообмена между атмосферным и почвенным воздухом — аэрацией.

Аэрация, или газообмен  почвенного воздуха с атмосферным, осуществляется благодаря воздухопроницаемости почвы. Перемещение молекул происходит вследствие различия парциального давления газов (диффузии). Процесс диффузии газов в самой почве происходит в 5—20 раз медленнее, чем в атмосфере. На аэрацию оказывает влияние поступление влаги в почву, которая вытесняет воздух в атмосферу.

Значительное влияние  на газообмен оказывают верховодка и близколежащие (1,5—2,0 м) грунтовые воды с переменным уровнем. При подъеме уровня воды воздух, обогащенный углекислотой, выталкивается в атмосферу, а при опускании уровня воды происходит втягивание атмосферного воздуха, обогащенного кислородом. Аэрация усиливается благодаря изменению температуры и барометрического давления атмосферы. Нагревание почвы сопровождается расширением газов и их выходом в приземной слой воздуха, то же самое происходит при уменьшении атмосферного давления. И, наконец, газообмен почв усиливается при действии ветра в приземном слое, обычно занятом той или иной растительностью.

Значение почвенного воздуха  и аэрация для почвенных процессов, жизнедеятельности растений и микроорганизмов определяется составом почвенного воздуха и, в частности, соотношением; кислорода и углекислоты.

Значительная  часть почвообразовательных процессов, связанных с разложением органических веществ, сопровождается окислительными процессами, активной микробиологической деятельностью. Поэтому самые верхние органогенные горизонты поглощают значительное количество кислорода. Так, лесная подстилка способна поглотить кислорода до 400 мл на 1 кг, гумусовые горизонты поглощают от 0,5 до 3 мл на 1 кг абсолютно сухого вещества, а нижние горизонты подзолистых почв — десятые и сотые доли миллилитра.

Поглощается кислород и растущими корнями растений, микроорганизмами. При этом во всех случаях в почвенный воздух выделяется углекислый газ. При недостатке кислорода создаются анаэробные условия, замедляются процессы разложения органических веществ, изменяются группы микроорганизмов, изменяется валентность Fe и Mg, начинаются процессы оторфовывания, оглеения, разрушения почвенной структуры с образованием плотных горизонтов.

Анаэробные условия складываются в почвах при содержании кислорода 2,5—5 % или если его меньше 5,5 см3 в 1 кг почвы. При недостатке кислорода в почве изменяются интенсивность и направление почвообразования, а почвенный воздух насыщается недоокисленными соединениями (метан, сероводород, ароматические вещества) и главным образом углекислотой, содержание которой может достигать 15—20 % объема.

Находящийся в почвах углекислый газ способствует образованию (при реакции рН>5) бикарбонатов. При реакции среды рН<5 углекислый газ способствует растворению карбонатов и, по-видимому, образуя угольную кислоту, может участвовать в процессах химического и биохимического выветривания, способствуя перемещению различных веществ по профилю почв. При недостатке кислорода прекращается рост корней, проростков, элементы питания становятся недоступными, а изменяющиеся физические условия в почве приводят к прекращению роста растений и потере почвенного плодородия.

Для обеспечения  наилучших условий газового состава  почвенного воздуха, аэрации, роста растений и развития микроорганизмов необходимо, чтобы порозность аэрации верхних горизонтов почвы находилась в пределах 15—20 % объема почвы. Соотношение в почвах О2 и СО2 постоянно изменяется в связи с сезонными и годовыми циклами развития растений и климатическими факторами.

Улучшение воздушного режима почвы прямо связано с агротехническими приемами по регулированию физических свойств почв и водного режима. Повышение аэрации почв достигается уменьшением увлажнения верхних горизонтов. Однако для роста растений требуется оптимальное соотношение между почвенным воздухом и влагой, что достигается лишь в хорошо оструктуренных почвах добавлением органических удобрений при вспашке. Хороший эффект дают осушение болот, создание микроповышений и лесомелиоративных насаждений.

Почвенным воздухом называется смесь газов и летучих органических соединений, заполняющих поры почвы, свободные от воды. Главные источники газовой фазы почвы - атмосферный воздух и газы, образующиеся в самой почве. Большинство растений не может существовать без непрерывного притока кислорода к корням и вывода углекислого газа из почвы. 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.  
 
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. В суглинистых и глинистых почвах часть свободного почвенного воздуха при увлажнении изолируется пробками воды и теряет сплошность. Такой воздух называют защемленным.  
 
^ Адсорбированный почвенный воздух - газы, сорбированные поверхностью твердой фазы почвы. Адсорбция газов сильнее проявляется в почвах тяжелого механического состава, богатых органическим веществом. Наибольшее количество адсорбированного воздуха характерно для сухих почв, так как твердые частицы почвы активнее поглощают пары воды, чем газы.  
 
^ 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. Потребность в кислороде корней растений удовлетворяется главным образом за счет свободного почвенного воздуха, обеспечивающего постоянную аэрацию между почвой и атмосферой.  
 
Свободный почвенный воздух, несмотря на его постоянную связь с атмосферным, характеризуется рядом особенностей. Состав атмосферного воздуха довольно постоянные, и содержание его основных компонентов изменяется незначительно. В атмосферном воздухе содержится в объемных процентах: 78,08 азота (N₂), 20,95 кислорода (0₂), 0,93 аргона (Аr), 0,03 углекислого газа (С0₂).  
 
Почвенный воздух отличается динамичностью. Наиболее динамичны в почвенном воздухе 0₂ и С0₂. 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 С0₂ 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 С0₂ в почвенном воздухе в течение вегетации растений не превышает 1-2 %, а содержание 0₂ не бывает ниже 18 %. При переувлажнении в пахотных почвах тяжелого механического состава содержание С0₂ может достигать 4-6 % и более, а 02 падать до 17-15 % и ниже. В заболоченных почвах наблюдаются еще более высокие концентрации С0₂ и низкие 0₂.  
 
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 (N₂0). В почвенном воздухе 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 (0,001 %). 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 С0₂, больше содержит 0₂  
 
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 0₂ в почвенном воздухе около 20 %. Косвенное влияние кислорода на продуктивность растений выражается в его воздействии на почву. При недостатке 0₂ 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 лавным 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 С0₂ 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. Выделение С0₂ из почвы в приземистый слой атмосферы принято называть дыханием почвы. Интенсивность дыхания почвы зависит от ее свойств, гидротермических условий, характера растительности, агротехнических мероприятий. Выделение С0₂ почвой усиливается при ее окультуривании в связи с активизацией биологических процессов и улучшением условий аэрации 
 
^ 4. Воздушные свойства почв. 
 
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 С0₂ больше, чем в атмосфере, то под влиянием диффузии создаются условия для непрерывного поступления 0₂ в почву и выделения С0₂ в атмосферу. 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. Диффузия газов через почву идет медленнее, чем в свободном воздухе. 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 мл, прошедшем под определенным давлением в единиц 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 С0₂. Воздухопроницаемость зависит от механического се става 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.  
 
^ 5. Воздушный режим почв и его регулирование. 
 
Воздушным режимом почв называют совокупность всех явлений поступления воздуха в почву, передвижения его в профиле почвы, изменения состава и физического состояния при взаимодействии с твердой, жидкой и живой фазами почвы, а также газообмен почвенного воздуха с атмосферным.  
 
Воздушный режим почв подвержен суточной, сезонной, годовой и многолетней изменчивости и находится в прямой зависимости от свойств почв (физических, химических, физико-химических, биологических), погодных условий, характера растительности, возделываемой культуры, агротехники. Наиболее благоприятный воздушный режим складывается в структурных почвах, обладающих рыхлым сложением, способных быстро проводить и перераспределять поступающие в них воду и воздух. В улучшении воздушного режима нуждаются многие почвы, особенно с постоянным или временным избыточным увлажнением.  
 
Регулируют воздушный режим с помощью агротехнических и мелиоративных мероприятий. На заболоченных почвах агротехнические мероприятия южно применять только после коренной их мелиорации - осушения.  
 
Содержание воздуха в легких почвах (песчаных и супесчаных), а также в суглинистых и глинистых, обладающих агрономически ценной структурой, поддерживается в верхних горизонтах в течение вегетации растений на достаточно высоком уровне (20-25 % объема почвы). В бесструктурных почвах тяжелого механического состава содержание почвенного воздуха зависит от состояния уплотнения и увлажнения почвы. Даже при оптимальной влажности в таких почвах растения могут страдать от недостатка 0₂ и избытка С0₂. При влажности, равной НВ, содержание воздуха в указанных почвах падает ниже критической величины (менее 15 % объема почвы).  
 
Большой вред приносит почвенная корка, образующаяся на бесструктурных почвах. Она обладает значительной плотностью и низкой пористостью. Согласно данным Н. П. Поясова, почвенная корка уже при влажности 17 % (22,2 % объема почвы) препятствует нормальной аэрации. Значение пор аэрации для осуществления газообмена изменяется в зависимости от свойств почв и их температурного режима. Так, благоприятный состав почвенного воздуха, когда содержание СО₂ не превышает2-3 %, а концентрация кислорода не падает ниже 19-18 %, поддерживается в суглинистых дерново-подзолистых почвах при содержании воздуха более 20 % объема почвы, если температура почвы превышает 15 ºС. При температуре почвы 10-15 ºС. условия аэрации обеспечиваются при более низком содержании воздуха - 15-20 % объема почвы.  
 
Все приемы обработки почвы, улучшающие ее сложение, увеличивающие общий объем пор и пор аэрации, усиливают интенсивность газообмена, уменьшают концентрацию С0₂, увеличивают содержание 0₂ в почве.  
 
^ Интенсивность дыхания почвы - характерный показатель воздушного режима. Величина дыхания почвы колеблется в широких пределах (от 0,5 до 10 кг/га на 1 м² и более) в зависимости от свойств почв, гидротермических условий, характера растительности. Наиболее активно С0₂ выделяется из почвы в период наиболее интенсивного роста корневой и вегетативной массы растений при благоприятных влажности и температуре. В ряду по требованию к условиям аэрации их можно расположить следующим образом: картофель> кукуруза> зерновые> многолетние травы.  
 
Для растений большое значение имеет продолжительность периода с неблагоприятной аэрацией, поэтому необходимо знать динамику состава почвенного воздуха.  
 
^ Суточная динамика С0₂ и 0₂ распространяется до глубины 30-50 см в соответствии с колебаниями температуры. Обновление состава почвенного воздуха возможно на 10-15 %.  
 
^ В годовом цикле динамики С0₂ и 0₂ в почвенном воздухе максимальное содержание 0₂ и минимальное С0₂ приходится на летний период, а осенью зимой почвенно-грунтовая толща освобождается от ран накопленного углекислого газа. В течение вегетационного периода состав почвенного воздуха значительно изменяет, в зависимости от погодных условий. При оптимальной влажности с повышением температуры почвы содержан С0₂ в почвенном воздухе увеличивается, а 0₂ уменьшается при высокой температуре и низкой влажности (близкой влажности завядания), состав почвенного воздуха мало отличается от атмосферного. В почвах нормального увлажнения содержание 0₂ в почвенном воздухе, как правило, уменьшается от верхнего горизонтов к нижним, количество же С0₂, наоборот, увеличивается. В почвах с затрудненным газообменом максимальные концентрации С0₂ и минимальные 0₂ характерны для верхней или средней части профиля почвы.  
 
Воздушный режим почв оптимизируется при их окультуривании. Регулирование реакции среды, применение органических и минеральных удобрений, орошение почв активизируют биологические процессы в почвах, повышают интенсивность дыхания почв при наличии доступной влаги. Создание глубокого пахотного слоя, рыхление подпахотного, умеренное орошение, ликвидация почвенной корки - важные приемы регулирования воздушного режима на малогумусных почвах тяжелого механического состава.