Какие газы содержатся в почвенном воздухе
Глава 8. ПОЧВЕННЫЙ ВОЗДУХ
Воздушная фаза почвы – важная и наиболее динамичная составная часть почвы, находящаяся в тесной взаимосвязи с остальными фазами. Почвенным воздухом называется смесь газов и летучих органических соединений, заполняющих почвенные поры, поэтому почвенный воздух является конкурентом почвенного раствора. Количество и состав почвенного воздуха оказывают большое влияние на развитие и жизнедеятельность растений и микроорганизмов, растворимость химических соединений и их миграцию в профиле, на интенсивность почвенных процессов.
§1. Состав почвенного воздуха
Количество воздуха в почве и его состав зависят от ее воздухоемкости и воздухопроницаемости, а также от пористости и влажности, так как почвенный воздух занимает все поры, в которых нет воды. При одной и той же влажности в структурных почвах, обладающих некапиллярной пористостью, воздуха больше, чем в бесструктурных. Дополнительное насыщение почвы водой влечет за собой вытеснение из нее воздуха. Воздушный режим наиболее благоприятен в структурных и рыхлых почвах.
Главными источниками газовой фазы являются атмосферный воздух и газы, образующиеся в самой почве. Химический состав почвенного воздуха тесно связан с атмосферным, так как идет постоянный газообмен, но количественный показатель составляющих газов отличается, что обусловлено и физическими свойствами самой почвы. Чем более пористая почва, тем ближе составы почвенного и атмосферного воздуха. В результате дыхания микроорганизмов и корней растений почвенный воздух обычно намного богаче углекислым газом и беднее кислородом (табл. 12).
Если состав атмосферного воздуха в целом постоянный, то содержание кислорода и углекислого газа в почвенном воздухе может сильно колебаться.
Таблица 12.
Состав атмосферного и почвенного воздуха
Воздух | Азот, % | Кислород, % | Углекислый газ, % |
Атмосферный | 78,8 | 20,95 | 0,03 |
Почвенный | 78,8 | 10 – 20 | 11 – 1 |
В пахотных хорошо аэрируемых почвах с благоприятными физическими свойствами содержание и СО2 в течение вегетации растений не превышает 1 – 2 %, а содержание О2 не бывает ниже 18 %. При переувлажнении в тяжелых пахотных почвах 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. Оптимальное содержание О2 и СО2 в почвенном воздухе соответственно 20 % и 1 %. При такой обеспеченности кислородом в почве развиваются аэробные процессы и создаются благоприятные условия для произрастания растений. Для пропашных культур (овощные и др.) желательно минимальное содержание О2 не ниже 17 %, зерновых – не ниже 14 % (овес хорошо растет и при 10 % О2). Основными потребителями кислорода в почве являются корни растений, аэробные микроорганизмы и почвенная фауна и лишь незначительная часть его расходуется на химические процессы. Недостаток кислорода ослабляет дыхание, обмен веществ, а при отсутствии в почве свободного кислорода прекращается развитие растений. Влияние недостатка кислорода в почве связано с увеличением концентрации СО2,понижением окислительно-восстановительного потенциала, развитием анаэробных (восстановительных) процессов, образованием токсичных для растений соединений (СН4, Н2S, С2Н4), снижением доступных питательных веществ, ухудшением физических свойств почвы. Все это в конечном итоге снижает плодородие почвы и урожай растений. Таким образом, СО2 и О2 являются антагонистами в почве.
Второй важный компонент почвенного воздуха – углекислый газ, который обнаруживается в почве главным образом благодаря биологическим процессам. Частично он может поступать 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. Высокое содержание его в почве (> 3 %) отрицательно действует на семена, угнетает развитие растений и снижает урожай. Однако СО2 необходим для фотосинтеза (установлено, что 38 – 72 % СО2 доставляется растению из почвенного воздуха). Есть мнение, что 90 % СО2 атмосферного воздуха имеет почвенное происхождение.
В почвенном воздухе, кроме макрогазов (N2, СО2, О2), часто встречаются Н2, Н2S, СН4, NH3, предельные и непредельные углеводороды, эфиры, фосфористый водород, образующиеся в результате анаэробного разложения органического вещества и их новообразования, трансформацией в почве удобрений, гербицидов, продуктов техногенного загрязнения. Их концентрации очень малы, но этого может быть достаточно для снижения биологической активности почв.
§2. Газообмен почвенного воздуха, воздушные свойства и воздушный режим почвы. Регулирование воздушного режима почв
Между почвенным и атмосферным воздухом происходит постоянный газообмен (аэрация). Если бы его не было, то состав почвенного воздуха мог бы настолько ухудшиться, что стал бы совершенно непригодным для развития растений. Поэтому чем быстрее и полнее обменивается почвенный воздух с атмосферным, тем благоприятнее создаются в почве условия для жизни культурных растений, а также для биохимических почвенных процессов. Газообмен имеет огромное значение и для развития надземных частей растений, так как органическую массу они строят благодаря ассимиляции углекислого газа воздуха. Содержание же его в воздухе иногда бывает недостаточным для интенсивного развития растений, поэтому чем лучше развит газообмен в почве, чем больше насыщается приземный слой воздуха СО2, тем благоприятнее условия для роста растений.
Газообмен почвенного воздуха с атмосферным происходит через систему воздухоносных (некапиллярных) пор под действием диффузии, изменения температуры почвы, атмосферного давления, уровня грунтовых вод, изменения количества влаги в почве (зависящее от атмосферных осадков, орошения и испарения), ветра. Глубина газообмена около 50 см.
Главная роль в газообмене принадлежит механизму диффузии – перемещению газов в соответствии с их парциальным давлением. Поскольку в почвенном воздухе О2 меньше, а СО2 больше, чем в атмосфере, то под влиянием диффузии создаются условия для непрерывного поступления О2 в почву и выделения СО2 в атмосферу.
Изменение температуры, барометрического давления и ветра вызывают объемные изменения воздуха (сжатие или расширение), а следовательно, и общий ток его из почвы или в почву. Изменение количества влаги в почве и уровня грунтовых вод способствует газообмену, так как влага осадков вытесняет почвенный воздух, а испарение воды из почвы вызывает поступление атмосферного воздуха на ее место.
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, прошедшим под определенным давлением в единицу времени через площадь сечения почвы 1 см2 при толщине слоя 1 см. Чем полнее выражена воздухопроницаемость, тем лучше газообмен, тем больше в почвенном воздухе О2и меньше СО2.
Воздухопроницаемость зависит от механического состава почвы, ее плотности, структуры и некапиллярной порозности. Воздух в почве передвигается по порам, не заполненным водой и не изолированным друг от друга, чем они крупнее, тем лучше воздухопроницаемость. В структурных почвах, где наряду с капиллярными порами имеется достаточное количество крупных некапиллярных пор, создаются наиболее благоприятные условия для воздухопроницаемости, при одной лишь капиллярной пористости, свойственной бесструктурным почвам, диффузия воздуха тормозится. Снижает газообмен также образующаяся на поверхности почв корка.
Воздухоемкость – это способность почвы содержать в себе определенное количество воздуха, выражается в объемных процентах. 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 (РВ) почвы представляет разность между общей пористостью и объемом гигроскопической воды:
где Робщ – общая порозность почвы (%), РГ – объем гигроскопической влаги (%).
В естественных условия количество пор, занятых воздухом (пористость аэрации, РАЭР), определяют по формуле:
где РW – объем пор, занятых водой (%), определяется по формуле:
где dV – объемная плотность в г/см3, W – влажность почвы (%).
Нормальная аэрация почв обеспечивается, если величина воздухоемкости превышает 15 % объема почвы. Оптимальные условия для газообмена создаются при содержании воздуха в минеральных почвах 20 – 25 %, а в торфяных – 30 – 40 %.
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 изменчивости и находится в прямой зависимости от свойств почв (физических, химических, физико-химических, биологических), погодных условий, характера растительности, возделываемой культуры, агротехники.
Важным показателем воздушного режима почв является динамика СО2 и О2 в почвенном воздухе. 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. Основные потребители кислорода и продуценты углекислого газа в почве – корни растений, микроорганизмы и почвенные животные. Потребление кислорода высшими и низшими растениями зависит от их биологических особенностей и возраста, а также от температуры и влажности среды и др. При увеличении температуры с 5 до 30 °С интенсивность поглощения О2 и выделения СО2 возрастает в 10 раз.
Выделение СО2 из почвы в приземный слой атмосферы принято называть «дыханием» почвы. Интенсивность дыхания почвы зависит от ее свойств, гидротермических условий, характера растительности, агротехнических мероприятий и является важной характеристикой газообмена и активности биологических процессов в почве. Выделение СО2 почвой усиливается при ее окультуривании в связи с активизацией биологических процессов и улучшением условий аэрации. 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.
Динамика этих газов в почве сильно подвержена сезонным колебаниям, так как смена времен года сопровождается резким изменением температуры и влажности. Летом потребление кислорода и выделение углекислого газа в несколько раз больше, чем ранней весной и поздней осенью.
Наиболее благоприятно 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.
Регулирование воздушного режима почв достигается агротехническими и мелиоративными приемами. Применяются такие мероприятия по обеспечению нормального газообмена, как разрушение почвенной корки и поддержание поверхности почвы в рыхлом состоянии путем глубокой вспашки, боронования, культивации, рыхления междурядий в период вегетации. Воздушный режим в заболоченных и периодически переувлажненных почвах регулируют осушением.
Почвенный воздух представляет собой смесь газообразных компонентов, заполняющих свободное поровое пространство в почве и находящихся в постоянном взаимодействии друг с другом, а также с жидкой и твердой фазами почвы.
Среди газообразных соединений выделяются собственно газы (CO2, O2), пары жидкостей (Н2O) и твердых веществ (Hg, I, др.). Состав почвенного воздуха и его содержание связаны с жизнедеятельностью растений, почвенных животных и микроорганизмов, взаимодействием с жидкой и твердой фазами почвы и газообменом с атмосферой. По отношению к атмосфере Земли почвенный воздух выполняет важную экологическую функцию как источник, генератор и поглотитель газообразных веществ.
Основные компоненты почвенного воздуха — азот, кислород, аргон, углекислый газ и пары воды. В переувлажненных почвах в составе почвенного воздуха в значительных количествах содержатся газы H2S, Н2, СН4.
При нормальной аэрации средний состав газовой фазы почвы основном определяется соотношением интенсивностей газообмена с атмосферой, внутрипочвенного поглощения кислорода и выделения углекислого газа, а также равновесием в почве между газообразной фазой и жидкой и твердой фазами.
Сухой атмосферный воздух содержит при обычных условия 78,08% азота, 20,95 % кислорода, 0,93 % аргона, 0,035 % углекислого газа. Макросостав почвенного воздуха по сравнению с атмосферой характеризуется высокой динамичностью кислорода и углекислого газа. Концентрации O2 и СO2 в почвах могут изменяться в очень широком диапазоне: O2 — от 0,05 до 20,9 %, СO2 — от 0,03 до 20,0 %. Содержание O2 в почве закономерно уменьшается вниз) по профилю. Минимальное количество O2 (3—6%) наблюдается в газовой фазе болотных торфяных почв.
Состав атмосферного (А) и почвенного (Б) воздуха
Средняя концентрация СO2 в почвенном воздухе составляет около 0,25%, что в 7—8 раз больше, чем в атмосфере. Количество CO2 возрастает вниз по профилю. Максимальное количество CO2 наблюдается в переувлажненных почвах. Кислород в почвах расходуется в результате поглощения корнями растений для обеспечения их жизнедеятельности и на аэробную деструкцию (минерализацию) органического вещества. В процессе жизнедеятельности почвенных обитателей и минерализации органического вещества поглощается кислород и выделяется СO2. Микроорганизмы в два раза больше, чем растения, поглощают кислорода и выделяют углекислого газа. Им принадлежит главная роль в регулировании процессов выделения (эмиссии) и поглощения (стока) газов.
Среди микрокомпонентов почвенного воздуха, доля которых составляет до 10-2% от общего объема, наибольшее внимание притекают метан, оксид азота, а также токсичные для живых организмов газообразные примеси (СО, SO2). Заболоченные почвы производят в целом около четверти глобального количества метана, поступающего ежегодно в атмосферу. Производство метана в почвах характеризуется большой пространственно-временной изменчивостью в диапазоне от 0,02 до 200 мг/(м2·сут).
Газообразные соединения азота образуются и трансформируются в почве в результате процессов азотфиксации, аммонификации, нитрификации и денитрификации. Из общего количества азота, вносимого на поля с удобрениями, лишь 25 % выносится с поля с урожаем, 75 % азота удобрений теряется из почвы в процессе минерализации и выщелачивания.
Состав и состояние почвенного воздуха во многом определяют плодородие почв и продуктивность растений. Для большинства растительных культур признаки кислородного голодания и газовой интоксикации корневых систем возникают при концентрации O2 меньше 17—15%.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Поступление воздуха в почву и изменение его запасов и состава в ней во времени называют воздушным режимом.
Почвенный воздух — важнейшая составная часть почвы. Он занимает в ней все промежутки, не заполненные водой, и, кроме того, находится в адсорбированном (поглощенном) и растворенном состоянии. Почвенный воздух содержит 20,9% кислорода, 0,03% углекислого газа и 78% азота. В состав его также входят другие газы (аргон, неон, криптон, ксенон, гелий, водород, азот и др.), но количество каждого из них незначительное.
В почвенном воздухе пахотного слоя содержится 18—20% кислорода и 0,15—21% углекислоты. В уплотненных и избыточно увлажненных почвах количество кислорода уменьшается, а углекислоты увеличивается. В воздухе болотных почв обнаруживается повышенное содержание метана и сероводорода.
Таким образом, состав почвенного воздуха несколько отличается от состава атмосферного. Почвенный воздух содержит меньше кислорода и больше углекислоты.
Состав почвенного воздуха зависит от интенсивности поглощения кислорода, выделения корнями растений и микроорганизмами углекислого газа, создающего градиенты концентрации этих газов, приводящего к диффузии кислорода в почву и углекислого газа из почвы. Состав почвенного воздуха также зависит от скважности почвы.
Основными потребителями кислорода в почве и продуцентами углекислоты являются растения и микроорганизмы. Поглощение кислорода и выделение углекислоты растениями связано с интенсивностью их развития, наличием влаги в почве и температурой.
А. Г. Бондарев (1965) установил, что максимальное количество углекислоты выделялось в период наиболее интенсивного развития растений. Интенсивность продуцирования углекислоты микроорганизмами зависит от количества энергетического материала, температуры и влажности.
В условиях повышенного увлажнения выделение углекислоты преобладает над отводом ее из почвы, и это приводит к накоплению углекислоты в пахотном слое до 5—6% и понижению содержания кислорода до 15—16%.
Состав почвенного воздуха изменяется и с глубиной почвенного слоя. С увеличением почвенного слоя в нем возрастает содержание углекислого газа и уменьшается количество кислорода. Это связано с условиями газообмена. Иногда на глубине 150—200 см углекислого газа обнаруживается до 10—12%.
Уплотненные и избыточно увлажненные почвы по сравнению с рыхлыми и менее увлажненными содержат больше углекислого газа и меньше кислорода. При недостатке кислорода задерживается разложение органических веществ, что приводит к ухудшению пищевого режима почвы.
Таким образом, проблема улучшения состава почвенного воздуха занимает одно из видных мест в агротехнике, особенно в районах, где почвы характеризуются постоянным или временно избыточным увлажнением.
Кроме свободного воздуха, находящегося в промежутках между почвенными частицами, имеется воздух, поглощенный коллоидами почвы. Он представлен главным образом углекислотой и азотом. Кислорода в нем может и не быть.
Адсорбция почвой газов зависит от многих условий, а именно: количества коллоидов, содержащихся в почве, химической природы газов, давления, степени увлажнения, температуры.
Ф. С. Соболев и М. В. Чапек (1929) установили, что чем больше в почве коллоидов, тем выше степень поглощения воздуха (табл. 10). Из газов С02 поглощается значительно интенсивнее, чем кислород и азот. С понижением давления поглощение газов убывает. Оно также уменьшается и от увеличения температуры. При повышенной влажности адсорбция не происходит, так как вода вытесняет из почвы воздух. При увлажнении почвы, содержащей в поглощенном состоянии воздух, разрушаются почвенные агрегаты.