газовая фаза и аэрация почв
Газовая фаза почв, или почвенный воздух, - это смесь газообразных веществ, занимающая поровые пространства почвы, находящиеся в свободном, водорастворимом или адсорбированном состоянии.
Газы почвенного воздуха находятся в нескольких физических состояниях: собственно почвенный воздух - свободный и защемленный, адсорбированные и растворенные газы.
Свободный почвенный воздух - это смесь газов и летучих органических соединений, свободно перемещающихся по системам почвенных поровых пространств и сообщающийся с воздухом атмосферы. Его объем в воздушно-сухой почве соответствует ее порозности. При увлажнении почвы количество воздуха уменьшается пропорционально насыщению влагой. При полной влагоемкости почвы газовая фаза присутствует только в водорастворимом состоянии.
Адсорбированный почвенный воздух - газы и летучие органические соединения, адсорбированные почвенными частицами на их поверхности. Чем более дисперсна почва, тем больше содержит она адсорбированных газов при данной температуре. Количество сорбированного воздуха зависит от минералогического состава почв, от содержания органического вещества, влажности.
Защемленный почвенный воздух - воздух, находящийся в порах, со всех сторон изолированных водными пробками. Чем более тонкодисперсна почвенная масса и компактней ее упаковка, тем большее количество защемленного воздуха она может иметь. В суглинистых почвах содержание защемленного воздуха достигает более 12 % от общего объема почвы, или более четвертой части всего ее порового пространства.
Растворенный воздух - газы, растворенные в почвенной воде. Растворенный воздух ограниченно участвует в аэрации почвы, так как диффузия газов в водной среде затруднена.
Пористость почвы - величины динамичные, конкретно индивидуальные и генетически присущие тем или иным почвам. Однако 198
общим для всех почв является закономерность: чем выше плотность почвы, тем меньше ее порозность и наоборот.
Так, плотность чернозема типичного, а соответственно его пористость, мало изменчивы в естественном состоянии. Плотность же чернозема слитого и его порозность изменяется в широких пределах, от плотности 1,40 и порозности 48 % во влажном состоянии, до плотности 1,95 и порозности 26 % в сухом состоянии. Высокое содержание в почвах сильно набухающих минералов типа монтмориллонита делают их весьма динамичными в отношении порозности.Из всех компонентов почвы воздушная фаза - наиболее динамичная по объему и соотношению формирующих ее газов. Главные по массе - это N2, O2 и CO2, а также вода. Примерное их содержание в сравнении с атмосферой ( % от объема):
Газы | Атмосфера | Газовая фаза почвы |
N2 | 78 | 78-86 |
O2 | 21 | 10-20 |
CO2 | 0,03 | 0,1-15 |
H2O по относительной влажности | менее 95 (30-99) | более 95 |
Почвенный воздух имеет почти такое же количество азота, как и атмосфера Земли. Непостоянно количество кислорода и диоксида углерода.
Высокую динамичность содержания в воздухе кислорода и диоксида углерода иллюстрирует табл. 5.17.
Таблица 5.17
пределы изменения содержания о2 и Со2 в почвенном воздухе в течение года (зборищук)
Почва | О2, % | СО2, % |
Иловато-болотная | 11,9-19,4 | 1,1-8,0 |
Торфяно-глеевая | 13,5-19,5 | 0,8-4,5 |
Дерново-подзолистая | 18,9-20,4 | 0,2-1,0 |
Серая лесная | 19,2-21,0 | 0,2-0,6 |
Чернозем обыкновенный | 19,5-20,8 | 0,3-0,8 |
Чернозем южный | 19,5-20,9 | 0,05-0,6 |
Каштановая | 19,8-20,9 | 0,05-0,5 |
Серозем | 20,1-21,0 | 0,05-0,3 |
Вода, как неизменный компонент в почвенном воздухе, всегда находится на гране конденсации и ее переход в капельно-жидкое состояние возможен при относительно небольших снижениях температур.
В незначительных количествах в почвенном воздухе присутствуют также компоненты, как N2O, NO2, СО, различные углеводороды (этилен, ацетилен, метан), сероводород, аммиак, эфиры и др.
Главные свойства воздушной фазы почв: воздухоемкость, воздухопроницаемость и высокая динамичность воздухообмена и качественного состава.
Воздухоемкость - та часть объема почвы, которая занята воздухом данной влажности. Различают полную или потенциальную воздухоемкость, которая свойственна сухим почвам. Она соответствует пористости (порозности) почв и на прямую зависит от плотности почвы. Актуальная воздухоемкость - это содержание воздуха в почве в каждый конкретный момент при том или ином уровне увлажнения. Таким образом, воздухосодержание (РВ) определяется:
РВ = Робщ, где Робщ - порозность почвы; PW - влажность почвы. Все величины выражаются в % от объема.
Вода и воздух в почвах антагонисты: чем больше воды в почве, тем меньше воздуха. Оптимальная экологическая гармония для большинства растений - вода и воздух должны содержаться в равных по объему количествах, что соответствует влажности почвы по уровню 60 % от ПВ.
Воздухопроницаемость - способность почвы пропускать через себя воздух. Воздухопроницаемость - непременное условие газообмена между почвой и атмосферным воздухом. Чем она полнее выражена, тем лучше газообмен, тем больше в почвенном воздухе содержится кислорода и меньше углекислого газа. Постоянно протекающий процесс обмена почвенного воздуха с атмосферным называется аэрацией почвы.
При постоянной влажности почвы аэрация зависит от диффузии и изменения температуры и барометрического давления.
Диффузия - перемещение газов в соответствии с их парциальным давлением. Поскольку в почвенном воздухе кислорода меньше, а углекислого газа больше, чем в атмосфере, то под влиянием диффузии создаются условия для непрерывного поступления кислорода в почву и выделения С02 в атмосферу.
Изменение температуры и барометрического давления также обусловливает газообмен, потому что происходит сжатие или расширение почвенного воздуха.
При известной значимости в аэрации почвы диффузии и физического изменения объема воздушной массы важным фактором аэрации следует признать постоянную изменяемость воздухоемкости почвы, а это в первую очередь связано с динамикой влажности. Увлажнение почвы осадками или орошением, испарение воды, транспирация ее растениями - факторы постоянного газообмена почвы и атмосферы. С влажностью почвы также связано изменение поровых пространств при набухании и усадке твердой фазы почвы.
При аэрации почвы постоянна тенденция уравнивания вещественного состава воздуха почвы и атмосферы. Но равновесие всегда нарушается в сторону накопления продуктов жизнедеятельности организмов и тем в большей степени, чем выше биологическая активность. В связи с этим различают суточную и сезонную динамику почвенного воздуха.
Суточная динамика определяется суточным ходом атмосферного давления, температур, освещенности, изменениями скорости фотосинтеза. Эти параметры контролируют интенсивность диффузии, дыхание корней, микробиологическую активность.
Суточные колебания состава почвенного воздуха затрагивают лишь верхнюю полуметровую толщу почвы. Амплитуда этих изменений для кислорода и диоксида углерода невелика. Наиболее существенно в течение суток изменяется интенсивность почвенного дыхания.
Сезонная (годовая) динамика определяется годовым ходом атмосферного давления, температур и осадков и тесно связанными с ними вегетационными ритмами развития растительности и микробиологической деятельности. Годовой воздушный режим включает в себя динамику воздухозапасов, воздухопроницаемости, состава почвенного воздуха, растворения и сорбции газов, почвенного дыхания.
Сезонная динамика состава почвенного воздуха отражает биологические ритмы. Концентрация диоксида углерода имеет в верхней толще четко выраженный максимум в период наивысшей биологической активности.
В это время происходит насыщение почвенной толщи углекислотой. По мере затухания биологической деятельности происходит отток СО2 за пределы почвенного профиля. Концентрации кислорода имеют обратную зависимость.Воздушная фаза - важная и наиболее мобильная составная часть почв, изменчивость которой отражает биологические и биохимические ритмы почвообразования. Количество и состав почвенного воздуха оказывают существенное влияние на развитие и функционирование растений и микроорганизмов, на растворимость и миграцию химических соединений в почвенном профиле, на интенсивность и направленность почвенных процессов. Кроме того, почва является поглотителем, сорбирующим токсичные промышленные выбросы газов и очищающим атмосферу от техногенного загрязнения.
Воздействие кислорода на жизнь растений проявляется в актах дыхания. При недостатке О2 дыхание ослабляется, что уменьшает метаболическую активность и в конечном итоге снижает их урожай. Повышение аэрации почвы способствует лучшему развитию корней, более интенсивному поглощению питательных веществ растениями, усилению их роста и увеличению урожая при достаточном количестве почвенной воды. При отсутствии свободного кислорода в почве развитие растений прекращается. Оптимальные условия для них создаются при содержании кислорода в почвенном воздухе около 20 %.
При недостатке О2 в почве создается низкий окислительно-восстановительный потенциал, развиваются анаэробные процессы с образованием токсичных для растений соединений, снижается содержание доступных питательных веществ, ухудшаются физические свойства, что в совокупности снижает плодородие почвы.
Большая часть углекислого газа почвенного воздуха образуется в процессах работы макро- и микроорганизмов, причем около 30 % за счет дыхания корней высших растений и около 65 % - при разложении органических остатков микроорганизмами. Избыток углекислоты угнетает развитие корней и прорастание семян. Однако современная концентрация СО2 в атмосферном воздухе не вполне достаточна для потенциальной возможности биологической продуктивности зеленого листа (Ковда).
Следует помнить, СО2 в исключительных концентрациях - быстродействующий яд и при почвенных исследованиях разрезы, особенно в болотных почвах, должны быть хорошо проветриваемые, так как СО2 как тяжелый газ воздуха склонен к накоплению в понижениях.Существует высокоинформативный показатель биологической активности почв, так называемое «дыхание почв», которое характеризуется скоростью выделения СО2 за единицу времени с единицы поверхности. Интенсивность «дыхания почв» колеблется от 0,01 до 1,5 г/м2/ч и зависит не только от почвенных и погодных условий, но и от физиологических особенностей растительных и микробиологических ассоциаций, фенофазы, густоты растительного покрова. «Почвенное дыхание» характеризует биологическую активность экосистемы в каждый конкретный период времени. Сравнительный уровень плодородия почв, фиксируемый при определении «дыхания» по выделению СО2, производят в оптимально насыщенной влагой почвенной массе (60 % от наименьшей влагоемкости). Различия в уровнях могут изменяться в широких пределах (10-100 %) при анализе генетически отдаленных и антропогенно измененных почв.
Оценивать воздухоемкость почв и ее экологическую значимость необходимо всегда в комплексе с другими характеристиками почвы, от которых напрямую зависит объем воздуха. Об этом свидетельствуют расчетные данные табл. 5.18, полученные на основе полевых наблюдений.
Таблица 5.18
Состояние корневой системы яблони в почвах различного гранулометрического состава и плотности (г/см3) при насыщении их влагой до
наименьшей влагоемкости, а также содержание при этом продуктивной влаги,
в том числе труднодоступной, при соответствующем объеме воздуха
(по неговелову и Валькову)
Легкий суглинок Средний суглинок Тяжелый суглинок Глина Тяжелая глина |
Влажность завядания, %: |
7,0 11,0 15,0 18,0 22,0 |
При этом наблюдается хорошее развитие корневой системы, продуктивной влаги 16 %, в том числе труднодоступной 8 %, объем воздуха в почве 14 %, когда плотность почвы составляет: |
1,59 1,46 1,34 1,25 1,19 |
Снижение густоты корней в почве, продуктивной влаги 16 %, в том числе труднодоступной 8 %, объем воздуха 8 % при плотности: |
1,50 1,58 1,46 1,38 1,29-1,36 |
Ограниченной проникновение корней из-за плотности почвы и недостатка кислорода, продуктивной влаги 16 %, в том числе труднодоступной 8 %, объем воздуха 4 % при плотности: |
1,73 1,66 1,53-1,57 1,45-1,53 1,40-1,43 |
Проникновение корней встречает значительное физическое сопротивление, продуктивной влаги 15 %, в том числе труднодоступной 8-10 %, объем воздуха 3 % при плотности: |
1,81 1,71-1,75 1,61 1,60 1,59 |
Почва не преодолима для корней, продуктивной влаги 5-15 %, в том числе труднодоступной 5-9 %, объем воздуха 3 % при плотности: |
- 1,83-1,90 1,69-1,91 1,66 1,70 |
5.3.