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.

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):

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)

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 (Р_В) определяется:

Р_В = Р_общ, где Р_общ - порозность почвы; P_W - 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.

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).

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)

5.3.