Что такое газовая фаза почвы

Почва — четырехфазная система

Почва состоит из четырех фаз: твердой, жидкой, газовой и живой. Твердая фаза почвы — это полидисперсная органоминеральная система, состоящая из первичных, вторичных минералов и органических веществ растительного и животного происхожде­ния, а также продуктов их взаимодействия. Она наименее дина­мична и образует каркас для других фаз, характеризуется опреде­ленными морфологическими признаками, гранулометрическим, минералогическим и химическим составом.

Жидкая фаза почвы— это вода, занимающая часть порового пространства, поступающая в виде атмосферных осадков и из грунтовых вод, содержащая растворенные органические и мине­ральные вещества и потому названная почвенным раствором. Почвенный раствор характеризуется определенным химическим со­ставом, кислотно-щелочными и окислительно-восстановительны­ми параметрами и другими показателями. Ему принадлежит веду­щая роль в химических, биологических, биохимических и других процессах, протекающих в почвах в вертикальном и латеральном (боковом) переносе веществ. Он является непосредственным ис­точником питания растений. Жидкая среда динамична, продукты ее функционирования обновляются в течение суток.

Газовая фаза почвы — это почвенный воздух, заполняющий поровое пространство, свободное от воды. Так же, как и атмосфер­ный, почвенный воздух в основном состоит из азота, кислорода и углекислого газа, но в отличие от атмосферного содержание в нем кислорода и углекислого газа сильно изменяется во времени и в пространстве. Скорость обновления продуктов функциониро­вания газовой фазы в целом сопоставима со скоростью обновле­ния жидкой фазы.

Живая фаза почвы (почвенная биота) — это населяющие почву организмы. К ним относятся микроорганизмы, бактерии, грибы, водоросли, представители почвенной микрофауны; про­стейшие, насекомые, дождевые черви и др. Отнесение обитающих в почве корней растений к живой фазе почв, так же как и млеко­питающих, остается дискуссионным, хотя их вклад в почвообра­зование очень существенный.

Согласно современным представлениям почва является сложной системой, имеющей многоуровневую структурную орга­низацию. На базе системного подхода были определены иерархи­ческие уровни структурной организации почвы (Б.Г. Розанов, 1988). Наиболее низким уровнем является атомарный (радиоак­тивные изотопы, естественная и искусственная радиоактивность). Следующий уровень — кристалло-молекулярный, или молекулярно-ионный (молекулы и ионы твердой, жидкой, газообразной и живой фазы почв). Третий уровень структурной организации по­чвы — уровень элементарных почвенных частиц — это фракции разного размера, выделяемые при гранулометрическом анализе (песок крупный, средний, мелкий; пыль крупная, средняя, мел­кая; ил). Эти частицы различаются не только размером, но и со­ставом и свойствами. Четвертый уровень — почвенные микро- и макроагрегаты, или структурные отдельности, включающие кро­ме агрегированных (склеенных) элементарных почвенных частиц специфические новообразования (конкреции, стяжения, пленки и др.). Клеящим веществом в агрегатах являются новообразован­ные гумусовые вещества, соединения кальция, железа и др.

Пятый уровень организации — почвенный горизонт. Морфологические признаки, состав, строение и свойства генетических горизонтов позволяют диагностировать почвенные процессы и почвенные разности.

Шестой уровень структурной организации — это почвенный профиль (почвенный индивидуум), характеризующий почву как особое природное тело, состоящий из закономерного сочетания генетических горизонтов.

Седьмой и последующие уровни являются уровнями почвен­ного покрова: элементарный почвенный ареал — участок террито­рии, занятый одной почвой, почвенные комбинации, структуры, включающие два или несколько элементарных почвенных ареалов (сочетания, вариации, комплексы и др.). К последнему уровню сле­дует отнести почвенный покров, или педосферу в целом, как от­дельную геосферу Земли, имеющую общепланетарные функции.

Каждый из перечисленных уровней организации требует спе­циальных методов исследования и способов контроля и управления.

Почвы образуются в результате взаимодействия факторов почвообразования. В.В. Докучаевым было установлено пять гло­бальных факторов почвообразования: климат, растительность и животный мир (биологический фактор), почвообразующие породы, рельеф и возраст страны (время). Впоследствии были добав­лены хозяйственная деятельность человека (фактор, ставший в настоящее время глобальным) и ряд локальных факторов, таких как почвенно-грунтовые и грунтовые воды, поверхностные воды половодий и паводков в поймах рек, вулканический фактор в об­ластях действующих вулканов.

Почвоведение изучает почву не только как особое природ­ное тело, но и как средство производства, как предмет труда и как продукт труда. Это связано с тем, что главным функциональ­ным свойством почвы является плодородие, обеспечивающее жизнь на Земле и являющееся результатом жизни. Под плодородием понимается способность почв обеспечивать растения земными факторами жизни, а это: элементы питания, вода, почвенный воздух, стимулирующая способность, теплорегулирующая способность, кислотно-щелочные и окислительно-восстановитель­ные условия, энергетические поля, каркас для корневых систем. Кроме того следует различать космические факторы жизни растений (солнечная энергия, свет и тепло) и атмосферные факторы (кислород, углекислый газ, элементы питания).

Плодородие почв — предмет изучения одного из главных на­правлений прикладного почвоведения — агропочвоведения. Оно зависит от состава и свойств почв, формируется и развивается вместе с развитием почвы в результате взаимодействия факторов почвообразования, поддается количественной оценке и регулированию.

Источник

Состав и свойства газовой фазы почвы

Наряду с твердым веществом и почвенным раствором важной составляющей почвы является почвенный воздух. Суммарный объем почвенных пор (порозность) составляет от 25 до 60 % объема почвы. Часть порового пространства, не занятая влагой, заполнена воздухом. Соотношение между почвенным воздухом и водой определяется степенью увлажнения почвы.

Состав почвенного воздуха существенно отличается от атмосферного:

Это явление объясняется биологическими процессами, совершающимися в почве. Корни растений, микроорганизмы и почвообитающие животные потребляют кислород и выделяют диоксид углерода (СО₂). Незначительная часть кислорода расходуется на химические процессы окисления.

Воздух в почве находится в нескольких состояниях: свободном (в крупных капиллярных и некапиллярных порах); защемленном (в порах, изолированных водными пробками); адсорбированном (на поверхности частиц) и растворенном (в почвенной воде). Лучше всего растворяются в воде аммиак, сероводород, диоксид углерода. По способности сорбироваться газы располагаются в следующей последовательности: N₂

Почвенно-химическая и геохимическая роль диоксида углерода весьма существенна. Вода, насыщенная СО₂, растворяет многие труднорастворимые соединения: кальцит CaCO₃, доломит CaCO₃ × MgCO₃, магнезит MgCO₃, сидерит FeCO₃. Это вызывает миграцию карбонатов в почвенном профиле и в сопряженных геохимических ландшафтах. Вынос (выщелачивание) карбонатов под действием увеличивающейся концентрации СО₂ в почвенном воздухе и в почвенном растворе называется процессом декарбонизации.

К воздушным свойствам почв относятся воздухоемкость и воздухопроницаемость.

Воздухоемкость – та часть объема почвы, которая занята воздухом при данной влажности. В сухих почвах она может колебаться в пределах 25-90 % от объема почвы. Однако в природных условиях почва всегда содержит влагу, и ее воздухоемкость ниже указанных пределов. Нормальная аэрация обеспечивается при воздухоемкости более 15 % от объема почвы.

Воздухоемкость почв зависит также от гранулометрического состава, сложения, степени оструктуренности. Различают капиллярную воздухоемкость, характерную для тяжелосуглинистых, бесструктурных, плотных, набухающих почв, и некапиллярную, т.е. воздухоемкость межагрегатных пор, трещин и камер, достигающую максимальных значений в хорошо оструктуренных, слабоуплотненных почвах.

Воздухопроницаемость – способность почвы пропускать воздух. Она зависит от гранулометрического состава почвы, ее оструктуренности, от объема и строения порового пространства. Воздух передвигается по порам, не заполненным водой и не изолированным друг от друга. Крупные поры аэрации способствуют лучшей воздухопроницаемости, увеличению в почвенном воздухе содержания кислорода и уменьшению углекислого газа. Наиболее благоприятные условия для воздухопроницаемости создаются в структурных почвах. Воздухопроницаемость в естественных условиях изменяется в широких пределах (от 0 до 1 л/с и выше).

6.2. Газообмен между почвой и атмосферой

Между почвенным воздухом и внешней атмосферой существует постоянный газообмен (или аэрация) через воздухоносные поры почвы. К факторам, вызывающим аэрацию, относятся следующие:

· атмосферные условия (колебания температур воздуха и атмосферного давления, количество осадков, ветер и пр.);

· физические свойства почвы;

· физические свойства газов (скорость диффузии, градиенты концентрации газов в почвенном профиле и в атмосфере, способность к сорбции-десорбции и пр.);

· обменные физико-химические реакции между ППК, почвенным раствором и газовой фазой;

· поступление влаги в почву с осадками или при орошении.

Все указанные факторы газообмена действуют в природных условиях совместно. Однако основным следует признать диффузию, а остальные являются подчиненными.

В почве диффузия газов идет через поры аэрации, часть которых занята защемленным воздухом, и газообмен через них не осуществляется. Такие макропоры имеются во всех почвах, но их объем больше в тяжелых бесструктурных почвах. Поэтому состояние газообмена связано не только с суммарным количеством пор, но и с их размером, что зависит, главным образом, от структуры почвы и плотности сложения. В структурной почве даже при насыщении водой ее капиллярных пор сохраняется достаточное количество крупных межагрегатных пор аэрации, которые обеспечивают нормальный газообмен. При увлажнении бесструктурной почвы до полной влагоемкости все ее поры оказываются заполненными водой и аэрация прекращается. В этом случае в почвенном воздухе резко уменьшается содержание кислорода, и начинают развиваться анаэробные микробиологические процессы, приводящие к образованию метана, сероводорода, аммиака и других газов.

Скорость газообмена зависит от влажности почвы. При влажности, не превышающей наименьшей влагоемкости (НВ), обмен газами совершается свободно, концентрация кислорода в почвенном воздухе близка к концентрации его в атмосфере, а концентрация СО₂ не больше 4 % (обычно 1,5-2 %). При влажности, большей НВ, газообмен ухудшается, концентрация СО₂ может увеличиться до 10-15 % и более, а содержание О₂ снизиться до 5-10 %. Наблюдения и расчеты показывают, что хороший газообмен между почвенным и атмосферным воздухом на дерново-подзолистых почвах обеспечивается при пористости аэрации более 15-20 % к объему почвы, для торфяных почв – 30-40 %. При таких условиях аэрации в почвах наблюдается благоприятный состав почвенного воздуха: содержание CO₂ обычно не превышает 2-3 %, а концентрация кислорода не падает ниже 18 %.

Содержание кислорода и углекислого газа в почвенном воздухе зависит от типа почвы, ее свойств (физических, химических, биологических), времени года, погодных условий и характера угодья (пашня, лес, луг). В почвах нормального увлажнения концентрация двуокиси углерода обычно растет сверху вниз (табл.8). Наибольшей величины она достигает над уровнем грунтовых вод даже при хорошем газообмене.

Содержание O₂ и CO₂ в почвенном воздухе, % по объему

(Московская область, июль)

Сильное влияние на поглощение О₂ и выделение СО₂ почвой оказывает тепловой режим. При увеличении температуры с 5 до 30 °С интенсивность поглощения О₂ и выделения СО₂ возрастает в 10 раз. Летом почва поглощает кислорода и выделяет углекислого газа в несколько раз больше, чем ранней весной и поздней осенью.

Источник

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.

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/м 2 /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.

Состояние корневой системы яблони в почвах различного гранулометрического состава и плотности (г/см 3 ) при насыщении их влагой до

наименьшей влагоемкости, а также содержание при этом продуктивной влаги,

в том числе труднодоступной, при соответствующем объеме воздуха

Источник