Интенсивность дыхания почвы по выделению со2

Интенсивность дыхания почвы по выделению со2

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.

Состав атмосферного и почвенного воздуха

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 см 2 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 (Р_В) почвы представляет разность между общей пористостью и объемом гигроскопической воды:

где Р_общ – общая порозность почвы (%), Р_Г – объем гигроскопической влаги (%).

В естественных условия количество пор, занятых воздухом (пористость аэрации, Р_АЭР), определяют по формуле:

где Р_W – объем пор, занятых водой (%), определяется по формуле:

где d_V – объемная плотность в г/см 3 , 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.

Источник

Эмиссия СО₂ почвенным покровом

В глобальных изменениях природной среды и климата ведущая роль принадлежит циклу углерода, с которым связаны биогеохимические циклы остальных элементов, а через парниковый эффект и состояние атмосферы, обусловливающее климат, отсюда и изменение продуктивности природных и искусственных экосистем [90].

Цикл углерода в наземных системах определяется балансом между поглощением CO₂ наземной растительностью (на создание органического вещества) и выделением углекислого газа при дыхании почв. Существует мнение, что углекислый газ атмосферы на 90% имеет почвенное происхождение [123], это позволяет утверждать, что почвенный покров Земли представляет собой мощный источник углекислоты.

Интегрирующий показатель «дыхание почвы» представляет собой суммарную продукцию СО ₂ почвенных микроорганизмов, производимую в результате разложения и окисления органического вещества почвенной фауной и корневыми системами растений. Эмиссия углекислого газа — процесс, характеризующий выделение СО₂ с поверхности почвы в атмосферу.

Обычно при оценке дыхания почв авторами оценивается общая эмиссия СО₂ с поверхности почвы, и одна величина объективно отражает другую [132].

В то же время почва сама служит резервуаром, аккумулирующим углекислоту. Углерод, накапливающийся и содержащийся в гумусе почв, может служить стоком углекислого газа в течение сотен лет. Другим резервуаром углекислоты в наземных экосистемах служат болота, в которых изъятие углерода происходит тысячи лет. Оценка размеров пула углерода в болотах Северной Евразии составляет 113,5 млрд т [36]. Педогенные карбонаты в зависимости от условий могут аккумулировать или отдавать углекислый газ в почвенный воздух.

Интенсивность дыхания почв обычно измеряется в г С — СО₂ · м -2 · сут -1 . Анализ опубликованных материалов показал, что изучение эмиссии СО₂ проводилось, главным образом, в течение вегетационного периода (май-сентябрь). Среднелетняя скорость эмиссии варьировала в очень широких пределах от 0,04 в тундровых почвах до 7,90 г С — СО₂ · м -2 · сут -1 в черноземах мицелярно-карбонатных. По мере затухания биологической деятельности происходит отток СО2 за пределы почвенного профиля.

Методологической основой при составлении карты послужила известная зависимость скорости разложения органического вещества в почвах и интенсивности продуцирования ими СО₂ от биоклиматических условий их формирования. При составлении карты использованы опубликованные базы данных по дыханию почв России, дополнительные литературные источники и картографические материалы [132, 134, 135,136, 137, 151, 195, 278, карта почвенно-географического районирования*]. За основу приняты контуры почвенной карты**.

Все данные по эмиссии CO₂ обрабатывались и приводились в соответствие с требованиями содержания карты. При этом оценивалась суммарная эмиссия с поверхности почвы за вегетационный период, которая помимо микробного разложения органического вещества, включает дыхание корневых систем растений.

Группировка почвенных типов и подтипов проводилась с учетом основных биоклиматических параметров — широтной и вертикальной зональности, фациальности, строения почвенного профиля, гумусированности и некоторых других свойств почв. На основе данных по удельной эмиссии СО₂ за сутки и продолжительности вегетационного периода для каждой группы почв были рассчитаны потоки углекислого газа за вегетационный период (С—СО₂, кг/га). Для почв, по которым имелись данные по эмиссии СО₂ под различными фитоценозами и угодьями, рассчитывались средневзвешенные значения эмиссии. Кроме того, выявлялись и учитывались различия в эмиссии СО₂ почвами, принадлежащими одному и тому же типу, обусловленные их фациальными особенностями. Для тех почв, по которым отсутствовали данные, значения потоков СО₂ принимались аналогичными тем почвам, гидротермические и другие параметры которых были наиболее близкими. По значениям удельной эмиссии С—СО₂ почвами выделено 10 градаций. Для каждой градации определен состав групп почв с соответствующими значениями интенсивности эмиссии С—СО₂.

Наименьшей эмиссией менее 500 кг С—СО₂/га обладают очень холодные, длительно промерзающие почвы полярного пояса, представленные в основном арктотундровыми, тундровыми арктическими, горными примитивными, подбурами тундровыми, арктическими горных территорий, а также комплексами этих почв. Уровни эмиссии в 500—700 кг/га характерны для тундровых глеевых, тундрово–болотных почв, подбуров тундровых, подбуров сухоторфянистых горных провинций и их комплексов.

На Восточно-Европейской и Западно-Сибирской равнинах в пределах бореального пояса, где ярко выражена широтная зональность, потоки СО₂ (кг/га) с поверхности почвенного покрова возрастают с севера на юг и составляют для основных типов почв: 700—900 — для глееземов таежных, 900—1200 — подзолов, глееподзолистых контактно-осветленных, 1200—1500 — подзолисто- и торфяно-подзолисто-глеевых, 1500—2000 — подзолистых, дерново-подзолов, подзолистых глубокоглееватых и глеевых, 2000—3000 — для дерново-подзолистых.

В пределах Западно-Сибирской равнины в подзонах северной и средней тайги огромные пространства заняты торфяными почвами верховых и переходных болот. Потоки СО₂ за вегетационный период из них колеблются от 1200 на севере региона до 3000—4000 С—СО₂ кг/га на юге.

В Восточно-Сибирской мерзлотно-таежной области, характеризующейся четкими фациальными особенностями формирования почвенного покрова, эмиссия СО₂ составляет 700—900 — из таежных глее-мерзлотных почв, 1200—1500 кг/га — из таежных мерзлотных, подбуров таежных и буро-таежных почв. Потоки углекислого газа из перегнойно-карбонатных почв на севере и дерново-карбонатных на юге составили 1200—1500 и 1500—2000 кг/га, соответственно.

В суббореальном поясе в пределах Центральной лиственно-лесной, лесостепной и степной области, расположенной в центре Евразии, сохраняются широтно-зональные закономерности формирования почвенного покрова. Эмиссия СО₂ из серых лесных почв, черноземов выщелоченных и оподзоленных, черноземов обыкновенных и южных оценивается в 3000—4000 кг/га за период вегетации. Черноземы типичные, лугово-черноземные почвы, темно-каштановые мицеллярно-карбонатные выделяют в атмосферу 4000—6000, черноземы обыкновенные и южные мицелярно-карбонатные — 6000—8000 кг С—СО₂/га.

Выделение диоксида углерода с поверхности светло-каштановых и бурых пустынно-степных почв Полупустынной почвенно-биоклиматической области составляет 2000—3000 и 1500—2000 кг/га, соответственно.

Восточная буроземно-лесная область представлена в почвенном покрове буроземами, подбелами и лугово-черноземовидными почвами «амурских прерий». Интенсивность выделения СО₂ с поверхности этих почв колеблется от 2000—3000 до 6000 и более кг/га.

Для горных массивов, где ярко выражена вертикальная зональность, эмиссия СО₂ из почв несколько ниже, чем из равнинных аналогов, что объясняется, в первую очередь, более коротким вегетационным периодом и особенностями строения почвенного профиля.

Для построения карты абсолютные значения потоков эмиссии углекислого газа с поверхности почв рассчитывались путем умножения средней по шкале величины потока за вегетационный сезон для данной группы почв на занимаемую ею площадь. Площади контуров вычислялись в программе MapInfo.

Суммарная величина эмиссии С—СО₂, почвенным покровом России составляет 2,74 млрд т за вегетационный период. Эти данные позволяют утверждать, что сухопутные экосистемы России поглощают углекислого газа больше, чем выделяют, т.е. территория страны выступает в роли значительного поглотителя СО₂.

Из полученных данных следует, что в пределах России почвенный источник эмиссии СО₂ значительно доминирует над техногенным, который оценивается в 0,78 млрд. т С—СО₂/год [134].

Полученное значение суммарной эмиссии на 12% ниже, рассчитанного ранее (3,12 млрд т) и приведенного на предыдущей карте [279], что может быть связано с рядом причин.

В расчетах использована меньшая величина площади суши Российской Федерации, так как в предыдущем варианте не были учтены все территории, находящиеся под водными объектами. Кроме того, за последние годы накоплен обширный материал по эмиссии СО₂ почвенным покровом, что позволяет более корректно производить расчеты. Использование (в качестве базовых) контуров новой почвенной карты, привело к перераспределению площадей, приуроченных к тем или иным градациям по удельной эмиссии. Автоматизированный подсчет площадей контуров более точен по сравнению с методом палетки, используемым ранее.

Почвенный покров России, занимающий 11,5% суши Земли, эмитирует в атмосферу 6,3% от глобальной почвенной эмиссии СО₂ [135].

Однако, полученную величину суммарной эмиссии нельзя назвать окончательной, так как недостаточно фактического материала по дыханию отдельных типов почв, особенно на территории Восточной Сибири.

Н.Ф. Деева, А.А. Ильина

• Эмиссия СО₂ почвенным покровом, масштаб 1:30 000 000

Источник