Прием регулирования воздушного режима почвы

Сельское хозяйство | UniversityAgro.ru

Агрономия, земледелие, сельское хозяйство

Популярные статьи

Воздушный режим почв

Воздушный режим почв — совокупность процессов взаимодействия растений с газами, содержащимися в почве.

Воздух, содержащийся в почве, его состав и газообмен с приземным слоем атмосферы относятся к земным факторам жизни растений.

Навигация

Значение воздуха в жизни растений

В процессе жизнедеятельности, растения, в противоположность процессу фотосинтеза, дышат, потребляя кислород и выделяя углекислый газ. Благодаря дыханию в растениях происходят окислительные реакции, в которых высвобождается энергия для роста и развития.

В.И. Вернадский отмечал, почва, взятая без газов, не есть почва. Говоря о значении биохимических процессов, о значении почвы в области биосферы, указываем тем самым на главенствующую роль газов в почвенных процессах.

Кислород воздуха необходим для прорастания семян. Семена, помещенные на дно сосуда и покрытые слоем воды, набухают, но не дают проростков. При контакте семян с воздухом, они дружно прорастают.

Надземная часть растений обеспечивается кислородом лучше, чем подземная. Однако иногда в практике земледелия бывает, что растения погибают от его недостатка в приземном слое воздуха. Например, в посевах озимых культур, при выпадении большого количества снега на не замерзшую почву, растения продолжают вегетировать, быстро расходую запасы кислорода под снегом. Так как новые порции кислорода не поступают, это приводит к задыханию озимых, в результате чего происходит выпревание озимых хлебов. Аналогичная ситуация складывается при образовании ледяной корки в посевах озимых.

Корневая система также нуждается в кислороде. Отношение культурных растений к недостатку почвенного воздуха различно. Наиболее требовательны в этом отношении — бобовые, масличные, корне- и клубнеплоды; менее чувствительны — зерновые, за счет частичного снабжения корней кислородом по воздухоносным полостям стеблей. Особенно сильно полости развиты у кукурузы и риса.

Кислород воздуха играет важную роль для почвенных микроорганизмов, разлагающих растительные остатки в почве. Азотфиксирующим бактериям, для нормально жизнедеятельности также нужен азот.

Источник

Воздушные свойства и воздушный режим почв и приемы их регулирования

Понятие о почвенном воздухе и история изучения воздушной фазы почвы. Рассмотрение основных характеристик почвенного воздуха и ознакомление с химическим составом воздушной фазы почвы. Изучение воздушного режима почвы и приемов его регулирования.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство сельского хозяйства РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пермская государственная сельскохозяйственная академия имени академика Д.Н. Прянишникова»

Факультет почвоведения, агрохимии, экологии и товароведения

Выполнил студент группы, ПВБ-11-а

Ковязин Николай Николаевич

Руководители кандидат с/х наук,

профессор А.А. Васильев

1. Понятие о почвенном воздухе и история изучения воздушной фазы почв

2. Воздушные свойства почвы

3. Почвенный воздух и его характеристика

3.1 Формы почвенного воздуха

3.2 Состав почвенного воздуха

4. Воздушный режим почвы и приемы его регулирования

5. Воздушные режимы почв России

Список использованных источников

Воздушный режим почв — это изменение состава и концентрации почвенного воздуха в профиле почвы во времени (за определенный промежуток времени). Воздушный режим почв характеризуется обычно суточной, сезонной, годовой и многолетней динамикой O₂ и СO₂. Динамика CO₂ и O₂ связана с жизнедеятельностью почвенных животных, микроорганизмов и растений, а также газообменом почвы с атмосферным воздухом.

Почвенный воздух — один из факторов жизни растений. Кислород воздуха необходим для прорастания семян, дыхания корней растений, почвенных микроорганизмов. Он участвует в реакциях окисления минеральных и органических веществ. При окислении органического вещества почвы происходит круговорот углерода, азота, фосфора и других элементов питания. При недостатке кислорода ослабляются дыхание, обмен веществ, а при отсутствии в почве свободного кислорода прекращается развитие растений. Косвенное влияние недостатка кислорода в почве связано с понижением окислительно-восстановительного потенциала, развитием анаэробных процессов, образованием токсичных для растений соединений, снижением доступных питательных веществ, ухудшением физических свойств почвы. Все это в конечном итоге способствует снижению плодородия почвы и урожая растений.

Динамика О₂ и СО₂ почвенного воздуха зависит от типа почвы, ее физических и биологических свойств, химического состава, времени года, погодных условий, а также от использования земель. В обрабатываемой почве состав воздуха обусловлен агротехникой и фазой развития возделываемой культуры. От содержания влаги в почве и температуры зависят биологические и биохимические процессы, а, следовательно, интенсивность потребления кислорода и продуцирование диоксида углерода. Огромное количество почвенных организмов в процессе дыхания потребляют кислород и выделяют СО₂. Основные потребители кислорода в почве — корневые системы растения, микроорганизмы и почвенные животные. воздушный почва химический фаза

Таким образом, почвенный воздух играет большую роль в росте и развитии растений, жизни микроорганизмов, в процессах почвообразовании и многом другом. Именно поэтому этот вопрос на сегодняшний день крайне актуален и нуждается в исследовании.

Цель работы: на основе обзора научной литературы раскрыть понятия воздушные свойства, воздушный режим почвы и приемы их регулирования.

Задачи курсовой работы:

1) Ознакомиться с историей изучения почвенного воздуха и основными понятиями о почвенном воздухе.

2) На основе обзора литературы выявить основные свойства воздушной фазы почв: воздухоемкость, воздухопроницаемость и аэрация.

3) Выявить основные характеристики почвенного воздуха и ознакомиться с химическим составом воздушной фазы почвы.

4) На основе обзора литературы показать воздушные режимы почв России и приемы его регулирования.

1. Понятие о почвенном воздухе и история изучения воздушной фазы почв

Газы и дисперсные системы атмосферного воздуха находятся в постоянном взаимодействии с сушей, океаном и живым веществом биосферы. Почва занимает ключевую позицию в регулировании газообмена в этой системе и служит для большинства соединений источником и стоком. Как и водные бассейны, почва может поглощать и выделять газы в зависимости от их концентрации, температуры, влажности и состояния поверхности. Поверхность почвенного покрова является в то же время и поверхностью раздела между литосферой и атмосферой.

Газовая фаза почвы, или почвенный воздух, одна из наименее изученных ее составных частей. Еще менее изучена газовая функция почвы — глобальная биогеохимическая роль почвенных газов, роль почвенных газов в экосистемах биосферы, роль газообмена между почвой и атмосферой. Лишь в самых общих чертах известны газовый состав почвенного воздуха, почвенное дыхание — поглощение почвой кислорода и выделение диоксида углерода, динамика газообмена между почвой и приземным слоем атмосферного воздуха. Практически весь диоксид углерода приземной атмосферы, являющийся основой фотосинтеза и начальным звеном всех биосферных процессов, а, следовательно, и основой жизни на Земле, имеет почвенное происхождение, по крайней мере на современном этапе развития биосферы планеты. В биологический круговорот веществ биосферы вовлекается постоянно именно тот диоксид углерода, который поступает из почвы в результате почвенного дыхания.

В последнее время интерес к составу и свойствам почвенного воздуха существенно возрос в связи с экологическими проблемами, связанными с динамикой состава атмосферы. Особое внимание исследователями уделяется ее микрокомпонентному составу, в который входят множество неорганических постоянных газов (CO₂, H₂, CH₄, N₂O, H₂S и др.) и органических летучих соединений. Изменения состава атмосферы в результате выбросов промышленных и энергетических предприятий, работы транспорта, изменений растительного покрова, деятельности вулканов и так далее, могут вести к необратимым, зачастую непрогнозируемым, отрицательным эффектам в функционировании биосферы как в целом, так и отдельных ее компонентов.

Особенностью почвы является ее дисперсность. Если представить себе почву абсолютно сухой, то она состояла бы из твердых минеральных и органоминеральных частиц, промежутки, или поры, между которыми заполнены воздухом. Однако рассматриваемый случай является гипотетическим, так как в абсолютном большинстве случаев в почве всегда содержится некоторое количество воды. Часть объема всей почвы, занятая воздухом, носит название общей пористости почвы. Пористость может быть выражена в долях единицы, однако, как правило, она выражается в процентах ко всему объему почвы. Мы видели выше, что у самых рыхлых почв общая пористость достигает 60—65%, в то время как в самых плотных почвах и почвообразующих породах. она бывает ниже 25%.

Как правило, часть пор занята водой, и суммарный объем воздушных пор уже значительно меньше. Часть объема влажной почвы, занятая воздухом, носит название свободной пористости, или воздухоемкости. Следовательно, воздухоемкость меньше общей пористости на величину объема пор, занятых водой. Если общая пористость, скажем, составляет 50%, а объем, занимаемый водой, 18%, то воздухоемкость составляет 32% ко всему объему почвы. Соотношение. между объемами, занятыми воздухом и водой в почве, является важнейшей характеристикой почвы в каждый момент. Однако для интенсивности и направления биологических процессов в почве не менее важную роль играет не только общая и свободная пористость, но и состав почвенного воздуха.

Впервые установил количественный состав воздуха французский ученый Антуан Лоран Лавуазье. Он в 1774 году смог доказать, что в нормальном состоянии атмосферный воздух состоит из смеси газов.

И А.А. Околелова (2013) доказала это, проведя анализ и выявив, что атмосферный и почвенный воздух обычно имеют следующие составы (воздух/почва): азота—78/78(86)%, кислорода — 21/10(20)%, углекислого газа — 0,03/0,1(15)%, аргона — 0,93%, на долю неона, криптона, ксенона, озона, радона, водорода приходится всего 0,01%. Под влиянием процессов, происходящих в почве, почвенный воздух подвергается непрерывным изменениям.

Основные изменения в составе почвенного воздуха происходят в процессе жизнедеятельности почвенных микроорганизмов и корней высших растений. Как Мировой океан и растительный покров существенный вклад в функционирование атмосферы оказывает почвенный покров планеты, который может выступать генератором микрогазов, глобальным фильтром (сорбентом) этих газов. Состав почвенного воздуха и его динамика отражают течение множества элементарных почвенных процессов, так как микрогазы и летучие органические компоненты являются промежуточными, а часто и конечными продуктами этих процессов. Так, диоксид углерода — конечный продукт минерализации органического вещества в почвах, азот и его окислы -продукты денитрификации, водород — продукт азотфикации и различных типов брожения, летучие карбоновые кислоты отражают напряженность анаэробиоза в почвах, а содержание кислорода — его уровень. Ряд газов, например, H₂S образуются в почвах, там же трансформируются и, видимо, не поступают в аэротоп (локальную атмосферу биогеоценоза); другие (CO, CO₂, H₂, CH₄, N₂O) образуясь в почвах, формируют вместе с газовыделениями наземных организмов состав аэротопа. Микроорганизмы потребляют значительные количества кислорода и продуцируют углекислоту. То же можно сказать о корневых системах растений. Наряду с этим некоторые микроорганизмы, разлагая углеводы, образуют углекислоту и метан.

Интересные данные, позволяющие оценить масштаб этих процессов, приводит Э. Рассел (1955). Согласно им, в разных почвах полей Ротамстеда (опытная станция в Англии) в зависимости; от удобрительного фона может содержаться от 1 до 3,7 млрд. бактерий на 1 г почвы. Автор применяет следующий расчет для определения веса бактерий, обитающих в пахотном слое (верхние 15 см) 1 га почвы. Объем одной бактерии принят равным одному кубическому микрону. Вес 3 млрд. бактерий (в 1 г почвы), по мнению автора, составит 3 мг на 1 г почвы. При весе почвы 2600 т/га в пределах пахотного слоя живой вес бактерий составит 7,5 т на 1 га, или 1,5 г в пересчете на сухой вес. Это значит, что бактерии составляют около 1% к весу гумуса.

Характерно, что расчеты И. В. Тюрина(1940) также привели его к тому, что микробная масса (сухой их вес) составляет 1 т на 1 га и лишь в редких случаях может составить 1 % к массе гумуса. В большинстве же случаев это составляет десятые доли процента. Из этих хорошо согласующихся данных Э. Рассела и И. В. Тюрина ясно видно, что масса тел микроорганизмов ничтожна по сравнению со всей массой органического состава почвы и ее роль в качестве источника питания растений вряд ли может приниматься во внимание. Тем не менее, необходимо отметить, что без микроорганизмов нет почвы. Сама почва в значительной степени является продуктом жизнедеятельности микроорганизмов.

Чем выше уровень процессов жизнедеятельности бактерий, тем больше потребляется кислорода и, тем выше содержание углекислоты. Известны опыты, в которых в почву вносилось органическое вещество как питательная среда для микробов (например, крахмал); содержание кислорода при этом резко падало.

По данным Л. Ромеля (1972), при 15°С ежедневно выделяется 7— 10 л углекислоты с 1 м 2 почвы. В южной Швеции под лесной растительностью в июле выделяется 2,8 л/м 2 углекислоты. в день. Автор подсчитал, что если углекислота не отводится из почвы, то концентрация ее в 20-сантиметровом слое удвоится за 1,5 часа и удесятеряется за 14 часов.

Опыты Н. П. Поясова(1954) в полевых условиях под Ленинградом при сравнительно низких осенних температурах показали, что за 48 часов при отсутствии отвода газов, в почвенном воздухе наблюдалось накопление 4,2% углекислоты, а кислорода оставалось всего 13,5%. По расчетам автора, здесь продуцировалось 35 мл углекислоты на 1 м 2 /час.

Интенсивность процесса образования углекислоты и потребления кислорода в значительной степени обусловливается температурой в почве, так как от нее зависит уровень процессов жизнедеятельности микроорганизмов.

Скорость образования углекислоты и потребления кислорода не остается постоянной ни в течение лета, ни в течение суток. Она также зависит от влажности почвы, замедляясь и полностью прекращаясь при сухой почве. Особенно большое значение для потребления кислорода и образования углекислоты имеет высшая растительность. Установлено, что в почве, окружающей корни растений, углекислоты больше, чем в остальном ее объеме. Особенно много углекислоты накапливается под люпином. В опытах А. А. Кудрявцевой(1972) в условиях стерильных культур горох на создание 1 г сухого вещества расходует корнями кислорода 1,2—1,6 мг/г, а кукуруза — лишь 0,35 мг. В нестерильных условиях, где действуют микроорганизмы, расход кислорода достигал 67 мг/г сухого вещества.

Таким образом, можно констатировать, что в почве идет непрерывный процесс образования углекислоты и уменьшения содержания кислорода. Следовательно, если бы все образующееся оставалось в почве, сравнительно быстро мог быть израсходован весь кислород из почвенного воздуха и весь объем, ранее занятый кислородом, был бы занят углекислотой.

По данным Л. Ромеля, получившим подтверждение в исследованиях других авторов, для сохранения нормального со¬ става почвенного воздуха в слое 0—20 см обновление его должно происходить целиком ежечасно. При несоблюдении этого требования будет сокращаться содержание кислорода и нара¬ стать количество углекислоты в почвенном воздухе. Однако в природных условиях это явление не наблюдается или имеет место лишь в редких случаях. Причиной этого является непрерывно протекающий другой процесс — отвод из почвы избытка углекислоты и приток кислорода из атмосферного воздуха в почвенный. Описанные процессы происходят под влиянием воздухообмена и газообмена между почвенным и атмосферным воздухом. Следует также учитывать, что по мере резкого снижения содержания кислорода и повышения концентрации углекислоты в почвенном воздухе процессы образования углекислоты затормаживаются, скорость их снижается.

Содержание кислорода и углекислоты в почвенном воздухе является важным фактором жизнедеятельности почвенных микроорганизмов. Вместе с тем деятельность микроорганизмов и процессы роста и накопления урожая высших растений тесно связаны с составом почвенного воздуха. Однако при всей важности отмеченных здесь закономерностей в литературе приведено весьма мало количественных показателей этой зависимости. Совсем мало данных по рассматриваемым закономерностям, полученных в регулируемых условиях, например, в камерах искусственного климата, в фитотронах и других устройствах, где точно поддерживаются внешние условия жизни микроорганизмов и высших растений.

Дыхание корней тесно связало с содержанием кислорода в почве. По данные В. А. Новикова (1972), содержание в почвенном воздухе 7—12% кислорода, что, по мнению автора, имеет место лишь в хорошо обрабатываемых структурных почвах, обеспечивает интенсивное дыхание корней, хороший их рост и активное поглощение ими минеральных веществ. В тяжелых глинистых плохо аэрируемых почвах, где наблюдается снижение содержания кислорода до 1—2%, рост корней замедляется, поглощение воды и питательных веществ ограничивается, а рост надземной части растений прекращается. Из этого следует, что В. А. Новиков допускает случаи резкого угнетения растений вследствие острого недостатка кислорода.

М. Б. Рассел (1965) также приводит данные о том, что кислород имеет важное значение во всех процессах жизнедеятельности корней растений: в дыхании, поглощении воды и питательных веществ. Однако у него мы встречаем указание, что реакция раз¬ личных видов растений на содержание кислорода в почвенном воздухе различна. Причем крайними в ряду растений являются водные, с одной стороны, и обитающие на хорошо аэрируемых почвах — с другой.

Сейчас имеются данные о том, что реакция растений на содержание того или иного количества кислорода в почве в значительной степени зависит от температуры среды. Так, если в почвенном воздухе содержится 3% кислорода, то угнетение растений отмечается три температурах 18—30°С. При содержании 10% кислорода в почвенном воздухе «нормальное развитие растений отмечалось при 18°, а гари 30°С скорость роста замедлялась. Отсюда следует, что в «пределах нормальных для жизни растений температур потребная для корней концентрация кислорода. в почвенном. воздухе тем выше, чем выше температура почвы.

Причина этого явления лежит в снижении растворяемости кислорода в воде и в повышении процессов дыхания растений при повышении температуры. Последнее связано с повышенным расходом кислорода.

Другая важная закономерность заключается в том, что рост корней может продолжаться (при сравнительно низком содержании кислорода в почвенном воздухе, но при обязательном условии непрерывного поступления его из атмосферы.

Д. Бойнтон (1972) получил очень интересные критические величины концентраций кислорода *в почвенном воздухе для корней яблони. Если в период активного роста яблони диаметр корней превышает 1 мм, то низшим пределом содержания кислорода можно считать 3%. При концентрации кислорода менее 1% корни заметно теряют в весе. Для активного роста кончиков корней оказалось необходимым повысить концентрацию кислорода до 5—10%, а для появления новых корней — до 12%. Однако для нормального хода поглощения воды и питательных веществ корнями содержание кислорода должно быть не ниже 15%. На проростках вблизи яблони установлено, что если содержание (кислорода не достигло 16%, то (происходило развитие корней и снижение общего содержания волы.

Очень интересны опыты, проведенные в Агрофизическом институте П. В. Вершининым, Н. В. Кириленко(1958) по выявлению влияния состава почтенного воздуха нa рост хлопчатника. Опыт был проведен в вегетационных сосудах в оранжерее. В почву подавались смеси газов известного состава. Причем в воздушном составе нарастало `содержание углекислоты, но без существенного снижения содержания кислорода, т. е. увеличение содержания углекислоты шло за счет снижения содержания азота. Опыт показал, что в этих условиях заметного замедления роста хлопчатника не замечалось даже ори 30% содержания углекислоты в газовой смеси.

О. Леонард и И. Пикнард (1972) измерили рост корней хлопчатника [в условиях водной культуры при постоянном содержании в растворе углекислоты в количестве 10% и пришли к заключению, что рост корней не претерпевает изменения, если количество (кислорода изменялось от 10 до 21%. Снижение содержания кислорода до 5%, а также повышение до 90—100% заметно задерживало рост корней.

И. П. Гречин (1972) пришел к заключению, что переход от аэробных условий к анаэробным отри оптимальной температуре и влажности наблюдается три содержании кислорода около 2,5% к объему почвенного воздуха. При низких положительных температурах или небольшом содержании влаги в почве анаэробные процессы не развиваются даже три снижении концентрации кислорода до 0,5%. Итоги исследований и сделанные выводы представляют большой интерес для земледелия и почвоведения, и поэтому они должны подвергнуться дальнейшему уточнению.

Реакция растений на содержание кислорода в почвенном воздухе ясно проявляется при постановке опытов с переменными температурами в почве. На рисунке приведен график Б.А. Кина (1972), из которого ясно видно, что содержание кислорода 2% при температуре до 20° С существенно не сказывается на росте корней. В то же время при более высоких температурах для нормального роста корней необходимо более высокое содержание кислорода.

Рисунок 1 Зависимость роста корней от содержания кислорода и температуры почвы. Б.А. Кина (1972) Примечание: 1 — нормальное содержание О₂; 2 — недостаток О₂

Приведенные данные о зависимости условий роста корней самих растений от температуры и содержания кислорода не отличаются высокой согласованностью, а в некоторых случаях даже противоречат друг другу.

Это, несомненно, объясняется разнообразием методов и недостачной достоверностью данных, полученных авторами. Кроме того, различная реакция растений на содержание кислорода и углекислоты во многом зависит от особенностей самого растения, от его вида, анатомического строения, от характера синтетической деятельности данного организма. Тем не менее, приведенные данные позволяют сделать вполне обоснованный вывод о том, что накопление в почвенном воздухе углекислоты в пределах до 10%, а в некоторых случаях и более, при сравнительно высоком содержании кислорода (более 10—15%) или при низком его содержании, но в условиях бесперебойного воздухообмена с атмосферным воздухом может лишь в очень слабой степени замедлить рост растений. В большинстве случаев это вообще не скажется на условиях жизни растений.

Необходимо, однако, учитывать, что содержание в почвенном воздухе значительного количества углекислоты может оказаться не только непосредственно на биологических процессах, то и оказать косвенное воздействие на условия жизни растений и микроорганизмов, изменяя соответствующие процессы почвообразования. Так, по данным Р.Бретфильда, Л.Батжера и И.Оскемпа (1972), в зависимости от условий аэрации существенно изменяется состояние некоторых соединений в почве (табл. 1).

Эти данные убедительно говорят о значении нормального состава почвенного воздуха для питания сельскохозяйственных растений. Однако следует учитывать, что восстановленная форма некоторых элементов характерна лишь для почв, пересыщенных водой. Повышенное содержание углекислоты воздействует на pH среды, почвенный раствор при этом подкисляется, резко меняется растворимость углекислого кальция.

Необходимо также учитывать, что чем `больше в почве углекислоты, тем больше ее выделяется из почвы в приземный Слой воздуха. А повышение содержания углекислоты в воне надземной части растений часто приводит к заметному повышению уровня фотосинтетической деятельности зеленых растений, а нередко и к заметному повышению их продуктивности.

Изучением почвенного воздуха занимались многие другие ученые, начала ХХ века и продолжают изучаться по сей день. Вот например некоторые уже обще принятые мнения о почвенном и атмосферном воздухе:

Формы химических соединенией в зависимости от аэрации почв Р. Бретфильд (1972)

Нормальная форма элемента в хорошо аэрированных почвайх

Востановленная форма элемента в насыщенных водой почвах

Источник