Процесс воздушного питания почвы

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

Как питаются растения из воздуха

Углекислотные удобрения и урожай

У растений нет специального органа для питания. Они поглощают питательные вещества всеми своими органами: листьями, побегами, корнями и т.д. Поэтому у растений выделяют корневое питание (из почвы через корни) и воздушное (поглощение элементов питания из воздуха через листья и другие органы).

Эти две системы питания в растениях работают синхронно, комплексно и разделить их на две самостоятельные невозможно. Однако у каждой из них есть свои особенности и своя специализация. Воздух для растений должен быть не только чистым, но и вкусным.

Через листья растения усваивают солнечную энергию и поглощают углерод и кислород в виде углекислого газа — СО₂, плюс небольшое количество минеральных элементов питания. Чем больше в воздухе углекислого газа, тем выше урожай.

Через корни, наоборот, больше поглощается воды и элементов минерального питания (N, P, K, Ca, Mg, S, микроэлементы и др.), плюс небольшое количество и углекислого газа.

Воздушное питание — весьма сложный процесс. Сначала на свету (световая фаза) зеленый пигмент листьев, хлорофилл, поглощает кванты световой энергии солнца, под влиянием которых происходит деформация в его молекуле двойных связей с перемещением электронов и появлением двух свободных валентностей. Возникает активная форма хлорофилла. При взаимодействии этого хлорофилла с двумя молекулами воды, от которой отнимаются два атома водорода, выделяется в атмосферу кислород. В этом проявляется одно из основных величественных значений зеленой растительности — обогащение ею воздуха нашей планеты кислородом.

Затем из СО₂ и воды образуется первичный органический продукт — глюкоза. Углеводы — наиболее распространенный продукт фотосинтеза, они являются продуктом воздушного (углекислотного) питания растений. Но наряду с ними в зеленых листьях образуются аминокислоты и белки, а также жиры и другие сложные органические вещества в соответствии с природой каждого растения.

Процесс воздушного питания идёт быстро. Благодаря методу меченых атомов выяснилось, что уже через 5-10 секунд после начала освещения в зеленых листьях появляются разнообразные органические вещества, причем ассортимент их зависит как от природы самого растения, его возраста, так и от условий внешней среды. Воздушное питание идёт более интенсивно при оптимальной температуре, влажности, хорошем корневом питании минеральными элементами, хорошей освещенности и высоком содержании СО₂ в воздухе.

Достойны внимания данные о том, что в хлоропластах концентрируются минеральные элементы в больших количествах: в этих органеллах содержится (в % от общего наличия в листе) азота и магния — до 75, железа — более 80, цинка — около 70, кальция — две трети, калия и меди — не менее половины. В хлоропластах имеется также много и ферментов. Это подчеркивает важную роль указанных веществ в ходе воздушного питания растений.

Следует подчеркнуть и высокую работоспособность хлорофилла, хотя содержание его составляет лишь 1-3 г на 1 кг свежих листьев. Свет, прошедший сквозь толщину одного листа, благодаря высокой дисперсности хлорофилла, теряет от 75 до 90% своей интенсивности и, следовательно, становится уже заведомо недостаточным для нормального фотосинтеза в нижних листьях. Дисперсность зернышек хлорофилла столь велика, что суммарная их поверхность в одном листе может в 200 раз превышать площадь самой листовой пластинки.

Интенсивность фотосинтеза (под которой условились понимать количество углекислоты, ассимилируемое 1 м² листьев за 1 час) у многих культур при нормальных условиях составляет в пересчете на глюкозу 1-2 г, а в среднем около 1,3 г за 1 час. Однако в летний день на протяжении одного часа каждый грамм хлорофилла участвует в ассимиляции 5 г СО₂. За световые часы лист в этот период ежедневно накапливает до 25% от своего веса новых органических веществ. Воздушное питание (углекислотное) часто называют невидимым, а углекислоту — невидимым удобрением, так как она бесцветна.

Воздушное питание проходит оптимально, если концентрация СО₂ в воздухе превышает 0,03% (от объема). Повышение содержания СО₂ в 30 раз (до 1%) и даже более резко усиливает ассимиляцию углекислоты растением. В условиях теплиц при наиболее благоприятном режиме освещения, температуры, влажности и питательных веществ скороспелые сорта томатов созревают за 60 суток, позволяя получать до 4-6 урожаев в год. Если концентрация СО₂ падает до 0,01%, воздушное питание приостанавливается.

Углекислотные удобрения

Навоз и другие органические удобрения являются для растений не только источником минеральных питательных веществ, но и углекислоты. Под влиянием микроорганизмов эти удобрения, разлагаясь в почве, выделяют много углекислоты, которая насыщает почвенный воздух и приземный слой атмосферы, в результате улучшается воздушное питание растений. Чем выше дозы внесенного в почву навоза, торфа или компостов, тем больше углекислоты образуется при их разложении и тем благоприятнее условия воздушного питания растений.

В период максимального развития вегетативной массы, в том числе листьев, увеличение содержания углекислоты в надпочвенном воздухе — существенный фактор получения высоких урожаев сельскохозяйственных (особенно овощных) культур. При внесении в почву 5-8 кг/м² навоза в период его интенсивного разложения количество ежедневно выделяемой на 1м² углекислоты по сравнению с неудобренным участком возрастает на 30-40 г. Этого количества СО₂ вполне достаточно для создания высокого урожая картофеля и овощных культур 4-5 кг с 1м² (ежедневное потребление — 20-30 г углекислоты).

В защищенном грунте повысить урожай и содержание углекислого газа в воздухе теплиц можно путём внесения органических удобрений, использования биотоплива или путём специального сбраживания растительных остатков (сена, сорных растений и т.д.) в бочке или иной ёмкости. Растительные остатки заливают водой 1:1 и оставляют на 2-3 недели в теплице для брожения и выделения углекислоты в атмосферу теплицы. Перебродившую массу можно использовать для подкормки пропашных культур. В междурядиях делают бороздки, куда и разливают остатки, затем закрывают их почвой. Используются в качестве углекислотных удобрений также «сухой лёд» (раскладывают кусками в свободных местах) или применяют специальные горелки, выделяющие углекислый газ.

Роль воздушного питания достаточно высока. В целом оно обеспечивает создание 80-90% всего урожая, полученного на садовом участке. Это значит, что из 100 кг урожая овощей, ягод или цветов за счёт воздушного питания создаётся до 90 кг урожая. Поэтому хорошее снабжение растений углекислотой — одна из основных задач садовода и овощевода.

Элементы минерального питания частично могут поступать и через листья, например, аммиак и окислы серы из воздуха, а также некоторые соли, содержащиеся в дождевой воде, в том числе и микроэлементы. Сельскохозяйственные растения способны усваивать эти соединения клетками листьев или стеблей. Наличие в воздухе окислов серы бывает заметным и даже значительным только в индустриальных районах. В других районах только газообразными источниками серы нельзя покрыть всю потребность в ней растения. С осадками приносятся и микроэлементы, однако в заметном количестве лишь в приморских областях. Это йод, бор и др.

В связи с этими фактами одно время много преувеличенных надежд возлагалось на внекорневое питание растений слабыми растворами солей путем опрыскивания листвы. Полагали, что при таком методе применения удобрений можно избежать закрепления фосфатов некоторыми почвенными минералами аммония и калия (как это неизбежно бывает в почвенных условиях) и вымывания селитры и других солей.

Главное же, предполагали, что внекорневым питанием можно сильно влиять на воздушное питание. Однако оказалось, что большинство минеральных соединений, даже в слабых концентрациях, вызывают ожоги листьев. Поэтому из азотных удобрений для опрыскивания лучше подходят лишь слабые растворы мочевины. С фосфорными и калийными солями дело обстоит совсем плохо. Кроме этого выяснилось, что только внекорневым питанием невозможно добиться нормального роста культур. И, несмотря на то, что листья способны усваивать многие соли при опрыскивании, этот прием решает лишь вспомогательные задачи и является дополнительным к обычному питанию через корни. Очевидно, высшие растения приспособились, выработали в ходе эволюции на протяжении многих десятков миллионов лет раздельное питание — воздушное и корневое.

Таким образом, понятие о внекорневом питании вскоре превратилось лишь в рекомендацию внекорневых подкормок на крайний случай и при этом больше всего для микроэлементов. Действительно, этих веществ приходится вносить сравнительно немного, поэтому и технически такую подкормку провести легче. Для макроэлементов же потребовалось бы несколько подкормок (одной- двух явно недостаточно), что связано с риском нанести вред (ожоги) и большим расходом воды, времени и средств.

В результате всестороннего изучения агрохимики пришли к выводу, что большинство культурных растений лучше всего поглощают питательные вещества корнями, они хорошо растут на плодородных почвах и дают высокие урожаи при слабокислой реакции среды (рН около 6,5). Но о корневом питании расскажем в другой статье. Желаю успехов!

Г. Васяев, доцент,
главный специалист Северо-Западного научно-методического центра Россельхозакадемии

Источник