Углекислый газ выделяемый почвой

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

Почвенный воздух и воздушный режим почв

Значение почвенного воздуха. Помимо влаги, во всякой почве всегда содержится то или иное количество воздуха, заполняющего свободные от воды почвенные поры. Кроме того, в почве содержится воздух адсорбированный — сгущенный на поверхности почвенных частиц, а также воздух, растворенный в почвенной воде.

О количестве воздуха в почве может дать представление табл. 14.

Содержание воздуха в различных почвах весьма варьирует и в значительной степени зависит от почвенного типа, структуры, культурного состояния, порозности, степени влажности и многих других условий.

Значение воздуха в почве огромно: воздух (О₂, СО₂, N ₂ ) не только является важным фактором выветривания минеральной части почвы, но и необходимым условием развития биологических процессов.

Многими опытами установлено, что кислород воздуха в почве необходим прежде всего для дыхания корней растений. Поэтому нормальное развитие растений возможно только в условиях достаточного доступа воздуха в почву. При недостаточном же проникновении воздуха в почву растения угнетаются, замедляют рост, а иногда и совсем погибают.

Существенное значение имеет почвенный воздух также для жизнедеятельности аэробных микроорганизмов, интенсивная жизнедеятельность которых протекает только при наличии в почве кислорода воздуха. При отсутствии доступа воздуха деятельность аэробных бактерий прекращается, а в связи с этим прекращается, следовательно, и образование в почве необходимых для растений питательных веществ. Помимо того, в анаэробных условиях, как уже отмечалось выше, неизбежно возникают восстановительные процессы, в результате которых в почве могут накапливаться различного рода вредные для растений закисные соединения.

Таким образом, при недостаточном доступе воздуха в почву растения могут страдать не только от недостатка кислорода и пищи, но одновременно и от наличия в почве вредных соединений.

Почвенный воздух всегда несколько отличается по своему составу от атмосферного. В результате процессов дыхания микроорганизмов и корневых систем растений, а также разложения органических соединений почвенный воздух обычно намного богаче углекислотой и соответственно беднее кислородом (табл. 15).

Как видно из приведенных данных, содержание СО₂ в почвенном воздухе во много раз больше, чем в атмосфере. Помимо наличия значительного количества СО₂, в почвенном воздухе содержатся пары воды, а в заболоченных почвах и такие газы, как аммиак, водород, сероводород, метан и фосфористый водород, образующиеся в результате развития анаэробного процесса разложения мертвого органического вещества.

Наиболее существенным компонентом почвенного воздуха является углекислый газ. Содержание углекислого газа в почвенном воздухе подвержено значительным колебаниям: заметно больше его обнаруживается весной и летом и меньше — осенью и зимой.

Количество углекислого газа в почве резко меняется в зависимости от жизнедеятельности почвенной микрофлоры, состава и типа почв, от погодных условий и других факторов. Чем богаче почва перегноем, тем интенсивнее идет выделение углекислого газа.

По данным В. Н. Макарова, количество выделяемого почвой углекислого газа в течение суток достигает 400—600 кг на гектар.

По данным Н. А. Красильникова, период наиболее интенсивного выделения СО₂ в почве совпадает с максимальным развитием прикорневой микрофлоры. Максимум выделения СО₂ теснейшим образом связывается также с наибольшим развитием корневой системы в данной фазе развития растений (В. Н. Макаров).

Весьма динамично и содержание О₂ в почвенном воздухе. При этом количество кислорода в почве находится в обратной зависимости от содержания углекислого газа и других газов,

образующихся в почвенной толще: чем больше содержится СО₂, тем меньше обнаруживается кислорода.

Условия газообмена между почвой и атмосферой. Так как поч венный воздух занимает свободные, не заполненные водой промежутки, то общее количество содержащегося в той или иной почве воздуха всегда зависит от скважности и степени влажности почвы. При одной и той же влажности в почвах, обладающих высокой некапиллярной скважностью, всегда будет находиться воздуха больше, чем в почвах бесструктурных, распыленных, и, с другой стороны, всякое добавочное насыщение почвы водой неизбежно влечет за собой вытеснение из нее воздуха. Таким образом, воздушный режим почвы находится в самой тесной и непосредственной связи с водными свойствами.

Большое значение для растений имеет не только количество имеющегося в почве воздуха, но и скорость его обмена с атмосферой. Чем быстрее и полнее обменивается почвенный воздух с атмосферным, тем благоприятнее создаются в почве условия для жизни культурных растений, а также и для биохимических почвенных процессов.

Следует отметить, что газообмен, кроме того, имеет огромное значение и для развития надземных частей растений. Растения, как известно, значительную часть органической массы строят за счет ассимиляции углекислого газа воздуха. Содержание же СО₂ в воздухе часто бывает недостаточным для интенсивного развития растений. Повышение концентрации углекислого газа в атмосфере способствует повышению урожая.

В то же время любая почва во много раз богаче углекислым газом, чем воздух. Таким образом, она является практически безграничным источником питания растений углекислым газом, и, действительно, в приземном слое воздуха, как показывают многие наблюдения, может содержаться до 10% и более углекислого газа вследствие поступления его из почвы. Поэтому чем лучше развит газообмен в почве, чем больше насыщается приземный слой атмосферы углекислым газом, тем благоприятнее создается обстановка для роста сельскохозяйственных культур.

Естественный газообмен в почве совершается под воздействием изменений температуры почвы, вызывающих расширение и сжатие почвенного воздуха, под влиянием ветра, усиливающего этот процесс, под воздействием изменений барометрических давлений, под влиянием выпадающих осадков и их испарений и в значительной мере под влиянием диффузии, т. е. медленного, но постоянного перемешивания газов.

Важнейшим фактором, от которого зависит скорость газообмена в почве, является ее скважность. При наличии некапиллярной скважности почвы обмен почвенного воздуха с атмосферным совершается быстро; при капиллярной же скважности

процесс диффузии в сильной степени тормозится и проходит медленно.

Особенно отрицательное значение в этом отношении имеет способность бесструктурных почв к заплыванию: образующаяся на их поверхности корка весьма затрудняет газообмен.

Большое значение для газообмена почвенного воздуха имеет также состояние уплотненности почвы: чем рыхлее почва, тем больше содержится в ней воздуха и тем быстрее совершается процесс диффузии, и, наоборот, в почвах уплотненных процесс аэрации почвы затруднен.

Пути воздействия на воздушный режим почв. Создание в поч вах благоприятного воздушного режима является весьма существенной предпосылкой для получения высокого урожая. В этом отношении в практике используются различные приемы — глубокая вспашка, боронование, культивация и др.

Непосредственное улучшение воздушного режима в период вегетации растений достигается уничтожением почвенной корки на полях по мере ее появления, а на участках пропашных культур — периодическим рыхлением междурядий.

В комплексе мероприятий по улучшению аэрации почв большое значение имеет обогащение почв достаточным количеством органических удобрений и создание некапиллярной скважности, усиливающей газообмен в почве.

Регулирование воздушного режима в заболоченных и периодически переувлажняемых почвах достигается различными способами мелиорации.

Гаркуша, И.Ф. Почвоведение/ И.Ф. Гаркуша.- Л.: Издательство сельскохозяйственной литературы, журналов и плакатов, 1962.- 448 с.

Источник