Водно воздушный баланс почвы

Воздушные свойства и воздушный режим почв

В почвах – пористых системах – в том или ином количестве присутствует почвенный воздух (газовая среда). Это важнейшая, наиболее динамичная составная часть почвы находится в тесном взаимодействии с твердой, жидкой и живой фазами почвы.

Почвенный воздух является источником кислорода для дыхания корней растений, аэробных микроорганизмов и почвенной фауны.

Почвенный воздух

Это смесь газов и летучих органических соединений, заполняющих поры почвы, свободные от воды. Кислород почвенного воздуха активно участвует в химических реакциях минеральных и органических веществ.

Одни химические элементы, окисляясь, переходят в труднорастворимые формы (железо, марганец), другие приобретают большую растворимость (сера, хром, ванадий), замедляя или ускоряя миграцию химических элементов.

Окисление органического вещества почвы обусловливает круговорот углерода, азота, фосфора, серы и других биологически важных химических элементов.

Почвенный воздух является источником диоксида углерода для растений, используемым в фотосинтезе. От всего количества СО₂, идущего на создание урожая, от 38 до 72 % поступает растению из почвы.

Почвенный воздух находится в почве в трех состояниях: свободном, адсорбированном и растворимом.

Свободный почвенный воздух, находясь в крупных некапиллярных и капиллярных порах почвы, свободно перемещается в ней, обеспечивает аэрацию почв и газообмен между почвой и атмосферой.

Защемленный почвенный воздух – воздух, находящийся в порах, со всех сторон изолированный водными пробками. В глинистых почвах содержание защемленного воздуха может достигать 12 % и более, в среднем же 6-8 % общего объема почвы.

Защемленный воздух неподвижен, практически не участвует в газообмене, препятствует фильтрации воды в почве. Вырываясь из пор при защемлении водой, защемленный воздух может вызвать разрушение почвенной структуры.

Адсорбированный почвенный воздух – газы и летучие органические соединения, адсорбированные на поверхности почвенных частиц. Чем более дисперсна почва, тем больше содержит она адсорбированных газов при данной температуре.

Адсорбция газов сильнее проявляется в почвах тяжелого гранулометрического состава, богатых органическим веществом. Газы в зависимости от их свойств адсорбируются в такой последовательности: N₂

Состав свободного почвенного воздуха

Первые сведения о составе почвенного воздуха были получены Ж. Буссенго в 1824 г. В первой половине XX в. знания о почвенном воздухе пополнились работами А. Г. Дояренко, Б. Кина, Э. Рассе-ляидр.

Состав свободного почвенного воздуха отличается от атмосферного (табл. 35).

35. Октав атмосферного и почвенного воздуха (в объемных %)

Атмосферный воздух имеет относительно постоянный состав, чего нельзя сказать о почвенном воздухе. В почвенном воздухе меньше содержится кислорода, больше СO₂. Изменяется и содержание азота в зависимости от протекания микробиологических процессов.

В болотных и заболоченных почвах почвенный воздух может содержать заметные количества NH₃, CH₄, H₂, H₂S. В составе почвенного воздуха постоянно присутствуют летучие органические соединения (Холодный, 1953), образующиеся в процессе жизнедеятельности микроорганизмов.

Среди этих соединений могут быть углеводороды, спирты, сложные альдегиды. Эти вещества могут поглощаться корнями, способствуя росту растений и повышению их жизнедеятельности.

В почвенном воздухе присутствуют также газообразные продукты распада радиоактивных элементов — эманации.

Из всех газов почвенного воздуха наиболее динамичны кислород и диоксид углерода. Различную концентрацию кислорода и диоксида углерода в почвенном воздухе определяют, с одной стороны, интенсивностью потребления кислорода и продуцированием СO₂, а с другой — скоростью газообмена между почвенным и атмосферным воздухом.

Выделение СO₂ из почвы в приземный слой атмосферы принято называть дыханием почвы. В условиях хорошей аэрации кислорода поглощается почвой больше, чем выделяется углекислоты.

Отношение содержания диоксида углерода в почвенном воздухе к содержанию кислорода называется коэффициентом дыхания.

Для почв с плохим газообменом это отношение больше единицы. В таких почвах идут анаэробные процессы. Часть СO₂ может связываться химически с образованием гидрокарбонатов. Этот процесс получил название ретенции С0₂.

Ретенция зависит от рН: при рН

Воздушные свойства почв

Наиболее важными воздушными свойствами почв являются воздухоемкость, воздухопроницаемость, аэрация.

Воздухоемкость

Максимальное количество воздуха, которое может быть в почве, выраженное в объемных процентах, называют общей воздухоемкостью почв (Р_О.В.). Ее можно определить по формуле.

Воздухоемкость почв зависит от их гранулометрического состава, сложения, степени оструктуренности.

Различают также капиллярную и некапиллярную воздухоемкость.

Каппилярная воздухоемкость

Капиллярная воздухоемкость характеризует количество почвенного воздуха, размещенного в капиллярных порах. Наибольшей капиллярной воздухоемкостью отличаются тяжелые по гранулометрическому составу бесструктурные плотные почвы.

Для обеспечения нормальной аэрации почв наибольшее значение имеет некапиллярная воздухоемкость, или порозность аэрации, — воздухоемкость межагрегатных пор, трещин, ходов червей, корней. Она связана со свободным почвенным воздухом.

Некапиллярная воздухоемкость

Некапиллярная воздухоемкость при наименьшей влагоемкости имеет особое значение для аэрации. Если воздухоемкость при наименьшей влагоемкости составляет менее 15%, то аэрация почв недостаточная, чтобы обеспечить благоприятный состав почвенного воздуха.

Оптимальные условия для газообмена создаются при содержании воздуха в минеральных почвах 20-25 %, в торфяных – 30-40 %.

Воздухопроницаемость

Способность почвы пропускать через себя воздух называют воздухопроницаемостью. Это свойство определяет скорость газообмена между почвой и атмосферой.

Она зависит от гранулометрического состава почвы, ее структурного состояния, строения порового пространства. В естественных условиях воздухопроницаемость изменяется в широких пределах – от 0 до 1 л/с и выше.

Аэрация или газообмен

Процессы обмена почвенного воздуха с атмосферным называют аэрацией или газообменом. Газообмен осуществляется через систему воздухоносных пор почвы, сообщающихся между собой и с атмосферой.

Газообмен обусловлен несколькими факторами: диффузией, изменением температуры почвы и барометрического давления, изменением количества влаги в почве под давлением осадков, орошением, испарением, влиянием ветра, изменением уровня грунтовых вод или верховодки.

Поступление в почву влаги с осадками или при орошении вызывает сжатие почвенного воздуха, его выталкивание наружу и засасывание атмосферного воздуха.

Изменение температуры почвы и атмосферного давления, ветра и уровня грунтовых вод также вызывает объемные изменения воздуха в почве и, как следствие, влияет на газообмен.

Однако ведущим фактором газообмена в почве является диффузия. Это основной механизм массопереноса газов в почве и газообмена между почвой и атмосферой.

Под диффузией понимают перемещение газов в соответствии с их парциальным давлением. Под влиянием диффузии создаются условия для непрерывного поступления О₂ в почву и выделения СО₂ в атмосферу.

Коэффициент диффузии равен объёму газа (в см 3 ), проходящего в секунду через 1 см 2 поверхности при мощности слоя 1 см и градиенте концентрации, равном единице.

Коэффициенты диффузии газов в почве (D) и в атмосфере (D_o) различны. Через почву диффузия газов протекает в 2-20 раз медленнее, чем в атмосфере. Отношение коэффициента диффузии в почве к коэффициенту диффузии в атмосфере ( ) меньше единицы.

Воздушный режим почвы и его регулирование

Воздушный редким почвы — это совокупность всех явлений поступления воздуха в почву, его передвижения в ней и расхода, а также явлений обмена газами между почвенным воздухом, твердой и жидкой фазами, потребления и выделения отдельных газов живым населением почвы.

Воздушный режим почв подвержен суточной, сезонной, годовой и многолетней изменчивости и находится в прямой зависимости от различных свойств почв, погодных условий, характера растительности, агротехники.

Для нормального произрастания растений необходимо оптимизировать воздушный режим почвы. Улучшение воздушного режима почв особенно важно там, где распространены почвы с временным избыточным увлажнением и при сельскохозяйственном использовании болотных почв.

В почвах легкого гранулометрического состава, а также в суглинистых и глинистых, но обладающих агрономически ценной структурой в верхних горизонтах содержание воздуха поддерживается на высоком уровне (20-25 % объема почвы).

В бесструктурных почвах тяжелого гранулометрического состава содержание почвенного воздуха зависит от состояния и увлажнения почвы. При относительной влажности, равной НВ, содержание воздуха в таких почвах может достигать критической величины (менее 15 % объема почвы).

На бесструктурных почвах суглинистого и глинистого гранулометрического состава нередко образуется почвенная корка. Обладая высокой плотностью и низкой пористостью, почвенная корка уже при влажности 17% (22% объема почвы) препятствует нормальной аэрации.

Поскольку оптимальный воздушный режим в основном зависит от состояния увлажнения почвы, то приемы регулирования водного и других режимов являются и приемами регулирования воздушного режима.

Такие приемы, как окультуривание почв, регулирование их реакции, применение органических и минеральных удобрений, орошение или осушение почв, активизируют биологические процессы в почвах, повышают интенсивность дыхания в них при наличии доступной влаги.

Важными приемами регулирования воздушного режима, особенно на малогумусных почвах тяжелого гранулометрического состава, также являются создание глубокого пахотного слоя, рыхление подпахотного, ликвидация почвенной корки.

Для минеральных почв большое значение в создании оптимального воздушного режима имеет улучшение их гумусного состояния и структуры.

Контрольные вопросы и задания

1. Дайте понятие почвенного воздуха, назовите его главный состав, отличие от атмосферного воздуха.
2. В чем значение почвенного воздуха в жизни почвы и продуктивности растений?
3. Что такое газообмен и какие факторы его определяют?
4. Перечислите и охарактеризуйте воздушные свойства почвы.
5. Дайте понятие воздушного режима и охарактеризуйте приемы его оптимизации.

Источник

Почва, водно — воздушные свойства

Определение «Почва, водно — воздушные свойства» в ЭБНБ

Вода, находящаяся в почве, вступает с ее твердой фазой в определенные взаимодействия, характер и направленность которых обусловливается как сорбционными (молекулярное притяжение), менисковыми (капиллярные явления), гравитационными (сила тяжести) силами, так и физическими свойствами почвы. Эти силы и определяют те важнейшие свойства почвы, которые существенно влияют на ее водный режим, накопление и рациональное использование влаги растениями.

Влажность почвы — это отношение содержащейся в почве воды к массе абсолютно сухой почвы, выраженное в процентах. Влажность почвы зависит от количества выпадающих осадков, интенсивности потребления воды растениями, температуры воздуха и других факторов.

При постепенном высыхании почвы наступает такое состояние, когда в ней остается лишь влага, прочно удерживаемая почвой и недоступная для растений. Эта степень увлажнения почвы называется влажностью устойчивого завядания растений (ВЗ). Она может быть определена прямым методом в опытах с растениями; чаще ее определяют расчетным путем, умножая показатель максимальной гигроскопичности (МГ) на коэффициент 1,5. Влажность устойчивого завядания зависит от механического состава, плотности почвы, состава поглощенных катионов.

Границы значений влажности, характеризующей пределы появления различных категорий и форм почвенной влаги, называются почвенно — гидролитическими константами. Выделяются семь основных почвенно — гидролитических констант, которые выражают в процентах от массы или объема почвы.
Максимальная адсорбционная влагоемкость (МАВ) — наибольшее количество прочносвязанной воды, удерживаемое силами адсорбции; влага недоступна для растений.

Максимальная гигроскопичность (МГ) — наибольшее количество влаги, которое почва может сорбировать из воздуха, почти насыщенного паром (при относительной влажности воздуха более 94 %); влага недоступна растениям.

Почвенная влажность устойчивого завядания растений (ВЗ) — влажность почвы, при которой у растений появляются признаки завядания, не исчезающие при перемещении растений в атмосферу, насыщенную водяными парами; нижний предел доступности влаги для растений.

Влажность разрыва капиллярной связи (ВРК) — влажность почвы, находящаяся между наименьшей влагоемкостью (НВ) и почвенной влажностью устойчивого завядания растений (ВЗ), при которой подвижность подвешенной влаги в процессе иссушения резко уменьшается.
Наименьшая влагоемкость (НВ) — максимальное количество влаги, которое способна удержать почва в полевых условиях, при промачивании ее сверху, после стекания свободной (гравитационной) воды.
Капиллярная влагоемкость (KB) — максимальное количество воды, которое удерживается в почве в капиллярноподперто состоянии.
Полная влагоемкость, или полная водовместимость (ПВ) — количество воды, которое может содержаться в почве при заполнении водой всех ее пор.

Для развития растений наиболее благоприятна влажность почвы в интервале ВРК — НВ. В интервале НВ — ПВ водообмен ухудшается; такое увлажнение почвы является избыточным. При влажности почвы в интервале ВРК — ВЗ влага труднодоступна для растений.
Водопроницаемость — способность почвы впитывать и фильтровать воду. Она зависит от механического состава, состава перегноя и оструктуренности почв.

Легкие песчаные почвы обладают высокой водопроницаемостью ввиду большого количества некапиллярных промежутков. Тяжелые и особенно сильно распыленные почвы отличаютсяслабой водопроницаемостью. Структурные почвы вследствие достаточно развитой межагрегатной и внутриагрегатной пористости хорошо впитывают и удерживают влагу.
Водоподъемная способность — свойство почвы поднимать воду по капиллярам. Она определяется диаметром капилляров и зависит от плотности сложения почвы, агрегатного и механического состава.

В песчаных почвах, где капиллярные промежутки широкие, высота капиллярного поднятия редко превышает 0,5 — 1,0 м, тогда как на глинистых почвах она может достигать 4 — 5 м. При высокой капиллярности растения обеспечиваются влагой даже при длительной засухе. Однако она приводит к непроизводительной потере воды за счет излишнего испарения, а при сильной минерализации воды — к засолению почвы.

Испаряющая способность — потеря почвой влаги в результате физического испарения. Тяжелые распыленные почвы, особенно при образовании на них корки, больше теряют влаги, чем песчаные. Испарение воды на структурных почвах резко уменьшается из — за разобщенности капилляров отдельных агрегатов. Почвы плотные или с глыбистой структурой пересыхают быстрее, чем рыхлые. Испарение влаги усиливается при сильном ветре, повышении температуры и понижении влажности воздуха.

Основные источники увлажнения почвы — осадки (полив) и грунтовые воды. Влага в почве постоянно движется: поглощается растениями, испаряется в атмосферу, перемещается в глубокие горизонты. Временами она аккумулируется в почве в результате конденсации паров воды, восходящих токов из глубоких горизонтов и других статей водного баланса.
Водный баланс выражается формулой
В0 + Ос + Вг + Вк + Впр + Вб = Еисп + Ег + В» + Вп + Вс f В,,

где Во — начальный запас влаги, Ос — сумма осадков за период наблюдений, Вт — количество поступающей грунтовой влаги, Вк — конденсирующаяся из паров влага, ВПр — поверхностный приток воды, Вб — боковой приток почвенных и грунтовых вод, Еисп — испарившаяся влага, Ег — расход влаги на транспирацию, Ва — инфильтрующаяся в грунт влага, Вп — поверхностный сток, Вс — боковой внутрипочвенный сток, В — запас влаги в почве в конце периода наблюдений.
Содержание влаги в каждом почвенном горизонте определяется по формуле:
В = advH,
где В — запас воды в слое почвы, мм водного слоя, или м 3 га; а — влажность, %, dv — плотность почвы, гсм 3 ; Н — мощность горизонта, см.
В агрономической практике важно учитывать общий и полезный запас воды в почве.
Общий запас воды (ОЗВ) — суммарное количество влаги на заданную мощность почвы, выраженное в мм водного столба, или в м 3 га.

Полезный запас воды в почве (ПЗВ) — суммарное количество продуктивной, или доступной растениям, влаги в заданной толще почвогрунта. Чтобы рассчитать ПЗВ в почве нужно вычислить ОЗВ и запас труднодоступной влаги (ЗТВ). Последний рассчитывается аналогично общему запасу, но вместо запаса влаги по тем же горизонтам берут влажность устойчивого завядания растений (ВЗ).
Содержание полезной влаги в почве определяется разностью между ОЗВ и ЗТВ.
Оптимальный запас продуктивной влаги в метровом слое почвы в период вегетации находится в пределах 100 — 200 мм, а в пахотном слое — от 20 до 50 мм.

Воздушные свойства почвы и ее воздушный режим в значительной мере обусловлены ее пористостью. Благоприятная аэрация — необходимое условие нормального дыхания корней растений, высокой биологической активности почвы и образования окисленных форм минеральных соединений, наиболее доступных растениям. При недостатке воздуха в почве возникают восстановленные формы минеральных веществ, отрицательно влияющих на растения и почвенную микрофлору.
Важнейшими воздушными свойствами почвы являются возду — хоемкость и воздухопроницаемость.

Воздухоемкость — объем пор, содержащих почвенный воздух при влажности, равной наименьшей влагоемкости почвы. Определяется размером некапиллярных, или межагрегатных пор. Объем воздуха, заключенный в порах, не занятых водой, называют пористостью аэрации. В бесструктурных почвах она невысокая и быстро снижается при их увлажнении. Структурные почвы вследствие хорошо развитых межагрегатных промежутков имеют большую пористость аэрации даже при сильном увлажнении. В культурных почвах содержание воздуха колеблется в пределах 8 — 36 % общего объема почвы.
Воздухопроницаемость — свойство почвы пропускать через себя воздух. Она является важным условием нормального газообмена между почвой и атмосферой.

Воздухопроницаемость хорошо выражена на легких, структурных и нормально увлажненных почвах. Тяжелые, бесструктурные и переувлажненные почвы слабовоздухопроницаемы. Нормальная воздухопроницаемость обеспечивается в почвах, где некапиллярная пористость составляет не менее 10 — 15 %.

Источник