СОСТАВ ПОЧВЕННОГО ВОЗДУХА
Поры и пустоты почвенной массы, не заполненные водой, заняты почвенным воздухом. Несмотря на постоянную связь и газообмен с атмосферой, почвенный воздух несколько отличается от атмосферного по относительному содержанию входящих в его состав компонентов. Благодаря протекающим в почве биологическим и биохимическим процессам почвенный воздух по сравнению с атмосферным несколько обеднен кислородом и значительно обогащен углекислотой. Большое значение в потреблении кислорода и накоплении углекислоты в почвенном воздухе имеют микроорганизмы и высшая растительность. При дыхании корней расходуется кислород и выделяется углекислота, содержание которой в почвенном воздухе вблизи корней выше, чем в остальном объеме.
Микроорганизмы-гетеротрофы потребляют значительное количество кислорода и продуцируют углекислоту при разложении органических остатков. Некоторые микроорганизмы, разлагая углеводы, образуют углекислоту и метан.
Чем обильнее и активнее микробное население почвы, тем больше потребляется кислорода и выделяется углекислоты.
Кислород расходуется также на окисление при процессах внутрипочвенного выветривания минералов, содержащих двухзарядные серу, марганец, железо и другие элементы с переменной зарядностью. Поэтому содержание углекислоты в почвенном воздухе всегда выше, чем в атмосферном: в атмосфере концентрация С02 составляет 0,03 %г в почвенном воздухе — 0,2—0,5 %, часто увеличиваясь до 1 %, а в тяжелых по гранулометрическому составу почвах при переувлажнении их и заболачивании возрастает до 5—10 %. Содержание кислорода в почвенном воздухе, наоборот, ниже, чем в атмосферном, и составляет 10—20%. При содержании 10—12% кислорода в почвенном воздухе растения при 18 °С развиваются еще нормально, при более высокой — плохо. Чем выше температура, тем больше требуется кислорода для нормального роста растений. При падении содержания кислорода в переувлажненных заболоченных почвах до 1—2 % рост корней замедляется, поглощение воды и питательных веществ ослабевает, прекращается рост надземных частей.
Углекислота и кислород в почвенном воздухе являются, таким образом, антагонистами. Главным лимитирующим фактором жизни растений является не избыток углекислоты сам по себе, а сопутствующий ему недостаток в почвенном воздухе кислорода.
Имеются доказательства непосредственного поглощения корнями растений углекислоты почвенного воздуха. Ее доля в общем количестве поглощаемой зелеными растениями углекислоты достаточно заметна.
В некоторых почвах, развивающихся при затрудненном воздухообмене с приземной атмосферой, в почвенном воздухе накапливаются газообразные продукты разложения органических остатков: аммиак, сероводород, фосфористый водород, метан, атомарные водород, азот и др.
В почвенном воздухе обычно присутствуют летучие органические соединения, представляющие продукты жизнедеятельности некоторых анаэробных микроорганизмов. Значение летучих органических соединений в почвах очень велико. Они способны непосредственно усваиваться аэробными микроорганизмами и корнями растений. В почвенном воздухе также содержатся водяные пары в количестве, близком к полному при данной температуре насыщению воздуха влагой.
Процессы обмена почвенного воздуха и его составляющих с приземной атмосферой объединяются понятием «аэрация почвы».
факторами, регулирующими скорость, направления и объем воздухообмена, являются:
1) изменения температуры почвы и атмосферы;
2) изменение влажности почвы;
3) изменение барометрического давления;
4) действие ветра.
Рассмотрим влияние первого — температурного — фактора. Снижение температуры сопровождается сжатием газов, а повышение — их расширением. Поэтому при понижении температуры почвы в нее из атмосферы поступают новые порции воздуха, при нагревании почвы и расширении газов идет обратный ток воздуха из почвы в атмосферу. Эти процессы имеют суточный ритм, следуя суточному ходу изменения температуры почвы, и охватывают лишь верхние горизонты, где колебания температуры наиболее значительны.
Вторым фактором воздухообмена является изменение влажности почвы, поступление в почву воды и заполнение пор сопровождается вытеснением из почвы воздуха, при просыхании почвы в освободившиеся поры устремляется воздух атмосферы. Этот фактор имеет большое значение в орошаемых и периодически затопляемых почвах.
Третий фактор — понижение или повышение барометрического давления — также приводит к смене направления воздушного потока из почвы в атмосферу и, наоборот, из атмосферы в почву. Он имеет значение лишь при существенных перепадах давления.
Четвертый фактор — ветер — играет некоторую роль в воздухообмене, так как может изменить у земной поверхности градиент атмосферного давления.
Обновление почвенного воздуха зависит от густоты растительного покрова (в той или иной степени предохраняющего поверхность почв от непосредственного воздействия ветра).
Рассмотренные факторы воздухообмена, хотя играют определенную роль в замене всей массы почвенного воздуха в целом, все же менее значительны, чем процессы газообмена между почвенным воздухом и атмосферой, возникающие вследствие диффузии газов. Диффузия газов, как известно, — это процесс перемещения молекул газа или пара в направлении убывания концентрации или парциального давления. Количество газа, которое продиффундирует со стороны более высокого парциального давления в направлении более низкого, подчиняется следующему уравнению:
где dm — переносимая масса газа;
D — коэффициент диффузии;
С — площадь, через которую идет диффузия;
— градиент концентрации газа на единицу длины вдоль направления х;
t — время диффузии.
Численно коэффициент диффузии равен количеству вещества, диффундирующего через 1 см2 за 1 с, при градиенте концентрации, равном единице.
Разность парциальных давлений кислорода и углекислоты в атмосферном и почвенном воздухе является главной причиной газообмена. Из почвы в атмосферу диффундирует углекислота, а из атмосферы в почву — кислород. Установлено, что на скорость процесса влияют градиент концентрации, пористость почвы и ее влажность (табл. 11.1).
Таблица 11.1
Отвод углекислоты из почвы вследствие диффузии (л/м2 в день) в зависимости от градиента концентрации газа и пористости почв (Р =700 мм рт. ст., t =25 °С) (по Б. Кину)
Градиент CO2, % на 1 см | Пористость почвы, % от объема | ||||
0,02 | 1,3 | 2,9 | 5,3 | 8,1 | 11,4 |
0,04 | 2,5 | 5,9 | 10,2 | 16,1 | 23,0 |
0,08 | 5,1 | 11,5 | 20,5 | 31,9 | 46,5 |
0,12 | 7,7 | 17,4 | 30,7 | 50,5 | 68,2 |
0,16 | 10,2 | 23,0 | 40,9 | 65,0 | 93,0 |
0,20 | 12,7 | 28,8 | 52,7 | 80,6 | 114,4 |
0,40 | 25,4 | 58,7 | 102,0 | 161,0 | 229,1 |
Выделение углекислоты из почвы в атмосферу, как следует из табл. 11.1, для почв, имеющих одну и ту же пористость, увеличивается прямо пропорционально градиенту концентрации, составляя от единиц до первых десятков литров на квадратный метр С02 в день. При одном и том же градиенте концентрации и увеличении
пористости почв выделение углекислоты также увеличивается и в значительно большей степени, чем это следует из коэффициента пропорциональности: при увеличении пористости в 3 раза (от 20 до 60 %) количество выделяющейся углекислоты увеличивается более чем в 9 раз.
Коэффициент диффузии углекислоты изменяется также в связи с содержанием в почвах влаги и уменьшением свободной пористости (табл. 11.2). Для извлечения из почвы проб почвенного воздуха и последующего анализа их на содержание углекислоты и кислорода сконструированы специальные иглы-буры, а также созданы специальные газоанализаторы.
В полевой обстановке для изучения газообмена между почвой и припочвенными слоями воздуха над почвой ставятся небольшие стеклянные коробки или баллоны, края которых врезаются в почвенную толщу. Через определенные промежутки времени из баллонов берутся пробы воздуха для анализов.
Твердая, жидкая и газовая фазы почвы являются частями постоянно функционирующей почвенной системы и находятся в тесном взаимодействии друг с другом и с внешней по отношению к почве средой. Наблюдаются многократные переходы вещества из одной фазы в другую, связанные с изменениями температуры, влажности ритма биологических и биохимических процессов, в своей совокупности представляющих современную динамику почв.
Так, наряду со свободным почвенным воздухом значительное количество кислорода и углекислоты находится в сорбированном твердыми частицами состоянии и в почвенном растворе. Известно, что растворимость газов обратно пропорциональна температуре жидкости. Для углекислоты изменение температуры от 0 до 20 "С снижает растворимость С02 примерно в 2 раза, а до 50 °С — более чем в 4 раза. Растворимость азота и кислорода также с повышением температуры понижается, но в несколько меньшей степени.
Таблица 11.2
Коэффициент диффузии С02 из почвенного воздуха в атмосферу в зависимости от пористости и влажности (по И.Б. Ревуту, В.Г. Лебедевой)
Тяжелосуглинистая слабоподзолистая почва | Супесчаная слабоподзолистая почва | ||||||||
плотность, г/см2 | пористость, % | влажность, % объема | свободная пористость, % | D/D0 | плотность, г/см2 | пористость, % | влажность, % объема | свободная пористость, % | D/D0 |
1,1 | 58,6 | 2,7 19,3 24,5 | 55,9 39,3 34,1 | 0,207 0,231 0,178 | 1,2 | 54,2 | 1,4 14,9 40,5 | 52,8 39,3 13,7 | 0,301 0,211 0,024 |
1,3 | 51,1 | 3,2 19,3 24,9 | 47,9 31,8 21,7 | 0,220 0,158 0,078 | 1,4 | 46,6 | 1,7 14,8 38,5 | 44,9 31,8 8,1 | 0,247 0,134 0,023 |
1,5 | 43,6 | 3,7 19,1 35,6 | 39,9 24,5 8,0 | 0,154 0,090 0,024 | 1,6 | 38,9 | 1,9 14,2 34,6 | 37,0 27,7 4,3 | 0,201 0,087 0,013 |
Примечание. D — коэффициент диффузии СО2 в почве; D0 — в свободной атмосфере.
Таким образом, каждое понижение и повышение температуры вызывает переход части газов из почвенного воздуха в раствор и обратно. Повышение концентрации С02 в растворе смещает реакции его в сторону большей кислотности, что усиливает агрессивность вод и переход части вещества из твердой фазы в раствор; особенно повышается растворимость СаС03. Повышение концентрации С02 в почвенном воздухе, связанное с дыханием корней и деятельностью микроорганизмов, также вызывает эффект перехода СаСО3 из твердой фазы в раствор (табл. 11.3).
Таблица 11.3
Дата добавления: 2015-06-27; просмотров: 1844;