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 d_m — 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)

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)

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