Состав и свойства газовой фазы почвы

Наряду с твердым веществом и почвенным раствором важной составляющей почвы является почвенный воздух. Суммарный объем почвенных пор (порозность) составляет от 25 до 60 % объема почвы. Часть порового пространства, не занятая влагой, заполнена воздухом. Соотношение между почвенным воздухом и водой определяется степенью увлажнения почвы.

Состав почвенного воздуха существенно отличается от атмосферного:

Это явление объясняется биологическими процессами, совершающимися в почве. Корни растений, микроорганизмы и почвообитающие животные потребляют кислород и выделяют диоксид углерода (СО₂). Незначительная часть кислорода расходуется на химические процессы окисления.

Воздух в почве находится в нескольких состояниях: свободном (в крупных капиллярных и некапиллярных порах); защемленном (в порах, изолированных водными пробками); адсорбированном (на поверхности частиц) и растворенном (в почвенной воде). Лучше всего растворяются в воде аммиак, сероводород, диоксид углерода. По способности сорбироваться газы располагаются в следующей последовательности: N₂ < O₂ < CO₂ < NH₃. Более активно, чем газы, частицы почвы поглощают пары воды.

Азот. Содержание азота зависит от развития микробиологических процессов; в частности, оно может уменьшаться в результате связывания его свободно-живущими азотфиксирующими организмами и клубеньковыми растениями, а увеличиваться вследствие распада белков и денитрификации азотсодержащих веществ под действием микроорганизмов. В болотных и заболоченных почвах почвенный воздух может содержать заметные количества NH₃, CH₄, H₂, H₂S.

кислород. Огромная роль кислорода в биосфере в целом и в почвенном воздухе в частности общеизвестна. Достаточное количество кислорода обеспечивает необходимый уровень микробиологической деятельности, дыхание корней растений и почвенных животных, при этом в почве преобладают аэробные процессы окисления. Дефицит кислорода угнетает развитие корневых волосков, вызывает массовую гибель всходов растений, провоцирует развитие болезнетворных микроорганизмов, вызывающих корневую гниль. Полный анаэробный процесс, согласно И.П. Гречину, начинается при снижении содержания кислорода до 2,5 %, однако длительное сохранение концентрации О₂ около 10-15 % уже угнетает воздухолюбивые культуры. При содержании кислорода менее 5 % большая часть растений гибнет. Концентрация кислорода в различных почвах в разные сезоны колеблется в широких пределах от десятых долей до 21 %. Оптимальные условия для развития растений создаются при его содержании около 20 %. Содержание кислорода в почвенном воздухе контролирует окислительно-восстановительный режим почв.

Углекислый газ. по мнению некоторых ученых, углекислый газ атмосферы на 90 % имеет почвенное происхождение. Процессы дыхания и разложения, непрерывно протекающие в почвах, постоянно пополняют атмосферные запасы СО₂. На протяжении суток почвы выделяют от 10-20 до 100 кг СО₂ с 1 га. Биологическое значение этого газа многосторонне. С одной стороны, он обеспечивает ассимиляционный процесс растений (искусственное повышение концентрации СО₂ в атмосфере теплиц вызывает увеличение скорости фотосинтеза и дает 50-100-процентный прирост урожая). В то же время, избыток СО₂ в составе почвенного воздуха (более 3 %) угнетает развитие процессов, замедляет прорастание семян, сокращает интенсивность поступления воды в растительные клетки. Таким образом, оптимальные уровни концентрации СО₂ в составе почвенного воздуха колеблются в пределах 0,3-3,0 %. Однако при оптимальном содержании кислорода вредное действие углекислого газа проявляется только при высокой его концентрации.

Почвенно-химическая и геохимическая роль диоксида углерода весьма существенна. Вода, насыщенная СО₂, растворяет многие труднорастворимые соединения: кальцит CaCO₃, доломит CaCO₃ × MgCO₃, магнезит MgCO₃, сидерит FeCO₃. Это вызывает миграцию карбонатов в почвенном профиле и в сопряженных геохимических ландшафтах. Вынос (выщелачивание) карбонатов под действием увеличивающейся концентрации СО₂ в почвенном воздухе и в почвенном растворе называется процессом декарбонизации.

К воздушным свойствам почв относятся воздухоемкость и воздухопроницаемость.

Воздухоемкость – та часть объема почвы, которая занята воздухом при данной влажности. В сухих почвах она может колебаться в пределах 25-90 % от объема почвы. Однако в природных условиях почва всегда содержит влагу, и ее воздухоемкость ниже указанных пределов. Нормальная аэрация обеспечивается при воздухоемкости более 15 % от объема почвы.

Воздухоемкость почв зависит также от гранулометрического состава, сложения, степени оструктуренности. Различают капиллярную воздухоемкость, характерную для тяжелосуглинистых, бесструктурных, плотных, набухающих почв, и некапиллярную, т.е. воздухоемкость межагрегатных пор, трещин и камер, достигающую максимальных значений в хорошо оструктуренных, слабоуплотненных почвах.

Воздухопроницаемость – способность почвы пропускать воздух. Она зависит от гранулометрического состава почвы, ее оструктуренности, от объема и строения порового пространства. Воздух передвигается по порам, не заполненным водой и не изолированным друг от друга. Крупные поры аэрации способствуют лучшей воздухопроницаемости, увеличению в почвенном воздухе содержания кислорода и уменьшению углекислого газа. Наиболее благоприятные условия для воздухопроницаемости создаются в структурных почвах. Воздухопроницаемость в естественных условиях изменяется в широких пределах (от 0 до 1 л/с и выше).

Между почвенным воздухом и внешней атмосферой существует постоянный газообмен (или аэрация) через воздухоносные поры почвы. К факторам, вызывающим аэрацию, относятся следующие:

· атмосферные условия (колебания температур воздуха и атмосферного давления, количество осадков, ветер и пр.);

· физические свойства почвы;

· физические свойства газов (скорость диффузии, градиенты концентрации газов в почвенном профиле и в атмосфере, способность к сорбции-десорбции и пр.);

· обменные физико-химические реакции между ППК, почвенным раствором и газовой фазой;

· поступление влаги в почву с осадками или при орошении.

Все указанные факторы газообмена действуют в природных условиях совместно. Однако основным следует признать диффузию, а остальные являются подчиненными.

В почве диффузия газов идет через поры аэрации, часть которых занята защемленным воздухом, и газообмен через них не осуществляется. Такие макропоры имеются во всех почвах, но их объем больше в тяжелых бесструктурных почвах. Поэтому состояние газообмена связано не только с суммарным количеством пор, но и с их размером, что зависит, главным образом, от структуры почвы и плотности сложения. В структурной почве даже при насыщении водой ее капиллярных пор сохраняется достаточное количество крупных межагрегатных пор аэрации, которые обеспечивают нормальный газообмен. При увлажнении бесструктурной почвы до полной влагоемкости все ее поры оказываются заполненными водой и аэрация прекращается. В этом случае в почвенном воздухе резко уменьшается содержание кислорода, и начинают развиваться анаэробные микробиологические процессы, приводящие к образованию метана, сероводорода, аммиака и других газов.

Скорость газообмена зависит от влажности почвы. При влажности, не превышающей наименьшей влагоемкости (НВ), обмен газами совершается свободно, концентрация кислорода в почвенном воздухе близка к концентрации его в атмосфере, а концентрация СО₂ не больше 4 % (обычно 1,5-2 %). При влажности, большей НВ, газообмен ухудшается, концентрация СО₂ может увеличиться до 10-15 % и более, а содержание О₂ снизиться до 5-10 %. Наблюдения и расчеты показывают, что хороший газообмен между почвенным и атмосферным воздухом на дерново-подзолистых почвах обеспечивается при пористости аэрации более 15-20 % к объему почвы, для торфяных почв – 30-40 %. При таких условиях аэрации в почвах наблюдается благоприятный состав почвенного воздуха: содержание CO₂ обычно не превышает 2-3 %, а концентрация кислорода не падает ниже 18 %.

Содержание кислорода и углекислого газа в почвенном воздухе зависит от типа почвы, ее свойств (физических, химических, биологических), времени года, погодных условий и характера угодья (пашня, лес, луг). В почвах нормального увлажнения концентрация двуокиси углерода обычно растет сверху вниз (табл.8). Наибольшей величины она достигает над уровнем грунтовых вод даже при хорошем газообмене.

Таблица 8

Содержание O₂ и CO₂ в почвенном воздухе, % по объему

(Московская область, июль)

Сильное влияние на поглощение О₂ и выделение СО₂ почвой оказывает тепловой режим. При увеличении температуры с 5 до 30 °С интенсивность поглощения О₂ и выделения СО₂ возрастает в 10 раз. Летом почва поглощает кислорода и выделяет углекислого газа в несколько раз больше, чем ранней весной и поздней осенью.