ПочвеннЫЙ воздух, его состав и значение
В почве, как в любой пористой системе, в том или ином количестве присутствует 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.
Кислород почвенного воздуха активно участвует в химических реакциях минеральных и органических веществ. Одни химические элементы, окисляясь, переходят в труднорастворимые формы (железо, марганец), а 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, используемый в фотосинтезе. От всего количества CO2, 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 – это воздух, находящийся в порах, со всех сторон изолированный водными пробками. В среднем объем защемленного воздуха колеблется от 5 до 8%, достигая своего максимума (12%) в глинистых почвах. 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 – это газы, адсорбированные на поверхности почвенных частиц. Чем меньше размер почвенных частиц и чем больше в почве гумуса, тем больше содержит она адсорбированных газов при данной температуре. Газы в зависимости от их свойств адсорбируются в такой последовательности: N2 < O2 < CO2 < NH3. Более активно, чем газы, частицы почвы поглощают пары воды.
Растворенный почвенный воздух – это газы, растворенные в почвенной влаге. Растворимость газов в почвенной влаге возрастает с повышением их концентрации в свободном почвенном воздухе, а также с понижением температуры почвы. Наиболее хорошо растворяются в воде аммиак, сероводород, диоксид углерода.
Потребность в кислороде корней растений удовлетворяется преимущественно за счет свободного почвенного воздуха, участвующего постоянно в газообмене между почвой и атмосферой.
В отличие от атмосферы газовый состав почвенного воздуха непрерывно изменяется.
Атмосферный воздух содержит 78,08% азота; 20,95% кислорода; 0,93% аргона и 0,03% углекислого газа.
Атмосферный воздух имеет относительно постоянный состав, чего нельзя сказать о почвенном воздухе. В почвенном воздухе концентрация кислорода снижается более, чем в 2 раза, а количество углекислого газа может быть выше в десятки и даже в сотни раз (CO2 от 0,1до 15%). Это зависит от интенсивности жизнедеятельности растений и почвенных микроорганизмов, корней растений, темпов окисления органического вещества, скорости газообмена между почвенным воздухом и атмосферой. Если почва с хорошей аэрацией, то содержание в ней углекислого газа находится в пределах 1%. В переувлажненных почвах тяжелого гранулометрического состава, то есть с плохой аэрацией, содержание углекислого газа может подниматься до 6% и более, а количество кислорода снижаться до 15% и ниже. В заболоченных почвах содержание углекислого газа еще больше и меньше кислорода. Содержание азота в почвенном воздухе (78-80%) почти не отличается от содержания в атмосфере. Кроме азота, в почвенном воздухе встречается закись (N2О) и окись (NО) азота, образующиеся в результате процессов денитрификации (процесс восстановления нитратного азота до газообразных форм). Это ведет к потере азота из почвы, что нежелательно для сельскохозяйственных растений. В болотных и заболоченных почвах почвенный воздух может содержать заметные количества NH3, CH4, H2, H2S, образующиеся в результате анаэробного разложения органического вещества.
В составе почвенного воздуха постоянно присутствуют летучие органические соединения, 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.
Выделение CO2 из почвы в приземный слой атмосферы принято называть дыханием почвы. В условиях хорошей аэрации кислорода поглощается почвой больше, чем выделяется углекислоты. Отношение содержания выделившегося углекислого газа к содержанию кислорода называется коэффициентом дыхания. Для почв с плохим газообменом коэффициент дыхания больше 1, а у хорошо аэрируемых почв он близок к 1.
ВОЗДУШНЫЕ СВОЙСТВА ПОЧВ
Наиболее важными воздушными свойствами почв являются воздухоемкость, воздухопроницаемость, аэрация.
Максимальное количество воздуха, которое может быть в почве, выраженное в объемных процентах, называют общей воздухоемкостъю почв (Рв). Ее можно определить по формуле:
Рв = Робщ ̵̵ Рг;
где Робщ — общая пористость почвы, %; Рг — гигроскопическая влажность (в объемных процентах).
Воздухоемкость почв зависит от их гранулометрического состава, сложения, степени окультуренности. В песчаных почвах воздухоемкость находится в пределах 25% и выше, в суглинистых 15-20%, а в глинистых – до 10% от общего объема почвы. В сильноуплотненных почвах, при полевой влагоемкости, может содержаться менее 5% воздуха по объему.
Различают капиллярную и некапиллярную 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 пористость аэрации, — воздухоемкость межагрегатных пор, трещин, ходов червей, корней. Она связана со свободным почвенным воздухом. 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 %.
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. В естественных условиях воздухопроницаемость изменяется в широких пределах — от 0 до 1 л/с и выше.
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 переноса 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 O2 в почву и выделения CO2 в атмосферу.
Коэффициент диффузии равен объему газа (в см3), проходящего в секунду через 1 см2 поверхности при мощности слоя 1 см и градиенте концентрации, равном единице.
Коэффициенты диффузии газов в почве и в атмосфере 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.