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 < О₂ < СО₂ < NH₃. Более активно, чем газы, частицы почвы поглощают пары воды.

Читайте также: Дерновые почвы

Растворенный почвенный воздух – газы, растворенные в почвенной воде. Растворимость газов в почвенной воде возрастает с повышением их концентрации в свободном почвенном воздухе, а также с понижением температуры почвы.

Наиболее хорошо растворяются в воде аммиак, сероводород, диоксид углерода. Количество растворенных газов подчиняется закону фазового равновесия Генри:

В почве в условиях изменяющихся концентраций газов, температур, давлений, влажности постоянно протекают процессы сорбции — десорбции, растворения — дегазации.

Находясь в состоянии подвижного равновесия, система почвенного воздуха связана с изменчивостью термодинамических условий и биологической активности.

Потребность в кислороде корней растений удовлетворяется преимущественно за счет свободного почвенного воздуха, участвующего постоянно в газообмене между почвой и атмосферой.

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.

Рекомендуем прочитать: Болотные почвы

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 < 5 она не происходит. В щелочном интервале ретенция протекает очень интенсивно. Поэтому для почв засоленного ряда коэффициенты дыхания невысокие (0,16-0,35).

Диоксид углерода образуется в почве главным образом за счет биологических процессов. Частично СO₂ может поступать в почвенный воздух из грунтовых вод и в результате десорбции из твердой и жидкой фаз почвы.

Некоторое количество СO₂ может образоваться вследствие превращения бикарбонатов в карбонаты при испарении почвенных растворов: Са(НСO₃)₂ → СаСОз + Н₂0 + СO₂, в результате воздействия кислот на карбонаты почв, а также вследствие химического окисления органического вещества.

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.

Ещё по теме: Сероземы

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.

Читайте также: Солончаки

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 см³), проходящего в секунду через 1 см² 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).

Ранее мы писали про Подзолистые почвы таежно-лесной зоны

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.