Состав почвенного воздуха

Состав почвенного воздуха

Современный состав земной атмосферы, по мнению В. И. Вернадского, имеет биогенную природу, причем огромную роль в формировании атмосферы играет газообмен между ее приземным слоем и почвой. Атмосферный воздух представляет собой смесь газов, основную массу которой создают три –  азот, кислород, аргон; остальные газы присутствуют в незначительных количествах.

 

Пределы изменений основных газов в почвенном воздухе пахотных горизонтов в периоды активной вегетации

Таблица 9.2.

Почва	02, %	С02. %
Иловато-болотная	11,9– 19,4	1,1– 8,1
Торфяно-глеевая Дерново-подзолистая Серая лесная	13,5– 19,5  18,9– 20,4 19,2– 21,0	0,8– 4,5 0,2– 1,0 0,2– 0,6
Чернозем обыкновенный Чернозем южный Каштановая	19,5– 20,8 19,5– 20,9 19,8– 20,9	0,3– 0,8 0,05– 0,6 0,05– 0,5
Серозем	20,1– 21,0	0,05– 0,3

Попадая в почву, атмосферный воздух претерпевает значительные изменения. Например, парциальное давление диоксида углерода (С0₂) увеличивается в десятки, сотни и более раз и становится более динамичным, чем в атмосферном воздухе (табл. 9.2). Особенно динамичны кислород и углекислый газ.

Изменение состава почвенного воздуха происходит в основном вследствие процессов жизнедеятельности микроорганизмов, дыхания, окисления органического вещества почв. Трансформация атмосферного воздуха тем интенсивнее, чем выше ее энергетический потенциал, биологическая активность, а также чем более затруднительно удаление газов за пределы почвенного профиля. Зависимость интенсивности поглощения кислорода почвой из атмосферы - функция многих факторов: концентрации кислорода в почвенном воздухе; температуры и влажности почвы; содержания в почве корней; дыхания почвенных животных; активности почвенных микроорганизмов; содержания органического вещества в почве.

Макрогазы почвенного воздуха. К ним относятся азот, кислород, диоксид углерода.

Азот. Методы его определения сложны и точность их низка. Судя по определяемым концентрациям О₂ и С0₂, содержание азота в почвенном воздухе не намного отличается от атмосферного: и в почве азот является значительно преобладающим газом. Исследования динамики содержания молекулярного азота важны при изучении процессов азотфиксации, нитрификации и денитрификации. Поэтому особый интерес представляет динамика сопутствующих ему микрогазов –  N₂0, NО₂. Диоксид азота (N₂0), являясь промежуточным продуктом денитрификации, эфемерен. Наиболее важным представляется изучение содержания в почвенном воздухе и эманаций с поверхности почв оксида азота (NО₂), образование которого связывают с процессами денитрификации. Этот интерес связан с тем, что в научной литературе существует мнение о фотохимическом влиянии оксида азота на озонный пояс Земли.

Кислород. Огромная роль кислорода в биосфере в целом и в почвенном воздухе в частности общеизвестна. Достаточное содержание кислорода обеспечивает необходимый уровень микробиологической деятельности, дыхания 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, начинается при снижении содержания кислорода до 2,5%, однако длительное сохранение концентрации 0₂ порядка 10– 15% уже угнетает воздухолюбивые культуры. Содержание кислорода в почвенном воздухе контролирует окислительно-восстановительный режим почв. Концентрации кислорода в почвенном воздухе различных почв в разные сезоны колеблются в широких пределах от десятых долей процента до 21,0%.

 

Диоксид углерода (С0₂).

Существует мнение, что диоксид углерода атмосферы на 90% имеет почвенное происхождение. Процессы дыхания и разложения, непрерывно протекающие в почвах, постоянно пополняют атмосферные запасы С0₂. 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%-ный прирост урожая). В то же время избыток СО₂ в составе почвенного воздуха (более 3%) угнетает развитие растений, замедляет прорастание семян, сокращает интенсивность поступления воды в растительные клетки. Таким образом, оптимальные уровни концентраций СО₂ в составе почвенного воздуха колеблются в пределах 0,3– 3,0%. Однако конкретные сельскохозяйственные культуры имеют, по-видимому, свои критические величины, их установление для различных сельскохозяйственных культур с целью создания оптимальных условий аэрации почв –  важная научная проблема.

Велика почвенно-химическая и геохимическая роль диоксида углерода. Вода, насыщенная СО₂, растворяет многие труднорастворимые соединения –  доломит СаСОз* MgCO₃, кальцит СаСОз, магнезит MgCO₃, сидерит FеСОз. 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, который обусловлен сдвигом влево равновесия

Са (НСОз)₂= СаСОз + Н₂О + СО₂

Этот процесс в настоящее время приобрел широкое распространение в почвах активного орошения.

Концентрация СО₂ в почвенном воздухе колеблется обычно от 0,05 до 10– 12%. Однако в литературных источниках есть сведения о накоплении диоксида углерода в почвенном воздухе до 15– 20% и более. В дерново-подзолистых почвах обычно 0,5-2,5% СО₂.

В процессах, характеризующихся нормальным кислородным дыханием (Дк), происходит эквивалентный обмен О₂ на СО₂:   

       Дк=Ссо₂/Со₂=1.                

Однако существует целый ряд процессов, вызывающих отклонение в ту или иную сторону от нормального обмена. Так, при разложении жиров и белков коэффициент дыхания существенно ниже (0,7– 0,8). Растворение СО₂ и связывание его в гидрокарбонаты могут снизить Дк в некоторых условиях до 0,2– 0,3. Разложение веществ, богатых кислородом, вызывает повышение Дк>1. Возникновение очаговых анаэробных зон, в которых продуцирование СО₂₂; дегазация почвенных растворов и грунтовых вод, разложение гидрокарбонатов также вызывают увеличение коэффициента. Все эти процессы в ту или иную сторону смещают коэффициент дыхания, и в почвах он редко равен 1, хотя и близок к ней.

Существует высокоинформативный показатель биологической активности почв, так называемое «дыхание почв», которое характеризуется скоростью выделения С0₂ за единицу времени с единицы поверхности. Интенсивность «дыхания почв» колеблется от 0,01 до 1,5 г/м²*ч) и зависит не только от почвенных и погодных условий, но и от физиологических особенностей растительных и микробиологических ассоциаций, фенофазы, густоты растительного покрова. «Почвенное дыхание» характеризует биологическую активность экосистемы в каждый конкретный период времени, и резкие отклонения от стандартных параметров дыхания могут дать экологическую оценку процессам, вызывающим эти отклонения.

Микрогазы. В научной литературе существуют немногочисленные сведения о содержании в почвенном воздухе таких компонентов, как N₂О, N0₂, СО₂, предельные и непредельные углеводороды (этилен, ацетилен, метан), водород, сероводород, аммиак, меркаптаны, терпены, фосфин, спирты, эфиры, пары органических и неорганических кислот. Происхождение микрогазов связывают с непосредственным метаболизмом микроорганизмов, с реакциями разложения и новообразования органических веществ в почве, с трансформацией в ней удобрений и гербицидов, с поступлением их в почву с продуктами техногенного загрязнения атмосферы. Концентрации микрогазов и летучих компонентов зачастую не превышают 1*10^-9 - 1*10^-12%. Однако этого может быть вполне достаточно для ингибирующего действия на почвенные микроорганизмы и для снижения биологической активности почв.

Состав почвенного воздуха имеет вертикальную стратификацию, определяемую продуцированием и кинетикой газов в пределах почвенного профиля. В поверхностных горизонтах, вследствие активного газообмена с атмосферой, отличия компонентного состава почвенного воздуха от атмосферного выражены менее заметно, чем в нижележащих. Для большинства почв характерен рост концентрации С0₂ в почвенном воздухе с глубиной. Изолинии концентрации 0₂ имеют обратный тип распределения (рис. ). При затрудненном газообмене с поверхности в биогенных горизонтах почв могут наблюдаться избыточные концентрации С0₂ (рис. 30). В последнем случае диффузия газов происходит по обе стороны от зоны максимального продуцирования и почвенная толща активно насыщается С0₂.

Газообмен и концентрации газов в почвенном воздухе существенным образом зависят от режима влажности и мощности зоны аэрации (толщи почвы и грунта, расположенной выше уровня грунтовых вод). Концентрации С0₂ и 0₂ достигают экстремальных значений в зоне капиллярной каймы грунтовых вод: максимальная С0₂ и минимальная 0₂. При выходе капиллярной каймы на поверхность корнеобитаемая биологическая активная зона насыщается водой. При этом отмечаются острый дефицит воздуха в почве, высокие концентрации С0₂, низкие 0₂. Грунтовые воды, расположенные ниже 2,5 м, не оказывают заметного влияния на состав почвенного воздуха.

Динамика почвенного воздуха

Динамика почвенного воздуха определяется совокупностью всех явлений поступления, передвижения и трансформации газов в пределах почвенного профиля, а также взаимодействием газовой фазы с твердой, жидкой и живой фазами почвы. Так как газовая фаза почвы весьма лабильна, динамика почвенного воздуха имеет суточный и сезонный (годовой) ход. Кроме того, почвенный воздух резко откликается на дополнительное поступление влаги в почву. Поэтому в орошаемых почвах наблюдается специфическая динамика содержания и состава почвенного воздуха в связи с режимом орошения.

Суточная динамика определяется суточным ходом атмосферного давления, температур, освещенности, изменениями скорости фотосинтеза. Эти параметры контролируют интенсивность диффузии (Д), дыхания корней (Rs), микробиологической активности (Ms), интенсивность сорбции и десорбции, растворения и дегазации.

Суточные колебания состава почвенного воздуха затрагивают, как правило, лишь верхнюю полуметровую толщу почвы. Амплитуда этих изменений для кислорода и диоксида углерода не превышает 0,1– 0,3%. Наиболее существенно в течение суток изменяется интенсивность почвенного дыхания.

Сезонная (годовая) динамика определяется годовым ходом атмосферного давления, температур и осадков и тесно связанными с ними вегетационными ритмами развития растительности и микробиологической деятельности. Годовой воздушный режим включает в себя динамику воздухозапасов, воздухопроницаемости, состава почвенного воздуха, растворения и сорбции газов, почвенного дыхания.

Динамика воздухозапасов (воздухосодержания) тесно связана обратной корреляционной связью с динамикой влажности почв, и можно считать, что она является функцией распределения осадков. Динамика воздухопроницаемости определяется также изменениями состояния поверхности почв от пахоты до уборки и следующей пахоты.

Сезонная динамика состава почвенного воздуха отражает биологические ритмы. Концентрация диоксида углерода имеет в верхней толще четко выраженный максимум в период наивысшей биологической активности (рис. 32). В это время происходит насыщение почвенной толщи углекислотой. По мере затухания биологической деятельности происходит отток С0₂ за пределы почвенного профиля. Концентрации кислорода имеют обратную зависимость.

Поливы, резко изменяя термодинамические условия почвы, вызывают существенные изменения воздухосодержания и состава воздуха, а также интенсивности дыхания почв. Характер и амплитуда изменений тесно связаны с нормой поливов.

Поливы дождеванием нормой до 250–300 м3/га вызывают слабые изменения в составе почвенного воздуха. Через 2– 3 сут система происходит в состояние динамического равновесия, присущего данному типу почв и растительности в данном сезоне года.  Поливы дождеванием нормой 500– 600 м^з/гa (наиболее распространенная норма вегетационных поливов в черноземной зоне) вызывают более существенные сдвиги в составе почвенного воздуха (рис. 34). При избыточных поливах концентрация СО₂ достигает более 2,0%, что неблагоприятно для развития воздухолюбивых культур (овощи, плодовые). При этом снижается в 5– 10 раз скорость выделения С0₂ поверхностью почвы, т. е. ассимиляционный аппарат растений работает в дефиците диоксида углерода. При поливе 1000 м3/га на почвах тяжелого гранулометрического состава резко, до 10% падает содержание кислорода, а углекислого газа – растет до 5-7%; образуются зоны анаэробиозиса. В целом это снижает интенсивность транспирации при увеличении испарения, то есть поливы должны быть оптимальны с точки зрения состава почвенного воздуха.