ГАЗОВАЯ ФАЗА ПОЧВЫ. ПОЧВЕННЫЙ ВОЗДУХ (1968 год)

ГАЗОВАЯ ФАЗА ПОЧВЫ. ПОЧВЕННЫЙ ВОЗДУХ (1968 год)

Почвенный воздух, представляя собой газовую фазу почвы, принимает активное участие в почвенных процессах. Его количество и состав в большой мере определяют направление этих процессов (анаэробное или аэробное, с преобладанием восстановительных или окислительных процессов и т. д.) и их интенсивность.

О количестве воздуха в почве судят по объему всех промежутков между твердыми частицами, не занятых водой. Зная общую скважность почвы и количество влаги в ней, можно по разности вычислить объем почвенного воздуха. Из сказанного ясно, что вода и воздух взаимно замещают друг друга в почве: чем больше воды, тем меньше места остается для воздуха. В периоды большой влажности в почве создаются анаэробные условия. Колебания почвенной влажности приводят к изменениям в содержании воздуха в почве.

Структурность почвы, от которой зависят общий объем и размеры почвенных промежутков, определяет при прочих равных условиях количество почвенного воздуха. В структурной почве, наряду с влагой, заполняющей капилляры внутри агрегатов, остается место для воздуха в крупных порах между агрегатами. В бесструктурной уплотненной почве антагонизм между водой и воздухом выражен особенно резко.

Помимо структуры на содержание воздуха в почве влияет и плотность ее сложения: чем более уплотнена почва, тем меньше в ней воздуха; рыхление, естественно, усиливает аэрацию.

Сельскохозяйственная культура рядом воздействий (обработка, удобрение, посев растений), ведущих к разрыхлению или уплотнению почвы, к созданию структуры (а в некоторых случаях, и к ее разрушению) сильно влияет на снабжение почвы воздухом.

Важным моментом, влияющим на аэрацию почв (т. е. на содержание в них воздуха), является водопроницаемость слоев почвенного профиля; при хорошей водопроницаемости полное насыщение почвы водой бывает очень недолго (например, сразу после таяния снега); влага быстро просачивается вниз и освободившиеся поры заполняются воздухом. Если же почва близко к поверхности подстилается водонепроницаемым слоем, вода в ней длительно задерживается, создаются анаэробные условия, возможно развитие болотного процесса. В таких случаях мелиоративные мероприятия, освобождая почву от излишка воды, могут улучшить ее снабжение воздухом.

Несмотря на значительные колебания в содержании воздуха в почве в течение года, связанные с колебаниями температуры и влажности, намечаются известные закономерности в содержании воздуха в отдельных почвенных типах. В табл. III приведены средние за вегетационный период данные по содержанию воздуха в профиле различных почв (Макаров и др., 1964).

Таблица 111 Содержание воздуха в профиле различных почв (среднее за вегетационный период) в % от объема почвы (по Макарову и др., 1964)

Из табл. 111 видно, что в верхнем слое (0—20 см) среднее содержание воздуха довольно близко для всех изучавшихся почв, составляя 23—28% от объема почвы (за исключением лишь II торфяной почвы с высоким уровнем грунтовых вод, содержащей всею 10% воздуха) .

С разницей в воздушном режиме I и II торфяных почв (табл. 111) связано и их различное плодородие, у рожа трав на почве II в l,5 раза ниже, чем на почве I (63 и 106 ц/га).

Однако значительные различия наблюдаются в содержании воздуха в нижних горизонтах: уже в слое 50—100 см дерново-подзолистые почвы содержат в 3—4 раза меньше воздуха, чем чернозем.

Таблица 112 Содержание основных газов в атмосферном и почвенном воздухе (в объемных процентах) (по Ремезову, 1952)

Главными составными частями почвенного воздуха, как и свободного атмосферного, являются азот, кислород, углекислый газ и водяной пар (1). Но процентное их соотношение в почве значительно отличается от того, которое мы находим в надпочвенном воздухе (табл. 112).

Состав атмосферного воздуха более или менее постоянен (табл. 112) и обнаруживает лишь незначительные колебания, а почвенный воздух непрерывно изменяется. В различных климатических зонах, в различных почвах под разными культурами почвенный воздух имеет различный состав.

Наименьшим колебаниям подвержено содержание азота в почвенном воздухе, наибольшим — кислорода и углекислоты. При этом обычно в почвенном воздухе значительно меньше, чем в атмосферном, кислорода и больше углекислоты.

Основной причиной разницы в составе атмосферного и почвенного воздуха являются биологические процессы, протекающие в почве. В процессах дыхания, брожения, гниения происходит поглощение кислорода и выделение СО2. В некотором количестве СО2 поглощается из почвенного воздуха корнями растений(2), а также микробами-автотрофами. Клубеньковые и свободно живущие бактерии-азотфиксаторы связывают азот воздуха, денитрифицирующие организмы освобождают азот и т. д.

Обогащенный СО2 и обедненный кислородом почвенный воздух снова восстанавливает свой состав в результате диффузии газов, которая приводит к выравниванию концентраций в сообщающихся объемах. Более богатый кислородом атмосферный воздух проникает в почву, вытесняя оттуда почвенный воздух с высоким содержанием СО2. Схематически это выглядит так: почва поглощает О2 и выделяет СО2, что характерно для процесса дыхания. Поэтому газообмен между почвой и атмосферой называют «дыханием» почвы.

1 Кроме перечисленных газов, в почвенном воздухе так же, как и в атмосферном, в небольших количествах присутствуют благородные газы (аргон, неон, криптон, ксенон). В качестве примесей иногда имеется аммиак, а в болотных почвах — водород, метан, сероводород. Рядом исследований (Н. Г. Холодный, М. Н. Мейсель) доказано наличие в почвенном воздухе летучих веществ, выделяемых микроорганизмами (типа витаминов). (По Красильникову, 1958).
2 Некоторое количество СО2 транспортируется из корней в листья, где происходит ассимиляция (Курсанов, 1954); этот источник СО2 имеет ограниченное значение в снабжении листьев углекислотой.

Почвенный воздух находится постоянно в состоянии обмена с атмосферой. Этому обмену способствуют:

1) диффузия газов, зависящая от разницы состава почвенного и надпочвенного воздуха и возрастающая с увеличением этой разницы. А. А. Роде (1955) и другие исследователи считают роль диффузии в газообмене важнейшей;

2) колебания температуры и барометрического давления; нагреваясь, почва выделяет некоторое количество газов; при охлаждении и сжатии почвенного воздуха почва засасывает атмосферные газы. Засасывание атмосферного воздуха происходит и при увеличении барометрического давления; при уменьшении его, напротив, часть воздуха удаляется из почвы;

3) ветры, создающие на неровной поверхности почвы разнообразные условия давления, а также усиливающие испарение воды, тем самым освобождая место для воздуха в почве;

4) просачивание воды в почву, при котором почвенный воздух вытесняется водой в более глубокие слои: после ухода воды поры заполняются свежим атмосферным воздухом; после хорошего дождя может произойти полная смена почвенного воздуха. Аналогично действуют колебания уровня почвенно-грунтовых вод.

Как уже отмечалось выше, в составе почвенного воздуха наибольшие колебания наблюдаются в содержании кислорода и углекислоты.

Кислород необходим и для почвенных микроорганизмов и для высших растений, которые погибают при прекращении доступа кислорода к корням. Именно от недостатка кислорода страдают растения и микроорганизмы на плохо аэрируемых почвах.

В верхних горизонтах почв нормального увлажнения содержание кислорода приближается к его содержанию в атмосферном воздухе ( примерно 20%), а при избыточном увлажнении — может снижаться до < 1 %.

В избыточно увлажненных почвах не только мало содержание воздуха, но и неблагоприятен его состав.

Наблюдения опытных учреждений показывают зависимость содержания кислорода в почвах от растительного покрова, а в возделываемых почвах — от характера их обработки. В верхних слоях почвы кислорода больше, чем в нижних: с глубиной содержание его падает.

Изменения в содержании кислорода в почвенном воздухе резко сказывается на свойствах почвы. В лабораторном опыте с дерново-подзолистой почвой через навески влажной почвы, помещенной в стеклянные сосуды, в течение 30 дней просасывалась газовая

Недостаток кислорода в почве сказывается как на прорастании семян, так и на дальнейшем развитии растений. Для разных почвенных условий до сих пор не установлены оптимальные концентрации О2 для прорастания семян. В опыте с дерново-подзолистой почвой оптимальные условия соответствовали содержанию О2, равному 15—20% от газовой смеси.

Таблица 114 Содержание углекислоты в почвенном воздухе в % от объема почвы (по Макарову и др., 1964)

Для развития растений и микроорганизмов имеет значение наличие анаэробных условий в почве даже в течение недолгого периода (15—30 дней). Весеннее затопление почвы талыми водами приводит в дальнейшем к менее благоприятным условиям питания растений на такой почве, чем на почвах, не испытавших временного анаэро-биозиса. Из сказанного можно видеть, как велика роль кислорода в почвенных процессах и в создании благоприятных условий для растений.

Другим компонентом почвенного воздуха, содержание которого значительно колеблется во времени, является углекислота.

Согласно ряду исследований (Макаров и др., 1964) процент СО2 в почвенном воздухе под растительностью изменялся в разных почвах в следующих пределах (табл. 114).

Таким образом, содержание СО2 в почвенном воздухе, как правило, значительно — в десятки и сотни раз — выше, чем в атмосферном (табл. 114).

Чем интенсивнее биологические процессы в почве, тем больше она выделяет углекислоты. По количеству выделенной СО2 можно ориентировочно судить о биологической активности почвы (В. И. Штатнов, 1952). В табл. 115 приводятся данные но биологической активности дерново-сильноподзолистой почвы, пол ученные в лабораторных условиях (при температуре 26—23° С и влажности, равной 60% от полной влагоемкости).

Чем больше содержание органического вещества в почве (табл. 115), тем больше она выделяет СО2 при одинаковых условиях температуры, аэрации и влажности; наибольшей биологической активностью отличается целинная лесная почва, наименьшей — истощенная старопахотная почва; унавоженная и вновь освоенная почвы занимают промежуточное положение. Обогащение почвенного и надпочвенного воздуха углекислотой (СО2) за счет внесенного навоза и усиление ассимиляции растениями СО2 — одна из причин благоприятного действия навоза на урожай культурных растений

В природных условиях количество образующейся в почве углекислоты увеличивается за счет дыхания корней растений. Поэтому в почве под растениями воздух содержит значительно больше СО2, чем на паровых участках; особенно много СО2 в лесной почве (табл. 116).

Таблица 115 Биологическая активность дерново-сильноподзолистой супесчаной почвы (по Возбуцкой и Клыковой, 1959)

Таблица 116 Динамика содержания СО2 в почвенном воздухе мощного чернозема Курской области (в объемных процентах) (по Мацкевия, 1950)

Из табл. 116 видно также, что в течение года содержание углекислоты в почвенном воздухе значительно изменяется. Наибольшие количества СО2 наблюдаются в самое теплое время года, постепенно снижаются к осени и достигают минимальных значений зимой. Весной происходит снова постепенное увеличение содержания СО2 в почвенном воздухе. Таким образом, обнаруживается тесная связь колебаний количества углекислоты с температурой. Большое значение имеют для динамики СО2 также изменения влажности почвы, что приводит к различиям в характере кривых при наблюдениях, проведенных в разные годы.

Углекислота образуется в гумусовом слое в течение вегетационного периода и постепенно диффундирует — частью в атмосферу, частью в нижележащие слои почвы и грунта. Летом содержание СО2 в глубоких слоях достигает максимума позже, чем в верхних, а зимой оно медленнее снижается (см. табл. 116).

Как уже указывалось выше, углекислота, представляя собой продукт биологических процессов в почве, является важным фактором химического выветривания. СО2 почвенного воздуха находится в равновесии с СО2 почвенного раствора и влияет на его кислотность. Растворы углекислоты производят растворяющее действие на ряд труднорастворимых соединении; карбонаты переходят в бикарбонаты; увеличивается растворимость фосфатов. В связи с этим можно предполагать, что в периоды интенсивного образования СО2 в почве усиливается мобилизация питательных веществ, т. е. переход их в доступное для растений состояние.

Содержание водяных паров в почве и в атмосфере колеблется в широких пределах. Почвенный воздух обычно насыщен водяными парами приданной температуре или близок к насыщению. Пониженное давление водяных паров в почвенном воздухе гибельно отражается на микрофлоре.

В связи с изменениями температуры и давления в почве постоянно происходит сжижение водяного пара в воду, и обратный процесс — испарение воды. Ночью поверхностные слои почвы охлаждаются, и здесь происходит сгущение водяного пара в воду на холодной поверхности твердых частиц — образование так называемой «подземной росы». Это вызывает понижение упругости водяного пара в верхних слоях и, как следствие, передвижение его из нижних, более теплых слоев в верхние. Возможно увлажнение почвы и за счет водяных паров атмосферы, сгущающихся в поверхностном слое почвы при его охлаждении.

Почвенный воздух тесно связан с твердой и жидкой фазами почвы. В сухой почве твердые частицы, в основном высокодисперсные коллоидные частицы, поглощают на своей поверхности газы почвенного воздуха.

Как уже отмечалось выше (см. стр. 132), процесс поглощения водяного пара, который адсорбируется сильнее всех других газов, можно рассматривать как переходный к адсорбции жидкостей: водяной пар, конденсируясь на поверхности частичек, в соответствующих условиях температуры и давления, образует водную пленку.

Во влажной почве почвенный воздух в некотором количестве растворяется в почвенном растворе. Растворимость газов в воде неодинакова и зависит от температуры (табл. 117).

Таблица 117 Растворимость газов в воде в зависимости от температуры (мл в 1 л)(1)

Температура в °С	N2	о₂	со₂
0	23,5	48,9	1713
10	18,6	38,0	1190
30	13,4	26,1	665

1 При давлении паров воды + парциальное давление газа, равном 760 мм.

Как видно из табл. 117, порядок растворимости газов тот же, что и порядок их по адсорбируемости: N2 < О2 < СО2. В связи с высокой растворимостью углекислоты содержание ее в почвенном растворе относительно много больше (по сравнению с другими газами), чем в почвенном воздухе.

Растворенный в почвенном растворе газ отрицательно адсорбируется почвенными твердыми частицами, что является естественным следствием меньшей сорбируемости газа по сравнению с водой. За счет этой отрицательной адсорбции концентрация газа в свободной части почвенного раствора несколько повышается.

В предыдущем изложении мы постоянно отмечали взаимодействие между фазами почвы: твердых, жидкой и газовой. Поскольку наиболее активной частью твердых фаз является ее наиболее высокодисперсная часть — почвенные коллоиды, наиболее интенсивно взаимодействие происходит между почвенными коллоидами, почвенным раствором и почвенным воздухом. Изменения, происходящие в почвенном растворе, влекут за собой изменения в составе почвенного воздуха, а с другой стороны — в составе почвенных коллоидов, и — прежде всего — в составе ионов, поглощенных на их поверхности. Так, при образовании азотной кислоты в процессе нитрификации происходит связывание кислорода из почвенного воздуха. Образовавшаяся HNО3 увеличивает концентрацию в почвенном растворе Н⁺-ионов, которые быстро вступают во взаимодействие с обменными ионами Са, образуя Ca(NО3)2 и увеличивая количество Н⁺-ионов, поглощенных коллоидами.

Ярким примером взаимодействия между почвенными фазами представляют собой данные табл. 113, показывающие резкие изменения всей обстановки в почве — ОВ-потенциала, pH, содержания питательных веществ — под влиянием изменений состава газовой фазы.

Необходимо отметить ту большую роль, которую играют в почвенной динамике разнообразнейшие биологические процессы, связанные с жизнедеятельностью населяющих почву организмов.

содержание .. 20 21 22 23 ..