Глава 11 газовая фаза почв. Состав почвенного воздуха

Поры и пустоты почвенной массы, не заполненные водой, заня­ты почвенным воздухом. Несмотря на постоянную связь и газооб­мен с атмосферой, почвенный воздух несколько отличается от ат­мосферного по относительному содержанию входящих в его состав компонентов. Благодаря протекающим в почве биологическим и биохимическим процессам почвенный воздух по сравнению с ат­мосферным несколько обеднен кислородом и значительно обога­щен углекислотой. Большое значение в потреблении кислорода и накоплении углекислоты в почвенном воздухе имеют микроорга­низмы и высшая растительность. При дыхании корней расходуется кислород и выделяется углекислота, содержание которой в почвен­ном воздухе вблизи корней выше, чем в остальном объеме.

Микроорганизмы-гетеротрофы потребляют значительное коли­чество кислорода и продуцируют углекислоту при разложении орга­нических остатков. Некоторые микроорганизмы, разлагая углево­ды, образуют углекислоту и метан.

Чем обильнее и активнее микробное население почвы, тем больше потребляется кислорода и выделяется углекислоты.

Кислород расходуется также на окисление при процессах внутрипочвенного выветривания минералов, содержащих двухзарядные серу, марганец, железо и другие элементы с переменной зарядностью. Поэтому содержание углекислоты в почвенном воздухе всегда выше, чем в атмосферном: в атмосфере концентрация С0₂ состав­ляет 0,03 %_г в почвенном воздухе — 0,2—0,5 %, часто увеличиваясь до 1 %, а в тяжелых по гранулометрическому составу почвах при переувлажнении их и заболачивании возрастает до 5—10 %. Содер­жание кислорода в почвенном воздухе, наоборот, ниже, чем в ат­мосферном, и составляет 10—20%. При содержании 10—12% кис­лорода в почвенном воздухе растения при 18 °С развиваются еще нормально, при более высокой — плохо. Чем выше температура, тем больше требуется кислорода для нормального роста растений. При падении содержания кислорода в переувлажненных заболо­ченных почвах до 1—2 % рост корней замедляется, поглощение воды и питательных веществ ослабевает, прекращается рост над­земных частей.

Углекислота и кислород в почвенном воздухе являются, таким образом, антагонистами. Главным лимитирующим фактором жизни растений является не избыток углекислоты сам по себе, а сопут­ствующий ему недостаток в почвенном воздухе кислорода.

Имеются доказательства непосредственного поглощения корня­ми растений углекислоты почвенного воздуха. Ее доля в общем ко­личестве поглощаемой зелеными растениями углекислоты достаточно заметна.

В некоторых почвах, развивающихся при затрудненном возду­хообмене с приземной атмосферой, в почвенном воздухе накапли­ваются газообразные продукты разложения органических остатков: аммиак, сероводород, фосфористый водород, метан, атомарные во­дород, азот и др.

В почвенном воздухе обычно присутствуют летучие органичес­кие соединения, представляющие продукты жизнедеятельности не­которых анаэробных микроорганизмов. Значение летучих органи­ческих соединений в почвах очень велико. Они способны непос­редственно усваиваться аэробными микроорганизмами и корнями растений. В почвенном воздухе также содержатся водяные пары в количестве, близком к полному при данной температуре насыще­нию воздуха влагой.

Процессы обмена почвенного воздуха и его составляющих с при­земной атмосферой объединяются понятием «аэрация почвы».

факторами, регулирующими скорость, направления и объем воз­духообмена, являются:

1. изменения температуры почвы и атмосферы;

2. изменение влажности почвы;

3. изменение барометрического давления;

4. действие ветра.

Рассмотрим влияние первого — температурного — фактора. Сни­жение температуры сопровождается сжатием газов, а повышение — их расширением. Поэтому при понижении температуры почвы в нее из атмосферы поступают новые порции воздуха, при нагрева­нии почвы и расширении газов идет обратный ток воздуха из почвы в атмосферу. Эти процессы имеют суточный ритм, следуя суточно­му ходу изменения температуры почвы, и охватывают лишь верхние горизонты, где колебания температуры наиболее значительны.

Вторым фактором воздухообмена является изменение влажно­сти почвы, поступление в почву воды и заполнение пор сопровож­дается вытеснением из почвы воздуха, при просыхании почвы в освободившиеся поры устремляется воздух атмосферы. Этот фак­тор имеет большое значение в орошаемых и периодически затоп­ляемых почвах.

Третий фактор — понижение или повышение барометрического давления — также приводит к смене направления воздушного пото­ка из почвы в атмосферу и, наоборот, из атмосферы в почву. Он имеет значение лишь при существенных перепадах давления.

Четвертый фактор — ветер — играет некоторую роль в воздухо­обмене, так как может изменить у земной поверхности градиент атмосферного давления.

Обновление почвенного воздуха зависит от густоты раститель­ного покрова (в той или иной степени предохраняющего поверх­ность почв от непосредственного воздействия ветра).

Рассмотренные факторы воздухообмена, хотя играют определен­ную роль в замене всей массы почвенного воздуха в целом, все же менее значительны, чем процессы газообмена между почвенным воздухом и атмосферой, возникающие вследствие диффузии газов. Диффузия газов, как известно, — это процесс перемещения моле­кул газа или пара в направлении убывания концентрации или пар­циального давления. Количество газа, которое продиффундирует со стороны более высокого парциального давления в направлении бо­лее низкого, подчиняется следующему уравнению:

где d_m — переносимая масса газа;

D — коэффициент диффузии;

С — площадь, через которую идет диффузия;

— градиент кон­центрации газа на единицу длины вдоль направления х;

t — время диффузии.

Численно коэффициент диффузии равен количеству вещества, диффундирующего через 1 см² за 1 с, при градиенте концентрации, равном единице.

Разность парциальных давлений кислорода и углекислоты в ат­мосферном и почвенном воздухе является главной причиной газо­обмена. Из почвы в атмосферу диффундирует углекислота, а из ат­мосферы в почву — кислород. Установлено, что на скорость про­цесса влияют градиент концентрации, пористость почвы и ее влажность (табл. 11.1).

Таблица 11.1

Отвод углекислоты из почвы вследствие диффузии (л/м² в день) в зависимости от градиента концентрации газа и пористости почв (Р = 700 мм рт. ст., t = 25 °С) (по Б. Кину)

Градиент CO2, % на 1 см	Пористость почвы, % от объема
	20	30	40	50	60
0,02	1,3	2,9	5,3	8,1	11,4
0,04	2,5	5,9	10,2	16,1	23,0
0,08	5,1	11,5	20,5	31,9	46,5
0,12	7,7	17,4	30,7	50,5	68,2
0,16	10,2	23,0	40,9	65,0	93,0
0,20	12,7	28,8	52,7	80,6	114,4
0,40	25,4	58,7	102,0	161,0	229,1

Выделение углекислоты из почвы в атмосферу, как следует из табл. 11.1, для почв, имеющих одну и ту же пористость, увеличива­ется прямо пропорционально градиенту концентрации, составляя от единиц до первых десятков литров на квадратный метр С0₂ в день. При одном и том же градиенте концентрации и увеличении пористости почв выделение углекислоты также увеличивается и в значительно большей степени, чем это следует из коэффициента пропорциональности: при увеличении пористости в 3 раза (от 20 до 60 %) количество выделяющейся углекислоты увеличивается более чем в 9 раз.

Коэффициент диффузии углекислоты изменяется также в связи с содержанием в почвах влаги и уменьшением свободной пористости (табл. 11.2). Для извлечения из почвы проб почвенного воздуха и последующего анализа их на содержание углекислоты и кислорода сконструированы специальные иглы-буры, а также созданы специальные газоанализаторы.

В полевой обстановке для изучения газообмена между почвой и припочвенными слоями воздуха над почвой ставятся небольшие стеклянные коробки или баллоны, края которых врезаются в по­чвенную толщу. Через определенные промежутки времени из бал­лонов берутся пробы воздуха для анализов.

Твердая, жидкая и газовая фазы почвы являются частями посто­янно функционирующей почвенной системы и находятся в тесном взаимодействии друг с другом и с внешней по отношению к почве средой. Наблюдаются многократные переходы вещества из одной фазы в другую, связанные с изменениями температуры, влажности ритма биологических и биохимических процессов, в своей совокуп­ности представляющих современную динамику почв.

Так, наряду со свободным почвенным воздухом значительное количество кислорода и углекислоты находится в сорбированном твердыми частицами состоянии и в почвенном растворе. Извест­но, что растворимость газов обратно пропорциональна температу­ре жидкости. Для углекислоты изменение температуры от 0 до 20 "С снижает растворимость С0₂ примерно в 2 раза, а до 50 °С — более чем в 4 раза. Растворимость азота и кислорода также с повышени­ем температуры понижается, но в несколько меньшей степени.

Таблица 11.2

Коэффициент диффузии С02 из почвенного воздуха в атмосферу в зависимости от пористости и влажности (по И.Б. Ревуту, В.Г. Лебедевой)

Тяжелосуглинистая слабоподзолистая почва					Супесчаная слабоподзолистая почва
плот­ность, г/см2	порис­тость, %	влаж­ность, % объема	сво­бодная порис­тость, %	D/D0	плот­ность, г/см2	порис­тость, %	влаж­ность, % объема	сво­бодная порис­тость, %	D/D0
1,1	58,6	2,7 19,3 24,5	55,9 39,3 34,1	0,207 0,231 0,178	1,2	54,2	1,4 14,9 40,5	52,8 39,3 13,7	0,301 0,211 0,024
1,3	51,1	3,2 19,3 24,9	47,9 31,8 21,7	0,220 0,158 0,078	1,4	46,6	1,7 14,8 38,5	44,9 31,8 8,1	0,247 0,134 0,023
1,5	43,6	3,7 19,1 35,6	39,9 24,5 8,0	0,154 0,090 0,024	1,6	38,9	1,9 14,2 34,6	37,0 27,7 4,3	0,201 0,087 0,013

Примечание. D — коэффициент диффузии СО₂ в почве; D₀ — в свободной атмосфере.

Таким образом, каждое понижение и повышение температуры вызывает переход части газов из почвенного воздуха в раствор и обратно. Повышение концентрации С0₂ в растворе смещает реак­ции его в сторону большей кислотности, что усиливает агрессив­ность вод и переход части вещества из твердой фазы в раствор; осо­бенно повышается растворимость СаС0₃. Повышение концентра­ции С0₂ в почвенном воздухе, связанное с дыханием корней и деятельностью микроорганизмов, также вызывает эффект перехода СаСО₃ из твердой фазы в раствор (табл. 11.3).

Таблица 11.3

Растворимость СаСО3 при различных содержаниях в воздухе СО2 при 16°С

СО2 воздуха, об. %	0,03	0,5	1,0	1,2	1,3	1,5	2,0	3,0
Растворимость СаСО3, г/л	0,0634	0,157	0,203	0,22	0,23	0,24	0,27	0,31

Изменение концентрации СО₂ в почвенном воздухе и раствори­мости СаСО₃ вызывает, как показали исследования Е.А. Афанасье­вой, сезонную миграцию СаСО₃ в профиле черноземов.

Переход молекулярно - и коллоидально-растворенных веществ из жидкой фазы в твердую связан также с изменением концент­рации растворов: повышением ее при испарении и усиленной транспирации в теплые периоды и понижением — во влажные и прохладные сезоны года. При увеличении концентрации раство­ров начинается коагуляция коллоидов, кристаллизация легкора­створимых солей; с последним процессом связаны явления се­зонного соленакопления в почвах и выпадения из растворов кар­бонатов кальция.