2.6.2. Состав почвенного воздуха, газообмен с атмосферой

Почвенный воздух по составу существенно отличается от атмосферного (табл.).

Состав атмосферного и почвенного воздуха (в объемных %)

Химический компонент	Атмосферный воздух	Почвенный воздух
Азот (N2)	78,08	78,08-80,24*
Кислород (O2)	20,95	20,09-0,01
Аргон (Ar)	0,93	--
Диоксид углерода (СО2)	0,03	0,03-20,0
Все остальные (пары Н2О, СН4)	0,01	--

*Азот и аргон

В нем меньше содержится кислорода, больше СО₂. Изменяется и содержание азота в зависимости от протекания микробиологических процессов. В болотных и заболоченных почвах почвенный воздух может содержать заметные количества NH₄, CH₄, H₂, H₂S.

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 СО₂, а с другой — скоростью газообмена между почвенным и атмосферным воздухом. Выделение СО₂ из почвы в приземный слой атмосферы принято называть дыханием почвы. В условиях хорошей аэрации кислорода поглощается почвой больше, чем выделяется углекислоты.

С глубиной концентрация СО₂ в почвенном воздухе возрастает и может достигать 3-4% (табл.)

Таблица

Содержание СО₂ (% от объема) в почвенном воздухе черноземов Молдавии, почвах Московской обл., Карелии (Синкевич, 1989, Николаева, 1970, Ларионова и др., 1987, Заварзин, Погодина, 1979)

Глубина, см	Карбонатный чернозем	Обыкновенный чернозем	Ксеро-фитный чернозем, пашня	Тоже, поляна	Тоже, лес	Серая лесная суглинистая	Дерно-вопод-золистая, лес	Тоже, озимая рожь	Тоже, травы 1-го года	Тоже, вико-овся-ный пар	Подзолистая, суглинистая
20	0,54	0,54	0,53	0,31	1,14	2,0	0,31	0,26	0,62	0,41	1,21
35	0,57	0,78	0,70	0,85	1,38	2/40	0,82	0,68	1,27	0,67	1,84
50	0,57	0,82	0,80	0,99	1,48	2/22	1,56	0,90	1,3 7	0,88	1,31
100	0,73	0,93	1,16	1,32	2,06	2,40	1,8	1,06	1,08		1,19
150	0,74		1,54	1,55	2,10		1,61	1,05	1,18		1,92
>150							3,78	2,30	1,64		1,50

Отмечается высокое содержание СО₂ в болотных почвах (1-8% в пахотном слое), меньше в дерново-подзолистых (0,2-1,0%), относительно низкое в почвах степей и полупустынь (0,3-0,8%).

Изменение содержания СО₂ в атмосфере связано с поступлением углекислоты из почвы и потреблением ее растением. Интенсивность поступления СО₂ из почвы определяется типом почвы, ее температурой, временем суток, сезоном, дыханием корней и микрофлоры.

Многочисленные данные, полученные самыми разными методами свидетельствуют, что поступление СО₂ из почвы в атмосферу изменяется в пределах 1-30 кг/га час. При этом, приблизительно 30% этой величины связано с дыханием корней, 30% - с деятельностью микроорганизмов.

Таблица 6.4.

Выделение СО₂ (кг/га час) в атмосферу в течение вегетационного периода (Л.О. Карпачевский, 1977)

Экосистема, почва	СО2 (среднее значение)
Травянистая тундра, торфяная	2,7
Сосновый лес, песчаная подзолистая	1,3
Ельник сложный, бурая поверхностно-глеевая	2,0-8,1
Дубово-сосновый лес, дерновая суглинистая-	1,0-6,3
Низкотравная прерия, глинистый бурый чернозем	1,0-26,0
Типчаково-птилагростиевая полупустыня, высокогорная бурая пустынная	0,1-2,2
Холодная пустырниковая пустыня, каменистая серо-бурая	0,03-1,0
Тропический вечнозеленый лес, герониевый, желтозем	1,3-6,7
Дождевой тропический лес, краснозем	5,0-15,0
Залежь, чернозем карбонатный	0,6-4,3
Залежь, чернозем обыкновенный	0,6-4,9
Пашня, чернозем ксерофитно - лесной	1,2-4,6
Поляна в дубовом лесу, чернозем ксерофитно-лесной	1,9-5,8
Пашня, чернозем предкавказский	2,4-14,1
Тайга, торфяная	4,0-12,0

Анализ данных распределения СО₂ в почвенном профиле показывает, что только часть СО₂ выделяется из почвы, другая часть "стекает" в более глубокие слои почвы (идет дифференциация почвенных газов по их плотности, а плотность СО₂ выше, чем у кислорода и азота: 1,98, 1,43 и 1,26 г/л, соответственно). При движении воздуха сквозь пористую среду (почву) вниз по профилю происходит накопление в нем СО₂ .По подсчетам В.Н.Мина в почвенном метровом слое может содержаться 20-100 кг/га СО₂, что соизмеримо с выделением СО₂ из почвы, как это было установлено разными авторами в многочисленных исследованиях (табл. 6.4).

На содержание СО в почве и его выделение из почвы влияют те же динамичные факторы: влажность почв и ее температура. Эти параметры, в свою очередь, кроме прямого изменения объема воздуха в почве, скорости диффузии отдельных газов влияют также на активность биоты. Именно с этими параметрами (влажность, температура, активность биоты) связаны суточные и сезонные колебания в содержании и выделении СО₂. Приведенные выше данные свидетельствуют, что амплитуда как в содержании СО₂ в почве, так и в выделении СО₂ из почвы достигает заметной величины.

В годовом цикле динамики О₂и СО₂ в почвенном воздухе максимальное содержание О₂ и минимальное СО₂ приходится на летний период, а осенью и зимой почвенно-грунтовая толща освобождается от ранее накопленного углекислого газа. В течение вегетационного периода состав почвенного воздуха значительно изменяется в зависимости от погодных условий. При оптимальной влажности с повышением температуры почвы содержание СО₂ в почвенном воздухе увеличивается, а О₂ уменьшается.

В суточном цикле эмиссия, как правило, для почв бореального пояса характеризуется дневными и вечерними максимумами, что объясняется суточным ходом температуры почвы, отличающимся от атмосферы, а минимум приходится на утренние часы - время начала прогрева почвы.

Эмиссии СО₂ почвой в большей мере уделяется внимание в связи с так называемым «парниковым эффектом». Этот эффект состоит в том, что такие газы, как СО₂, СО, СН₄, N₂O создают в атмосфере некий газообразный экран, подобный стеклу или пленке в парнике, который пропускает коротковолновую радиацию, не пропускает длинноволновую, тепловую.

Поэтому приземный слой атмосферы прогревается при повышении содержания этих газов в атмосфере. Существует точка зрения, что наблюдаемое потепление климата связано с производственной деятельностью человека, увеличивающей долю этих газов, особенно выбросами промышленности и энергетики. Следует однако подчеркнуть, что доля этого фактора достаточно скромна в ряду источников СО₂ в атмосфере: вулканическая деятельность, дыхание животных организмов, дыхание почвы, разложение карбонатов, окисление органических остатков, хозяйственная деятельность человека. Как отмечает Е.В. Шеин, «большинство ученых сходится на том, что среди источников поступления углерода в атмосферу почвенное дыхание в 7-10 раз превосходит индустриальные выделения».

По-видимому, причина повышения концентрации СО₂ в атмосфере связана с природными циклами. В данном отношении представляет интерес гипотетическая схема предложенная Л.О. Карпачевским. Концентрация СО₂ в атмосфере увеличивается - парниковый эффект -потепление - таяние ледников - обводнение низменностей суши -интенсификация болотообразовательного и гумусообразовательного процессов - формирование кораллов и т.д. - расширение площади многогумусных почв - концентрация СО₂ в атмосфере уменьшается, достигая прежнего уровня, усиливается видообразование, аридизация, минерализация торфа и гумуса и снова СО₂ поступает в атмосферу, повышая концентрацию.

Этот механизм цикла углекислоты в биосфере постоянно воспроизводится. Наверное, при детальном анализе можно выявить короткие и длительные циклы. Есть и очень короткие циклы, циклы локальные, связанные с местными условиями.