Pochvovedenie_Kovda_chast1

суточная и сезонная амплитуды колебаний температур воздуха, суточная и сезонная амплитуды колебаний атмосферного давле­ ния, температурные градиенты на поверхности раздела почва — атмосфера, турбулентность атмосферного воздуха, количество осадков и характер их распределения, интенсивность и объем испарения и транспирации воды;

2) физические свойства почвы - гранулометрический состав, структура, состояние поверхности, плотность, количество и ка­ чество пор аэрации, температурный режим почв и режим их влажности;

3)физические свойства газов — скорость диффузии, градиен­ ты концентраций газов в почвенном профиле и на границе разде­ ла почва — атмосфера, гравитационный перенос газов под дейст­ вием силы тяжести, способность к сорбции — десорбции на твердой фазе, растворение в почвенных растворах и дегазация;

4)физико-химические реакции в почвах — обменные реакции между почвенным поглощающим комплексом — почвенным раст­ вором — газовой фазой, реакции окисления — восстановления.

Основным механизмом массопереноса газов в почве, а также газообмена между почвой и атмосферой является диффузия — перемещение газов под действием градиента концентраций. Остальные факторы тем или иным путем связаны с ней, либо изменяя градиенты концентраций газов, либо изменяя свойства среды, через которую идет диффузия. Конвективный (под дейст­ вием температурных градиентов), гравитационный (под действи­ ем силы тяжести) газопереносы, а также перенос газов при из­ менениях атмосферного давления имеют подчиненное значение.

Поток газообразного вещества (Qs), протекающего через единицу площади почвенной пористой среды за единицу време­ ни, можно рассчитать, используя уравнение молекулярной диф­ фузии (первый закон Фика):

(29)

где Д — коэффициент диффузии газа в почве, см2 •с; с — кон­ центрация газа в почвенном воздухе, мг/см3; z — глубина слоя, см.

168

Коэффициент диффузии газа в атмосфере (Da) существенно выше, чем в почвах (табл. 29). Разработано уравнение, связы­ вающее коэффициенты почвенной и атмосферной диффузии с порозностью аэрации:

где а и b - эмпирические константы, характеризующие сложе­ ние среды, через которую идет диффузия. При расчетах скорости диффузии необходимо вносить поправки на температуру, которые в каждом конкретном случае имеют индивидуальные значения.

8.4. Состав почвенного воздуха

Современный состав земной атмосферы, по мнению В. И. Вер­ надского, 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. Ниже приведен состав атмосферного воздуха (по М. А. Другову, А. В. Березкиной, 1981).

Попадая в почву, атмосферный воздух претерпевает значи­ тельные изменения. Например, парциальное давление диоксида углерода (СО2) увеличивается в десятки, сотни и более раз и становится более динамичным, чем в атмосферном воздухе (табл. 30).

Т а б л и ц а 30. Пределы изменений основных газов в почвенном воздухе пахотных горизонтов в периоды активной вегетации

Изменение состава почвенного воздуха происходит главным образом вследствие процессов жизнедеятельности микроорганиз­ мов, дыхания корней растений и почвенной фауны, а также в результате окисления органического вещества почв. Трансформа­ ция атмосферного воздуха в почве тем интенсивнее, чем выше ее

169

энергетический потенциал, биологическая активность, а также чем более затруднительно удаление газов за пределы почвенного профиля. Имеющиеся данные о динамике состава почвенного воздуха дали возможность представить зависимость интенсив­ ности поглощения кислорода почвой из атмосферы (SO2) как функцию многих факторов (В. Д. Федоров, Т. Г. Гильманов, 1980):

где СO2 — концентрация кислорода в почвенном воздухе; Тs — температура почвы; W—влажность почвы; Rs — содержание в почве корней; Fs — дыхание почвенных животных; Ms — актив­ ность почвенных микроорганизмов; Hs— содержание органиче­ ского вещества в почве.

В настоящее время задача идентификации этой функции в целом не решена, хотя частные решения отклика SO2 на отдель­ ные факторы найдены. Составление теоретической модели трансформации и передвижения газов в пределах почвенного профиля требует многофакторного анализа, многие параметры которого в настоящее время не разработаны.

Макрогазы почвенного воздуха. К ним относятся азот, кисло­ род, диоксид углерода.

Азот. Прямых определений содержания молекулярного азота в почвенном воздухе недостаточно для того, чтобы судить о характере его поведения в почвенном профиле. Это связано с тем, что методы его определения сложны и точность их низка. Судя по определяемым концентрациям O2 и СO2, содержание азота в почвенном воздухе не на много отличается от атмосфер­ ного: и в почве азот является значительно преобладающим га­ зом. Исследования динамики содержания молекулярного азота важны при изучении процессов азотфиксации, нитрификации и денитрификации. Поэтому особый интерес представляет динами­ ка сопутствующих ему микрогазов — N2O, NO2. Диоксид азо­ та (IV), являясь промежуточным продуктом денитрификации, эфемерен. Наиболее важным представляется изучение содер­ жания в почвенном воздухе и эманаций с поверхности почв оксида азота (I), образование которого связывают с процесса­ ми денитрификации. Этот интерес связан с тем, что в научной литературе существует мнение о фотохимическом влиянии оксида азота (I) на озонный пояс Земли.

Кислород. Огромная роль кислорода в биосфере в целом и в почвенном воздухе в частности общеизвестна. Достаточное со­ держание кислорода обеспечивает необходимый уровень микро­ биологической деятельности, дыхания корней растений и почвен­ ных животных, при этом в почве преобладают аэробные про­ цессы окисления. Дефицит кислорода угнетает развитие корне­ вых волосков, вызывает массовую гибель всходов растений, провоцирует развитие болезнетворных микроорганизмов, вызы-

170

вающих корневую гниль. Полный анаэробный процесс, согласно И. П. Гречину, начинается при снижении содержания кислорода до 2,5%, однако длительное сохранение концентрации О2 поряд­ ка 10—15% уже угнетает воздухолюбивые культуры. Содержа­ ние кислорода в почвенном воздухе контролирует окислительновосстановительный режим почв. Концентрации кислорода в поч­ венном воздухе различных почв в разные сезоны колеблются в широких пределах от десятых долей процента до 21,0%.

Диоксид углерода (СО2). Существует мнение, что диоксид углерода атмосферы на 90% имеет почвенное происхождение. Процессы дыхания и разложения, непрерывно протекающие в почвах, постоянно пополняют атмосферные запасы СО2. Биоло­ гическое значение этого газа многосторонне. С одной стороны, он обеспечивает ассимиляционный процесс растений (искусствен­ ное 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 воз­ духа (более 3%) угнетает развитие растений, замедляет прорас­ тание семян, сокращает интенсивность поступления воды в рас­ тительные клетки. Таким образом, оптимальные уровни концен­ траций СО2 в составе почвенного воздуха колеблются в пределах 0,3—3,0%. Однако конкретные сельскохозяйственные культуры имеют, по-видимому, свои критические величины. Установление граничных значений концентрации СО2 для различных сельско­ хозяйственных культур с целью создания оптимальных условий аэрации почв — важная научная проблема.

Велика почвенно-химическая и геохимическая роль диоксида углерода. Вода, насыщенная СО2, растворяет многие труднораст­ воримые соединения — кальцит СаСО3, доломит СаСО3•MgCО3, магнезит MgCО3, сидерит FeCО3. Это вызывает миграцию кар­ бонатов в почвенном профиле и в сопряженных геохимических ландшафтах. Вынос (выщелачивание) карбонатов под действием увеличивающейся концентрации С02 в почвенном воздухе и в почвенном растворе называется процессом декарбонизации, который обусловлен сдвигом влево равновесия

Са (НСО3)2= С а С О 3 + Н 2 О + С О 2

Этот процесс в настоящее время приобрел широкое распро­ странение 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 процессах, характеризующихся нормальным кислородным дыханием (Дк), происходит эквивалентный обмен О2 на СО2:

Однако существует целый ряд процессов, вызывающих отклоне-

171

ние 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 гидрокар­ бонаты 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 про­ дуцирование СО2 может происходить без поглощения О2, дегаза­ ция почвенных растворов и грунтовых вод, разложение гидро­ карбонатов 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. Детальные исследования кинетики превращений газов в пределах почвенно­ го профиля позволяют уточнить модель физико-химических и биохимических процессов трансформации органического вещест­ ва в почвах.

Существует высокоинформативный показатель биологической активности почв, так называемое «дыхание почв», которое харак­ теризуется скоростью выделения СО2 за единицу времени с едини­ цы 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 раститель­ ного покрова. «Почвенное дыхание» характеризует биологиче­ скую активность экосистемы в каждый конкретный период вре­ мени, и резкие отклонения от стандартных параметров дыхания могут дать экологическую оценку процессам, вызывающим эти отклонения.

Микрогазы. В научной литературе существуют немногочис­ ленные сведения о содержании в почвенном воздухе таких ком­ понентов, как N2О, NО2, СО, предельные и непредельные угле­ водороды (этилен, ацетилен, метан), водород, сероводород, ам­ миак, меркаптаны, терпены, фосфин, спирты, эфиры, пары орга­ нических и неорганических кислот. Происхождение микрогазов связывают с непосредственным метаболизмом микроорганизмов,

среакциями разложения и новообразования органических ве­ ществ в почве, с трансформацией в ней удобрений и гербицидов,

споступлением их в почву с продуктами техногенного загрязне­

ния атмосферы. Концентрации микрогазов и летучих компонен­ тов зачастую не превышают 1•10- 9 —10- 1 2 %. Однако этого может быть вполне достаточно для ингибирующего действия на почвенные микроорганизмы и для снижения биологической ак­ тивности почв.

Состав почвенного воздуха имеет вертикальную стратифика­ цию, определяемую продуцированием и кинетикой газов в пре­ делах почвенного профиля. В поверхностных горизонтах, вслед­ ствие активного газообмена с атмосферой, отличия компонент ного состава почвенного воздуха от атмосферного выражень менее заметно, чем в нижележащих. Для большинства почв характерен рост концентрации СО2 в почвенном воздухе с глуби-

172

ной (рис. 30, а). Изолинии концентрации О2 имеют обратный тип распределения (рис. 30,6). При затрудненном газообмене с по­ верхности в биогенных горизонтах почв могут наблюдаться избыточные концентрации СО2 (рис. 30,в). В последнем случае диффузия газов происходит по обе стороны от зоны максималь­ ного продуцирования и почвенная толща активно насыщается СО2.

Рис. 30. Типы вертикального распределения концентраций СО2 (а) и О2 (б) в почвенном воздухе при нормальном газообмене и СО2 при затрудненном газооб­ мене (в)

Газообмен и концентрации газов в почвенном воздухе су­ щественным образом зависят от режима влажности и мощности зоны аэрации (толщи почвы и грунта, расположенной выше уровня грунтовых вод). Концентрации СО2 и О2 достигают экст­ ремальных значений в зоне капиллярной каймы грунтовых вод: максимальная СО2 и минимальная О2. При выходе капиллярной каймы на поверхность корнеобитаемая биологическая активная зона насыщается водой. При этом отмечаются острый дефицит воздуха в почве, высокие концентрации СО2, низкие О2. Грунто­ вые воды, расположенные ниже 2,5 м, не оказывают заметного влияния на состав почвенного воздуха.

8.5. Динамика почвенного воздуха

Динамика почвенного воздуха определяется совокупностью всех явлений поступления, передвижения и трансформации газов в пределах почвенного профиля, а также взаимодействием газо­ вой 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 поступ­ ление влаги в почву. Поэтому в орошаемых почвах наблюдается специфическая динамика содержания и состава почвенного воз­ духа в связи с режимом орошения.

Суточная динамика определяется суточным ходом атмос­ ферного давления, температур, освещенности, изменениями ско­ рости фотосинтеза. Эти параметры контролируют интенсивность диффузии (Дs), дыхания корней (Rs), микробиологической ак-

173

тивности (Ms), интенсивность сорбции и десорбции (Gl , s ), растворения и дегазации (Sl). Таким образом, концентрация газов в составе почвенного воздуха определяется как

Cl = F(Ds,Rs,Ms,Gl,s,Sl...). (33)

0,3%. Наиболее существенно в течение суток изменяется интен­ сивность почвенного дыхания (рис. 31).

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

Динамика воздухозапасов (воздухосодержания) тесно свя­ зана обратной корреляционной связью с динамикой влажности почв, и можно считать, что она является функцией распределе­ ния 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.

Этим же закономерностям подчинена и сезонная динамика дыхания почв (рис. 33).

Поливы, резко изменяя термодинамические условия почвы, вызывают существенные изменения воздухосодержания и состава воздуха, а также интенсивности дыхания почв. Характер и амп­ литуда 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 приходит в состояние динамического равновесия, прису-

174

17 5

1 — < 0,2, 2 — 0,2—0,4, 3 — 0,4—0,6, 4 — 0,6—0,8, 5 — 0,8—1,0, 6 — 1,0—1,2, 7 — 1,2—1,4, 8 — > 1,4

воздуха полив дождеванием с нормой около 1000 м3/га в услови­ ях активной вегетационной деятельности на почвах тяжелого механического состава. В этих условиях концентрации О2 умень­ шается до 10,0% и ниже, а СО2 накапливается до 5—7%. В поч­ ве образуются микрозоны анаэробиозиса, и в почвенном воздухе появляются аналитически уловимые концентрации микрогазов: сероводород, метан, этилен, которые являются токсичными.

Кроме того, повышенные концентрации диоксида углерода в прикорневых зонах вызывают снижение интенсивности поглоще­ ния воды корневыми волосками, т. е. снижается интенсивность транспирации воды при высоком уровне физического испарения влаги с поверхности почв. Все это уменьшает эффективность поливов и требует разработки мероприятий, направленных на оптимизацию водно-воздушного режима почв при орошении.

Глава девятая

ПОГЛОТИТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ ПОЧВ

Поглотительной способностью почвы называется ее свойство обменно либо необменно поглощать различные твердые, жид­ кие и газообразные вещества или увеличивать их концентрацию у поверхности содержащихся в почве коллоидных частиц.

Учение о поглотительной способности почв разработано в трудах К. К. Гедройца, Г. Вигнера, С. Маттсона, Е. Н. Гапона, Б. П. Никольского, Н. П. Ремезова, И. Н. Антипова-Каратаева, Н. И. Горбунова. Наиболее полно характеристика поглотитель­ ной способности почв изложена в работах К. К. Гедройца, кото­ рый выделил пять ее видов.

176

Рис. 34. Динамика состава почвенного воздуха южного чернозема при поливе дождеванием нормой 500 м3/га

9.1.Виды поглотительной способности почв

1.Механическая поглотительная способность — это свойство почв поглощать поступающие с водным или воздушным потоком твердые частицы, размеры которых превышают размеры почвен­ ных пор. От размера и формы пор зависят крупность задержива­ емых частиц и глубина их проникновения в почву. Вода, проходя сквозь почвенную толщу, очищается от взвесей, что позволяет использовать это свойство почв и рыхлых пород для очистки питьевых и сточных вод. При строительстве оросительных систем свойство почв поглощать твердые частицы используется для заиливания дна и стенок каналов в целях уменьшения потерь воды на фильтрацию (кольматирование каналов, водохранилищ).

177