Газообмен между почвой и атмосферой.

Свойства почв, определяющие процессы обмена почвенного воздуха с атмосферным, называется газообменом или аэрацией. Газообмен осуществляется через систему почвенных пор, сообщающихся между собой и атмосферой. Аэрация почв – это величина фактического содержания воздуха в почве, выраженная в объемных процентах. Величина аэрации характеризует разность между общей скважностью и влажностью почвы. Чем выше влажность, тем меньше аэрация, так как большая часть объема почвы занята влагой. Максимальная степень аэрации характерна при воздушно-сухом состоянии почв, минимальная – при избыточном увлажнении почв вследствие близкого залегания грунтовых вод, поверхностном заболачивании или затоплении, а также в условиях водоносных горизонтов.

Основными факторами газообмена в почве являются:

1. атмосферные условия, к которым относятся амплитуды колебания температур воздуха (суточные и годовые), амплитуды колебаний атмосферного давления (суточные и годовые), температурные градиенты на поверхности раздела почва – атмосфера, движение атмосферного воздуха, осадки и характер их распределения, характер испарения и транспирации;

2. физические свойства почвы, к которым относится гранулометрический состав, структура, состояние поверхности, плотность, пористость, температурный режим, влажность;

3. физические свойства газов, к которым относятся скорость диффузии, градиенты концентраций газов в почвенном профиле и на границе раздела сред, их гравитационный перенос под действием силы тяжести, способность к сорбции – десорбции на твердой фазе почвы, растворение в почвенных растворах и дегазация;

4. физико-химические реакции в почвах, к которым относятся обменные реакции между ППК – почвенным раствором – газовой фазой, а также окислительно-восстановительные реакции.

Основным механизмом переноса газов является диффузия. Диффузия – это процесс перемещения газов, связанный с их различной концентрацией в почве и атмосфере (градиентом концентрации). В почвенном воздухе концентрация кислорода всегда меньше, а углекислого газа больше, чем в атмосфере. Поэтому под влиянием диффузии создаются условия для поступления в почву кислорода и выделения в атмосферу углекислого газа.

Поток газообразного вещества (Q_S), протекающего через единицу площади почвенной среды за единицу времени, рассчитывается уравнением молекулярной диффузии (первый закон Фике):

где: D_S – коэффициент диффузии газа в почве, см² · с;

с - концентрация газа в почвенном воздухе, мг/см³;

z – глубина слоя, см.

Остальные факторы в большей или меньшей степени связаны с диффузией. Они изменяют градиенты концентрации газов или изменяют свойства среды, через которую идет диффузия.

Формы почвенного воздуха.

Почвенный воздух находится в почве в трех состояниях: собственно почвенный воздух (свободный и защемленный), адсорбированный и растворенный.

Свободный почвенный воздух – это смесь газов и летучих органических соединений, которые размещаются в капиллярных и некапиллярных почвенных порах. Он обладает большой подвижностью и способен свободно перемещаться в почве и активно обмениваться с атмосферой.

Защемленный почвенный воздух – воздух, который находится в порах, со всех сторон изолированных водными пробками. Максимальное количество защемленного воздуха имеют тонкодисперсные уплотненные почвы. Этот воздух неподвижен и практически не участвует в газообмене между почвой и атмосферой. Он препятствует фильтрации воды, может вызывать разрушение почвенной структуры.

Растворенный почвенный воздух – это газы, растворенные в почвенной воде. Взаимоотношение жидкой и газообразной фаз почвы определяется режимом температуры и давления, а также концентрацией газов в свободном почвенном воздухе.

Количество растворенных газов подчиняется закону фазового равновесия Генри:

где: С – массовая концентрация газа, растворенного в воде, мг/л,

λ – коэффициент растворимости газа в воде, мг/л,

р – парциальное давление газа в почвенном воздухе, МПа,

10,2 – нормальное атмосферное давление, МПа.

Повышение давления повышает растворимость газов, понижение давления способствует переходу газов из почвенного раствора в почвенный воздух. Увеличение концентрации того или иного газа в составе почвенного воздуха вызывает увеличение этого газа в почвенном растворе. Понижение температуры почвы приводит к повышению растворимости всех почвенных газов. Хорошо растворяются в воде аммиак, сероводород, углекислый газ, Растворенные газы проявляют высокую активность. С насыщением почвенного раствора СО₂ повышается растворимость карбонатов, гипса, других соединений. Растворимость кислорода небольшая. Растворенный кислород поддерживает окислительные свойства почвенного раствора. С повышением температуры окислительные процессы ослабевают и происходит выпадение из растворов карбонатов. Растворенные газы играют большую роль в обеспечении физиологических потребностей почвенной флоры и фауны.

Адсорбированный почвенный воздух – это газы и летучие органические соединения, сорбированные поверхностью твердой фазы почвы. Чем выше степень дисперсности почвы, тем больше сорбированных газов при данной температуре она содержит. Количество сорбированного воздуха зависит от минералогического состава почв, их влажности и количества органических веществ. Адсорбция газов сильнее проявляется в почвах тяжелого гранулометрического состава, богатых органическим веществом. Наибольшее количество адсорбированного воздуха характерно для сухих почв, активнее поглощающих воду, чем газы.

Количество адсорбированных газовых компонентов (Г) можно рассчитать при помощи уравнения изотермы адсорбции Ленгмюра:

где: Г_∞ - предельное значение адсорбции насыщения на единицу

поверхности адсорбента, мг,

С – равновесная концентрация газа в системе, мг/л,

K – эмпирический коэффициент.

Газы сорбируются в зависимости от строения их молекул и дипольного момента. Хуже всех сорбируется N_2, лучшими сорбционными способностями обладает кислород и углекислый газ, самая высокая сорбция – у NH₃.