Воздушные свойства и воздушный режим почв и приемы их регулирования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство сельского хозяйства РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пермская государственная сельскохозяйственная академия имени академика Д.Н. Прянишникова»

Факультет почвоведения, агрохимии, экологии и товароведения

Кафедра почвоведения

УДК 631.433

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Почвоведение» на тему:

«Воздушные свойства и воздушный режим почв и приемы их регулирования»

Выполнил студент группы, ПВБ-11-а

Ковязин Николай Николаевич

Руководители кандидат с/х наук,

профессор А.А. Васильев

Пермь 2016

Содержание

Введение

1. Понятие о почвенном воздухе и история изучения воздушной фазы почв

2. Воздушные свойства почвы

2.1 Воздухоемкость

2.2 Воздухопроницаемость

2.3 Аэрация

3. Почвенный воздух и его характеристика

3.1 Формы почвенного воздуха

3.2 Состав почвенного воздуха

4. Воздушный режим почвы и приемы его регулирования

5. Воздушные режимы почв России

Список использованных источников

Введение

Воздушный режим почв -- это изменение состава и концентрации почвенного воздуха в профиле почвы во времени (за определенный промежуток времени). Воздушный режим почв характеризуется обычно суточной, сезонной, годовой и многолетней динамикой O₂ и СO₂. Динамика CO₂ и O₂ связана с жизнедеятельностью почвенных животных, микроорганизмов и растений, а также газообменом почвы с атмосферным воздухом.

Почвенный воздух -- один из факторов жизни растений. Кислород воздуха необходим для прорастания семян, дыхания корней растений, почвенных микроорганизмов. Он участвует в реакциях окисления минеральных и органических веществ. При окислении органического вещества почвы происходит круговорот углерода, азота, фосфора и других элементов питания. При недостатке кислорода ослабляются дыхание, обмен веществ, а при отсутствии в почве свободного кислорода прекращается развитие растений. Косвенное влияние недостатка кислорода в почве связано с понижением окислительно-восстановительного потенциала, развитием анаэробных процессов, образованием токсичных для растений соединений, снижением доступных питательных веществ, ухудшением физических свойств почвы. Все это в конечном итоге способствует снижению плодородия почвы и урожая растений.

Динамика О₂ и СО₂ почвенного воздуха зависит от типа почвы, ее физических и биологических свойств, химического состава, времени года, погодных условий, а также от использования земель. В обрабатываемой почве состав воздуха обусловлен агротехникой и фазой развития возделываемой культуры. От содержания влаги в почве и температуры зависят биологические и биохимические процессы, а, следовательно, интенсивность потребления кислорода и продуцирование диоксида углерода. Огромное количество почвенных организмов в процессе дыхания потребляют кислород и выделяют СО₂. Основные потребители кислорода в почве -- корневые системы растения, микроорганизмы и почвенные животные. воздушный почва химический фаза

Таким образом, почвенный воздух играет большую роль в росте и развитии растений, жизни микроорганизмов, в процессах почвообразовании и многом другом. Именно поэтому этот вопрос на сегодняшний день крайне актуален и нуждается в исследовании.

Цель работы: на основе обзора научной литературы раскрыть понятия воздушные свойства, воздушный режим почвы и приемы их регулирования.

Задачи курсовой работы:

1) Ознакомиться с историей изучения почвенного воздуха и основными понятиями о почвенном воздухе.

2) На основе обзора литературы выявить основные свойства воздушной фазы почв: воздухоемкость, воздухопроницаемость и аэрация.

3) Выявить основные характеристики почвенного воздуха и ознакомиться с химическим составом воздушной фазы почвы.

4) На основе обзора литературы показать воздушные режимы почв России и приемы его регулирования.

1. Понятие о почвенном воздухе и история изучения воздушной фазы почв

Газы и дисперсные системы атмосферного воздуха находятся в постоянном взаимодействии с сушей, океаном и живым веществом биосферы. Почва занимает ключевую позицию в регулировании газообмена в этой системе и служит для большинства соединений источником и стоком. Как и водные бассейны, почва может поглощать и выделять газы в зависимости от их концентрации, температуры, влажности и состояния поверхности. Поверхность почвенного покрова является в то же время и поверхностью раздела между литосферой и атмосферой.

Газовая фаза почвы, или почвенный воздух, одна из наименее изученных ее составных частей. Еще менее изучена газовая функция почвы - глобальная биогеохимическая роль почвенных газов, роль почвенных газов в экосистемах биосферы, роль газообмена между почвой и атмосферой. Лишь в самых общих чертах известны газовый состав почвенного воздуха, почвенное дыхание - поглощение почвой кислорода и выделение диоксида углерода, динамика газообмена между почвой и приземным слоем атмосферного воздуха. Практически весь диоксид углерода приземной атмосферы, являющийся основой фотосинтеза и начальным звеном всех биосферных процессов, а, следовательно, и основой жизни на Земле, имеет почвенное происхождение, по крайней мере на современном этапе развития биосферы планеты. В биологический круговорот веществ биосферы вовлекается постоянно именно тот диоксид углерода, который поступает из почвы в результате почвенного дыхания.

В последнее время интерес к составу и свойствам почвенного воздуха существенно возрос в связи с экологическими проблемами, связанными с динамикой состава атмосферы. Особое внимание исследователями уделяется ее микрокомпонентному составу, в который входят множество неорганических постоянных газов (CO₂, H₂, CH₄, N₂O, H₂S и др.) и органических летучих соединений. Изменения состава атмосферы в результате выбросов промышленных и энергетических предприятий, работы транспорта, изменений растительного покрова, деятельности вулканов и так далее, могут вести к необратимым, зачастую непрогнозируемым, отрицательным эффектам в функционировании биосферы как в целом, так и отдельных ее компонентов.

Особенностью почвы является ее дисперсность. Если представить себе почву абсолютно сухой, то она состояла бы из твердых минеральных и органоминеральных частиц, промежутки, или поры, между которыми заполнены воздухом. Однако рассматриваемый случай является гипотетическим, так как в абсолютном большинстве случаев в почве всегда содержится некоторое количество воды. Часть объема всей почвы, занятая воздухом, носит название общей пористости почвы. Пористость может быть выражена в долях единицы, однако, как правило, она выражается в процентах ко всему объему почвы. Мы видели выше, что у самых рыхлых почв общая пористость достигает 60--65%, в то время как в самых плотных почвах и почвообразующих породах. она бывает ниже 25%.

Как правило, часть пор занята водой, и суммарный объем воздушных пор уже значительно меньше. Часть объема влажной почвы, занятая воздухом, носит название свободной пористости, или воздухоемкости. Следовательно, воздухоемкость меньше общей пористости на величину объема пор, занятых водой. Если общая пористость, скажем, составляет 50%, а объем, занимаемый водой, 18%, то воздухоемкость составляет 32% ко всему объему почвы. Соотношение. между объемами, занятыми воздухом и водой в почве, является важнейшей характеристикой почвы в каждый момент. Однако для интенсивности и направления биологических процессов в почве не менее важную роль играет не только общая и свободная пористость, но и состав почвенного воздуха.

Впервые установил количественный состав воздуха французский ученый Антуан Лоран Лавуазье. Он в 1774 году смог доказать, что в нормальном состоянии атмосферный воздух состоит из смеси газов.

И А.А. Околелова (2013) доказала это, проведя анализ и выявив, что атмосферный и почвенный воздух обычно имеют следующие составы (воздух/почва): азота--78/78(86)%, кислорода -- 21/10(20)%, углекислого газа -- 0,03/0,1(15)%, аргона -- 0,93%, на долю неона, криптона, ксенона, озона, радона, водорода приходится всего 0,01%. Под влиянием процессов, происходящих в почве, почвенный воздух подвергается непрерывным изменениям.

Основные изменения в составе почвенного воздуха происходят в процессе жизнедеятельности почвенных микроорганизмов и корней высших растений. Как Мировой океан и растительный покров существенный вклад в функционирование атмосферы оказывает почвенный покров планеты, который может выступать генератором микрогазов, глобальным фильтром (сорбентом) этих газов. Состав почвенного воздуха и его динамика отражают течение множества элементарных почвенных процессов, так как микрогазы и летучие органические компоненты являются промежуточными, а часто и конечными продуктами этих процессов. Так, диоксид углерода - конечный продукт минерализации органического вещества в почвах, азот и его окислы -продукты денитрификации, водород - продукт азотфикации и различных типов брожения, летучие карбоновые кислоты отражают напряженность анаэробиоза в почвах, а содержание кислорода - его уровень. Ряд газов, например, H₂S образуются в почвах, там же трансформируются и, видимо, не поступают в аэротоп (локальную атмосферу биогеоценоза); другие (CO, CO₂, H₂, CH₄, N₂O) образуясь в почвах, формируют вместе с газовыделениями наземных организмов состав аэротопа. Микроорганизмы потребляют значительные количества кислорода и продуцируют углекислоту. То же можно сказать о корневых системах растений. Наряду с этим некоторые микроорганизмы, разлагая углеводы, образуют углекислоту и метан.

Интересные данные, позволяющие оценить масштаб этих процессов, приводит Э. Рассел (1955). Согласно им, в разных почвах полей Ротамстеда (опытная станция в Англии) в зависимости; от удобрительного фона может содержаться от 1 до 3,7 млрд. бактерий на 1 г почвы. Автор применяет следующий расчет для определения веса бактерий, обитающих в пахотном слое (верхние 15 см) 1 га почвы. Объем одной бактерии принят равным одному кубическому микрону. Вес 3 млрд. бактерий (в 1 г почвы), по мнению автора, составит 3 мг на 1 г почвы. При весе почвы 2600 т/га в пределах пахотного слоя живой вес бактерий составит 7,5 т на 1 га, или 1,5 г в пересчете на сухой вес. Это значит, что бактерии составляют около 1% к весу гумуса.

Характерно, что расчеты И. В. Тюрина(1940) также привели его к тому, что микробная масса (сухой их вес) составляет 1 т на 1 га и лишь в редких случаях может составить 1 % к массе гумуса. В большинстве же случаев это составляет десятые доли процента. Из этих хорошо согласующихся данных Э. Рассела и И. В. Тюрина ясно видно, что масса тел микроорганизмов ничтожна по сравнению со всей массой органического состава почвы и ее роль в качестве источника питания растений вряд ли может приниматься во внимание. Тем не менее, необходимо отметить, что без микроорганизмов нет почвы. Сама почва в значительной степени является продуктом жизнедеятельности микроорганизмов.

Чем выше уровень процессов жизнедеятельности бактерий, тем больше потребляется кислорода и, тем выше содержание углекислоты. Известны опыты, в которых в почву вносилось органическое вещество как питательная среда для микробов (например, крахмал); содержание кислорода при этом резко падало.

По данным Л. Ромеля (1972), при 15°С ежедневно выделяется 7-- 10 л углекислоты с 1 м² почвы. В южной Швеции под лесной растительностью в июле выделяется 2,8 л/м² углекислоты. в день. Автор подсчитал, что если углекислота не отводится из почвы, то концентрация ее в 20-сантиметровом слое удвоится за 1,5 часа и удесятеряется за 14 часов.

Опыты Н. П. Поясова(1954) в полевых условиях под Ленинградом при сравнительно низких осенних температурах показали, что за 48 часов при отсутствии отвода газов, в почвенном воздухе наблюдалось накопление 4,2% углекислоты, а кислорода оставалось всего 13,5%. По расчетам автора, здесь продуцировалось 35 мл углекислоты на 1 м²/час.

Интенсивность процесса образования углекислоты и потребления кислорода в значительной степени обусловливается температурой в почве, так как от нее зависит уровень процессов жизнедеятельности микроорганизмов.

Скорость образования углекислоты и потребления кислорода не остается постоянной ни в течение лета, ни в течение суток. Она также зависит от влажности почвы, замедляясь и полностью прекращаясь при сухой почве. Особенно большое значение для потребления кислорода и образования углекислоты имеет высшая растительность. Установлено, что в почве, окружающей корни растений, углекислоты больше, чем в остальном ее объеме. Особенно много углекислоты накапливается под люпином. В опытах А. А. Кудрявцевой(1972) в условиях стерильных культур горох на создание 1 г сухого вещества расходует корнями кислорода 1,2--1,6 мг/г, а кукуруза -- лишь 0,35 мг. В нестерильных условиях, где действуют микроорганизмы, расход кислорода достигал 67 мг/г сухого вещества.

Таким образом, можно констатировать, что в почве идет непрерывный процесс образования углекислоты и уменьшения содержания кислорода. Следовательно, если бы все образующееся оставалось в почве, сравнительно быстро мог быть израсходован весь кислород из почвенного воздуха и весь объем, ранее занятый кислородом, был бы занят углекислотой.

По данным Л. Ромеля, получившим подтверждение в исследованиях других авторов, для сохранения нормального со¬ става почвенного воздуха в слое 0--20 см обновление его должно происходить целиком ежечасно. При несоблюдении этого требования будет сокращаться содержание кислорода и нара¬ стать количество углекислоты в почвенном воздухе. Однако в природных условиях это явление не наблюдается или имеет место лишь в редких случаях. Причиной этого является непрерывно протекающий другой процесс -- отвод из почвы избытка углекислоты и приток кислорода из атмосферного воздуха в почвенный. Описанные процессы происходят под влиянием воздухообмена и газообмена между почвенным и атмосферным воздухом. Следует также учитывать, что по мере резкого снижения содержания кислорода и повышения концентрации углекислоты в почвенном воздухе процессы образования углекислоты затормаживаются, скорость их снижается.

Содержание кислорода и углекислоты в почвенном воздухе является важным фактором жизнедеятельности почвенных микроорганизмов. Вместе с тем деятельность микроорганизмов и процессы роста и накопления урожая высших растений тесно связаны с составом почвенного воздуха. Однако при всей важности отмеченных здесь закономерностей в литературе приведено весьма мало количественных показателей этой зависимости. Совсем мало данных по рассматриваемым закономерностям, полученных в регулируемых условиях, например, в камерах искусственного климата, в фитотронах и других устройствах, где точно поддерживаются внешние условия жизни микроорганизмов и высших растений.

Дыхание корней тесно связало с содержанием кислорода в почве. По данные В. А. Новикова (1972), содержание в почвенном воздухе 7--12% кислорода, что, по мнению автора, имеет место лишь в хорошо обрабатываемых структурных почвах, обеспечивает интенсивное дыхание корней, хороший их рост и активное поглощение ими минеральных веществ. В тяжелых глинистых плохо аэрируемых почвах, где наблюдается снижение содержания кислорода до 1--2%, рост корней замедляется, поглощение воды и питательных веществ ограничивается, а рост надземной части растений прекращается. Из этого следует, что В. А. Новиков допускает случаи резкого угнетения растений вследствие острого недостатка кислорода.

М. Б. Рассел (1965) также приводит данные о том, что кислород имеет важное значение во всех процессах жизнедеятельности корней растений: в дыхании, поглощении воды и питательных веществ. Однако у него мы встречаем указание, что реакция раз¬ личных видов растений на содержание кислорода в почвенном воздухе различна. Причем крайними в ряду растений являются водные, с одной стороны, и обитающие на хорошо аэрируемых почвах -- с другой.

Сейчас имеются данные о том, что реакция растений на содержание того или иного количества кислорода в почве в значительной степени зависит от температуры среды. Так, если в почвенном воздухе содержится 3% кислорода, то угнетение растений отмечается три температурах 18--30°С. При содержании 10% кислорода в почвенном воздухе «нормальное развитие растений отмечалось при 18°, а гари 30°С скорость роста замедлялась. Отсюда следует, что в «пределах нормальных для жизни растений температур потребная для корней концентрация кислорода. в почвенном. воздухе тем выше, чем выше температура почвы.

Причина этого явления лежит в снижении растворяемости кислорода в воде и в повышении процессов дыхания растений при повышении температуры. Последнее связано с повышенным расходом кислорода.

Другая важная закономерность заключается в том, что рост корней может продолжаться (при сравнительно низком содержании кислорода в почвенном воздухе, но при обязательном условии непрерывного поступления его из атмосферы.

Д. Бойнтон (1972) получил очень интересные критические величины концентраций кислорода *в почвенном воздухе для корней яблони. Если в период активного роста яблони диаметр корней превышает 1 мм, то низшим пределом содержания кислорода можно считать 3%. При концентрации кислорода менее 1% корни заметно теряют в весе. Для активного роста кончиков корней оказалось необходимым повысить концентрацию кислорода до 5--10%, а для появления новых корней -- до 12%. Однако для нормального хода поглощения воды и питательных веществ корнями содержание кислорода должно быть не ниже 15%. На проростках вблизи яблони установлено, что если содержание (кислорода не достигло 16%, то (происходило развитие корней и снижение общего содержания волы.

Очень интересны опыты, проведенные в Агрофизическом институте П. В. Вершининым, Н. В. Кириленко(1958) по выявлению влияния состава почтенного воздуха нa рост хлопчатника. Опыт был проведен в вегетационных сосудах в оранжерее. В почву подавались смеси газов известного состава. Причем в воздушном составе нарастало `содержание углекислоты, но без существенного снижения содержания кислорода, т. е. увеличение содержания углекислоты шло за счет снижения содержания азота. Опыт показал, что в этих условиях заметного замедления роста хлопчатника не замечалось даже ори 30% содержания углекислоты в газовой смеси.

О. Леонард и И. Пикнард (1972) измерили рост корней хлопчатника [в условиях водной культуры при постоянном содержании в растворе углекислоты в количестве 10% и пришли к заключению, что рост корней не претерпевает изменения, если количество (кислорода изменялось от 10 до 21%. Снижение содержания кислорода до 5%, а также повышение до 90--100% заметно задерживало рост корней.

И. П. Гречин (1972) пришел к заключению, что переход от аэробных условий к анаэробным отри оптимальной температуре и влажности наблюдается три содержании кислорода около 2,5% к объему почвенного воздуха. При низких положительных температурах или небольшом содержании влаги в почве анаэробные процессы не развиваются даже три снижении концентрации кислорода до 0,5%. Итоги исследований и сделанные выводы представляют большой интерес для земледелия и почвоведения, и поэтому они должны подвергнуться дальнейшему уточнению.

Реакция растений на содержание кислорода в почвенном воздухе ясно проявляется при постановке опытов с переменными температурами в почве. На рисунке приведен график Б.А. Кина (1972), из которого ясно видно, что содержание кислорода 2% при температуре до 20° С существенно не сказывается на росте корней. В то же время при более высоких температурах для нормального роста корней необходимо более высокое содержание кислорода.

Рисунок 1 Зависимость роста корней от содержания кислорода и температуры почвы. Б.А. Кина (1972) Примечание: 1 - нормальное содержание О₂; 2 - недостаток О₂

Приведенные данные о зависимости условий роста корней самих растений от температуры и содержания кислорода не отличаются высокой согласованностью, а в некоторых случаях даже противоречат друг другу.

Это, несомненно, объясняется разнообразием методов и недостачной достоверностью данных, полученных авторами. Кроме того, различная реакция растений на содержание кислорода и углекислоты во многом зависит от особенностей самого растения, от его вида, анатомического строения, от характера синтетической деятельности данного организма. Тем не менее, приведенные данные позволяют сделать вполне обоснованный вывод о том, что накопление в почвенном воздухе углекислоты в пределах до 10%, а в некоторых случаях и более, при сравнительно высоком содержании кислорода (более 10--15%) или при низком его содержании, но в условиях бесперебойного воздухообмена с атмосферным воздухом может лишь в очень слабой степени замедлить рост растений. В большинстве случаев это вообще не скажется на условиях жизни растений.

Необходимо, однако, учитывать, что содержание в почвенном воздухе значительного количества углекислоты может оказаться не только непосредственно на биологических процессах, то и оказать косвенное воздействие на условия жизни растений и микроорганизмов, изменяя соответствующие процессы почвообразования. Так, по данным Р.Бретфильда, Л.Батжера и И.Оскемпа (1972), в зависимости от условий аэрации существенно изменяется состояние некоторых соединений в почве (табл. 1).

Эти данные убедительно говорят о значении нормального состава почвенного воздуха для питания сельскохозяйственных растений. Однако следует учитывать, что восстановленная форма некоторых элементов характерна лишь для почв, пересыщенных водой. Повышенное содержание углекислоты воздействует на pH среды, почвенный раствор при этом подкисляется, резко меняется растворимость углекислого кальция.

Необходимо также учитывать, что чем `больше в почве углекислоты, тем больше ее выделяется из почвы в приземный Слой воздуха. А повышение содержания углекислоты в воне надземной части растений часто приводит к заметному повышению уровня фотосинтетической деятельности зеленых растений, а нередко и к заметному повышению их продуктивности.

Изучением почвенного воздуха занимались многие другие ученые, начала ХХ века и продолжают изучаться по сей день. Вот например некоторые уже обще принятые мнения о почвенном и атмосферном воздухе:

Таблица 1

Формы химических соединенией в зависимости от аэрации почв Р. Бретфильд (1972)

Химически элемент	Нормальная форма элемента в хорошо аэрированных почвайх	Востановленная форма элемента в насыщенных водой почвах
Углерод	CO2	CH4
Азот	NO3	NH2, NH3
Сера	SO4	H2S
Железо	Fe+3	Fe+2
Марганец	Mn+3	Mn+2

Между подземной и надземной атмосферами наблюдается постоянный газообмен, подчиняющийся законам диффузии. Почвенный воздух тайги, тундр, степей, пустынь и других ландшафтов различен. Различна и интенсивность газообмена в различных биоценозах. Среди различных типов экосистем леса обладают наивысшей интенсивностью газообмена. (Вернадский В.В., 1960).

В почве - сложной гетерогенной среде - воздушный режим не может определяться только биологическими факторами. Значительную роль в почвенном газообмене играют физико-химические процессы, в первую очередь сорбционные. В последнее время в литературе появились данные, относящиеся к изучению взаимодействия СО₂ о различные вещества. Всестороннее изучение взаимодействия почвенного и атмосферного воздуха требует разработки своих методических подходов. При взаимодействии почвенного и атмосферного воздуха особенно важно изучить и определить потоки газов серии С, N₂, 0₂, S₂. (Пельтцер А.С., 1980).

И эти слова смогла доказать А.А. Околелова (2013) утверждая, что одной из существенных экологических функций почв является ее активное и непрерывное участие в круговороте диоксида углерода. Большая его часть образуется в почве при разложении органических остатков микроорганизмами, а также за счет дыхания живых организмов, в том числе и корней высших растений. Основной поток углекислого газа обусловлен жизнедеятельностью микроорганизмов. И треть приходится на долю корней. Важнейшим фактом, на который практически не обращают внимание, является тот, что атмосфера на 90 % обогащается СО₂ за счет его диффузии из почвенного воздуха (таблица 2).

Таблица 2

Интенсивность дыхания почв, т/год (А.А. Околелова 2013)

Тип почвы	Количесво СО2, т/год
Торфо - глеевые почвы тундры	0,3
Подзолистые почвы хвойных лесов	3,5-30
Бурые и лесные почвы широколиственных лесов	20-60
Степные черноземы	40-70
Почвы субтропиков и тропиков	50-90

Почвенных воздух существенно отличается от состава и количественных соотношений компонентов атмосферного воздуха. Почвенный воздух обеспечивает растения СО₂ при условии его постоянного обмена с атмосферным. За сутки обновляется 10-15 % состава почвенного воздуха (таблица 3).

Таблица 3

Годовая динамика изменения газов в зональных почвах России (А.А. Околелова, 2013)

Тип почвы	Содержание О2, %	Содержание СО2, %
Серая лесная	19,2-21	0,2-0,6
Чернозем обыкновенный	19,5-20,9	0,05-0,6
Чернозем южный	19,5-20,9	0,05-0,6
Каштановая почва	19,8-20,9	0,05-0,6
Серозем	20,1-21,0	0,05-0,3

2. Воздушные свойства почвы

Состояние и поведение почвенного воздуха в профиле почвы определяется совокупностью ряда физических свойств почв, которые называются воздушно-физическими свойствами. Наиболее важными из них являются воздухоемкость, воздухообмен, воздухопроницаемость.

2.1 Воздухоемкость

Общей воздухоемкостью почв называют максимально возможное количество воздуха, выраженное в объемных процентах, которое содержится в воздушно-сухой почве. Величину общей воздухоемкости (P_at) можно определить по формуле [1]:

P_at= P - P_wh

Где Р - общая порозность почвы

P_wh - объем гигроскопической влаги % [1]

Воздухоемкость почв зависит от их гранулометрического состава, сложения, степени агрегированности структуры. По характеру влияния на состав почвенного воздуха различают капиллярную и некапиллярную воздухоемкость.

Почвенный воздух, размещенный в капиллярах малого диаметра, характеризует капиллярную воздухоемкость почв. Высокий процент капиллярной воздухоемкости указывает на малую подвижность почвенного воздуха, затрудненную транспортировку газов в почвенном профиле и за его пределы, на высокое содержание защемленного и сорбированного воздуха. Преобладание капиллярной воздухоемкости характерно для тяжелоглинистых, бесструктурных, плотных, набухающих почв. При высоких уровнях увлажнения капиллярная воздухоемкость обеспечивает слабую аэрацию почв, создает анаэробные зоны и благоприятствует развитию внутрипочвенного оглеения.

Существенное значение для обеспечения нормальной аэрации почв имеет некапиллярная воздухоемкость или порозность аэрации, то есть воздухоемкость меж агрегатных пор. Она включает крупные поры, трещины, межструктурные полости, ходы корней и червей в почвенной толще и связана, в основном, со свободным почвенным воздухом. Некапиллярная воздухоемкость определяет количество воздуха, существующего в почвах при их капиллярном насыщении влагой. Она вычисляется по уравнению[2]:

Р_а= P_at - Р_с

где Р_а - порозность аэрации %

Р_с - капиллярная порозность %[2]

Наибольших значений некапиллярная воздуховмкость достигает в хорошо оструктуренных, слабоуплотненных почвах (25-30%). Разделение капиллярной и некапиллярной воздухоемкости при исследованиях почвенного воздуха важно потому, что состав газов в крупных и мелких порах может существенно отличаться, так как скорость передвижения газов в различных порах неодинакова. Однако методы, используемые до последнего времени для определения состава почвенного воздуха, требовали относительно больших объемов проб и в результате исследователи получали суммарные концентрации газов

2.2 Воздухопроницаемость

Воздухопроницаемостью (газопроницаемостью) называют способность почвы пропускать через себя воздух. Воздухопроницаемость контролирует скорость газообмена между почвой и атмосферой. Она зависит от гранулометрического состава почвы и ее оструктуренности, от плотности сложения, влажности, от величины и конфигурации порового пространства, трещиноватости, степени перерытости почвенной мезофауной. Воздухопроницаемость определяется, главным образом, некапиллярной порозностыо. Особое внимание при исследовании воздухопроницаемости следует обращать на состояние поверхности почвы, ее разрыхленность, наличие корок, трещин. Высокая трещиноватость почв, обусловливая очень высокую воздухопроницаемости, способствует созданию в них сверхаэрации, приводящей к ускоренному разложению органических веществ.

2.3 Аэрация (Воздухообмен)

Обмен газами между почвенным воздухом и атмосферой называется аэрация (газообменом или воздухообменом) почвы. Воздухообмен определяется большим количеством факторов, как непосредственно почвенных, так и важнейших по отношению к ней. Наибольшее значение имеет:

1) Атмосферные условия - суточная и сезонная амплитуда колебаний атмосферного давления, суточная и сезонная динамика температур, температурные градиенты на поверхности раздела почва-атмосфера, турбулентность атмосферного воздуха, количество осадков и характер их распределения.

2) Физические свойства почв - гранулометрический состав, структура, плотность сложения, состояние поверхности, количество и качество пор аэрации, трещиноватость, температурный режим почв и режим их влажности.

3) Физические свойства газов - скорость диффузии, градиенты концентраций газов в почвенном профиле и на границе раздела почва-атмосфера, гравитационный перенос газов под действием градиентов тяжести, способность к сорбции-десорбции на твердой фазе, растворение в почвенных растворах и дегазация.

4) Физико-химические реакции в почвах - обменные реакции между газовой фазой, почвенным раствором, почвенным поглощающим комплексом, 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 изменения свойства среды, через которую идет диффузия. Конвективный (под действием градиентов температур) и гравитационный (под действием градиентов масс) газопереносы, а также перенос газов при изменениях атмосферного давления имеют подчиненное значение. (Б.Г. Розанов, 1985)

3. Почвенный воздух и его характеристика

Почва - пористая система, в которой практически всегда в том или ином количестве присутствует газовая фаза. Газы, заполняющие свободное от воды поровое пространство почвы, называются почвенным воздухом. Газовая фаза - наиболее, мобильная составная часть почв, изменчивость которой отражает биологические л биохимические ритмы почвообразования. Газы и летучие органические соединения находятся в почве в нескольких физических состояниях: собственно, почвенный воздух (свободный и защемленный) адсорбированные и растворенные газы.

3.1 Формы почвенного воздуха

Свободный почвенный воздух - это смесь газов и летучих органических соединений, свободно перемещающаяся по системам почвенных пор и сообщающаяся с воздухом атмосферы. Свободный почвенный воздух обеспечивает аэрацию почв и воздухообмен между почвой и атмосферой.

Защемленный почвенный воздух - воздух, который находится в порах, со всех сторон, изолированных водными пробками. Чем более тонкодисперсна почвенная масса и компактней упаковка ее частиц, тем большее количество защемленного воздуха она может иметь. В суглинистых почвах содержание защемленного воздуха достигает более 12% от общего объема почвы.

В глинистых разностях эта величина еще выше. Защемленный воздух слабоподвижен, участвует в газообмене между почвой и атмосферой только путем диффузии через водную среду, что на несколько порядков ниже, чем скорость диффузии в газовой фазе.

Адсорбированный почвенный воздух - газы и летучие органические соединения, адсорбированные почвенными частицами на их поверхности. Чем более дисперсна почва, тем больше ее удельная поверхность, тем выше силы поверхностного натяжения, тем большее количество газов она может адсорбировать при определенной температуре. Количество сорбированного воздуха зависит от минералогического состава почв, содержания органического вещества, влажности. Песок поглощает воздуха в 10 раз меньше, чем тяжелый суглинок. Мелкодисперсный кварц сорбирует СО2 в 100 раз меньше, чем гумус. Адсорбированный воздух участвует в аэрации почв путем изменения концентраций газов в составе свободного и защемленного почвенного воздуха.

Растворенный воздух - газы, растворенные в почвенной воде. Растворенный воздух также ограничено участвует в аэрации почвы, однако его состав тесно связан с концентрациями газов в свободном почвенном воздухе.

Явления сорбции и десорбции газов твердыми частицами, растворение их в почвенных растворах л дегазации последних при высыхании и повышении температуры довольно сложны и практически не изучены. Например, растворение и дегазация газов в почвенном растворе могут в значительной степени отличаться от растворения в чистой воде. Почвенная вода - это раствор минеральных я органических соединений с динамической концентрацией; растворение газов в ней подчиняется очень сложным взаимодействиям. Кроме того, физически почвенная вода отличается от чистой воды, так как различные формы почвенной воды имеют различную плотность, вязкость, а, следовательно, и различную растворяющую способность. Эти процессы требуют детальных исследований, так как они существенным образом влияют на состав почвенного воздуха и могут внести коррективы в интерпретацию некоторых аналитических данных.

Все почвенные фазы - твердая, жидкая, газообразная и живая тесно связаны между собой и находятся в сложном взаимодействии. Процессы поглощения и выделения газов организмами, сорбция и десорбция, растворение и дегазация, диффузия газов в условиях изменяющихся концентраций газов, температур, давлений, влажности протекают постоянно. Система находится в состоянии динамического равновесия, определяемого динамикой биологической активности и кинетикой газов в пределах почвенного профиля.

3.2 Состав почвенного воздуха

Подчеркивая биогенную природу современного состава земной атмосферы, В.И.Вернадский (1960) большое значение придавал газообмену между ее приземным слоем и почвенным воздухом. Попадая в почву, атмосферный воздух претерпевает значительные изменения.

Изменение концентраций газов в почвенном воздухе происходит, главным образом, вследствие процессов жизнедеятельности микроорганизмов, дыхания корней и почвенной фауны, а также в результате окисления мертвого органического вещества и продуктов жизнедеятельности организмов. Скорость преобразования атмосферного воздуха в почве тем интенсивней, чем выше ее энергетический потенциал, чем выше биологическая активность. Кроме процессов дыхания и разложения органического вещества, трансформация атмосферного воздуха в почве может осуществляться и другими биохимическими реакциями. Так, в условиях анаэробиозиса, даже очень кратковременного, в почвах, засоленных сернокислыми солями, специфические микроорганизмы вызывают превращения сульфатов по реакциям:

Na₂SO₄ + 2C = 2CO₂ + Na₂S

Na₂S + H₂O = Na₂CO₃ + H₂S [3]

Обе эти реакции изменяют концентрацию газов в составе почвенного воздуха. Увеличение доступа кислорода при улучшении аэрации приводит к окислению сероводорода и неэквивалентному поглощению O₂.

в щелочных почвах, содержащих поглощенный натрий и имеющих в составе солей нормальную соду, применение в мелиоративных целях кислот обуславливает реакцию:

Na₂CO₃ +H₂SO₄ = Na₂SO₄ + H₂O + CO₂ [4]

которая также вызывает абиотическое изменение состава почвенного воздуха.

В составе почвенной атмосферы можно выделить макрогазы - газы, постоянно присутствующие в почвенном воздухе, и микрогазы - газы-эфемеры. К макрогазам относятся азот, кислород, углекислый газ.

В работе А.А. Околеловой сказано, что почвенный воздух существенно отличается от состава и количественных соотношений компонентов атмосферного воздуха.

Все газы в почвенном воздухе можно разделить на макрогазы и микрогазы и имеют средние концентрации как в атмосфере, так и в почвенном воздухе. (Табл. 4).

Макрогазы

Азот. Известно, что в формировании почвенного плодородия и питании растений азоту принадлежит важнейшая роль. Потребность растений в азоте удовлетворяется в основном за счет почвенных запасов (Бровкин В.И., 1976)

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 азот - инертный газ, химико-аналитические методы его определения сложны и точность их крайне низка, а хроматографические методы до сих пор пока не имели широкого применения. Судя по определяемым концентрациям O₂ и СO₂, содержание азота в почвенном воздухе ненамного отличается от атмосферного: и в почве азот является преобладающим газом. Исследования динамики содержания молекулярного азота важны при изучении процессов азотфиксации, нитрификации и денитрификации. Поэтому особый интерес представляет динамика сопутствующих ему микроогазов: - N₂O, - NO₂. Диоксид азота, являясь промежуточным продуктом денитрификации, эфемерен (Розанов Б.Г. 1985)

Таблица 4

Содержание различных газов и летучих органических соединений в атмосферном и почвенном воздухе по С.В. Каспарову, Н.С. Панникову (Мамонтов В.Г., 2006)

Газы и летучие органические соединения	Содержание, %
	в атмосфере	в почве
N2	79,1	68 - 73
O2	21,9	5 - 21
CO2	0,03	0,1 - 20
H2	5 10-5	1 - 810-6
CO	110-5	1 - 810-6
NO	110-5	1 - 1010-4
N2O	510-6	4 - 4010-5
SO2	-	310-7
H2S	-	210-7
CH3SH	-	310-7
CH3S	-	110-6
CH4	310-5	1 - 810-7
C2-C2O	2 - 24010-7	1 - 3510-6

Важным представляется изучение содержания в почвенном воздухе эманаций с поверхности почв закиси азота, образование которой связывают с процессами денитрификации. Этот интерес связан с тем, что в научной литературе существует мнение о фотохимическом влиянии азота на озоновый пояс Земли. При этом также образуются вещества типа Пановы, являющиеся токсигенами для биологических объектов. Питание растений на ранних этапах роста и развития обеспечивается по преимуществу запасами нитратного азота. Последующее накопление нитратов в процессе нитрификации во время вегетации служит дополнительным источником питания растений, но не возмещает недостатка азота, если таковой наблюдается в начале вегетации полевых культур. Недостаток азота в начальный период роста резко отрицательно сказывается на всём дальнейшем росте растений. Содержание и запасы нитратного азота в почве зависят от многих факторов - типа почв, количества осадков, температурного режима, предшествующей культуры, способов обработки почвы (Кочергин, 1972)

Наибольшее содержание нитратного азота накапливается в паровых полях (до 140-160 кг/га), что в 2,4 раза превышает его запасы после, например, зернового предшественника (Неклюдов А.Ф., 1990).

Исследованиями Храмцова И.Ф., Юшкевича Л.В. (2013) установлено, что содержание нитратного азота и его распределение по профилю почвы во многом определяется приёмами обработки парового поля. При отвальной технологии подготовки пара содержание нитратного азота выше, чем при снижении глубины обработки, но в обоих случаях оно находится в градации высокой и очень высокой обеспеченности, так же при использовании в севообороте сидеральных культур так же наблюдается увеличение содержания нитратного азота в почве. (Храмцов И.Ф., Юшкевич Л.В, 2013).

Наиболее динамичны из всех газов почвенного воздуха кислород и диоксид углерода. Им принадлежит очень важная роль в жизни почвы и населяющих ее организмов.

Кислород. Огромная роль кислорода в биосфере в целой, и в почвенном воздухе в частности, общеизвестна. Достаточное содержание кислорода обеспечивает необходимый уровень микробиологической деятельности, дыхания корней растений и почвенных животных, при этом в почве преобладают аэробные процессы окисления. Дефицит кислорода угнетает развитие корневых волосков, вызывает массовую гибель всходов растений, провоцирует развитие болезнетворных микроорганизмов, вызывающих корневую гниль. Почва постоянно в течение теплого сезона поглощает кислород и выделяет углекислый газ.

Основные потребители кислорода в почве: корни растений; аэробные микроорганизмы; почвенная фауна; химические процессы. Источником кислорода является атмосферный воздух, который поступает в почвенный воздух диффузно с осадками и оросительной водой. Кислород участвует в актах дыхания растений, и при его отсутствии растения погибают. При недостатке кислорода в почве развивается глеевый процесс, который резко ухудшает агрономические свойства почв, рост и развитие растений. Оптимальное содержание кислорода в почвенном воздухе 19-20 %.

Полный анаэробный процесс, согласно И.П.Гречину, начинается при снижении содержания кислорода до 2,5%, однако длительное сохранение концентрации O₂ порядка 10-15% угнетает воздухолюбивые культуры. Содержание кислорода в почвенном воздухе контролирует окислительно-восстановительный режим почв. Концентрации кислорода в почвенном воздухе различных почв в разные сезоны колеблются в широких пределах, от десятых долей процента до 21%. (профессор Б.Г. Розанова^[6], 1985)

Диоксид углерода (углекислый газ). Существует мнение, что диоксид углерода атмосферы на 90% имеет почвенное происхождение. Процессы дыхания и разложения, непрерывно протекающие в почвах, постоянно пополняют атмосферные запасы СО₂. Биологическое значение этого газа противоречиво. С одной стороны - он обеспечивает ассимиляционный' процесс растений (искусственное повышение концентрации СО₂ в атмосфере теплиц вызывает увеличение скорости фотосинтеза и дает 50%-100% прирост урожая).

В то же время избыток СО₂ в составе почвенного воздуха (более 3%) угнетает развитие растений, замедляет прорастание семян, сокращает интенсивность поступления вода в растительные клетки. Уровни концентраций СО₂ в составе почвенного воздуха пахотных горизонтов редко превшее критические, однако потребности к аэрации у различных культур разные. Аеролюбивые культуры снижают урожайность на слабоаэрированных почвах. Установление граничных концентраций газов для различных сельскохозяйственных культур с целью создания оптимальных условий аэрации почв - важная научная проблема.

А.А. Околелова^[7] в своей работе выявила, что одной из существенных экологических функций почв является ее активное и непрерывное участие в круговороте диоксида углерода. Большая его часть образуется в почве при разложении органических остатков микроорганизмами, а также за счет дыхания живых организмов, в том числе и корней высших растений. Основной поток углекислого газа обусловлен жизнедеятельностью микроорганизмов. И треть приходится на долю корней. Важнейшим фактом, на который практически не обращают внимание, является тот, что атмосфера на 90 % обогащается СО2 за счет его диффузии из почвенного воздуха. Это и определяет актуальность данного исследования. Высока значимость растворенного в воде углекислого газа. Он формирует кислотность почв при отсутствии карбонатов, подкисляя среду. В нейтральных и щелочных почвах СО2, растворенный в воде - главное условие миграции карбонатов. В почвенный воздух углекислый газ поступает в результате его десорбции из твердой и жидкой фаз, в ходе превращение карбонатов в бикарбонаты (в ходе испарения почвенных растворов), и как результат химического окисления органических соединений, минерализации растительных остатков. Вода, насыщенная углекислым газом, растворяет многие труднорастворимые соединения, карбонаты - кальцит, доломит, магнезит, сидерит. Это вызывает миграцию карбонатов в профиле и сопряженных ландшафтах. Под действием увеличивающейся доли СО2 в почвенном воздухе и растворе происходит декарбонизация - вынос (выщелачивание) карбонатов.

Велика почвенно-химическая и геохимическая роль диоксида углерода. Вода, насыщенная CO₂, растворяет многие труднорастворимые соединения - кальцит СаСO₃, доломит CaCO₃*MgCO₃, магнезит MgCO_3, сидерит FeCO₃. Это вызывает миграцию карбонатов в почвенном профиле и в сопряженных геохимических ландшафтах. Вынос (выщелачивание) карбонатов под действием увеличивающейся концентрации СО₂ в почвенном воздухе и в почвенном растворе называется процессом декарбонизации, который обусловлен сдвигом влево равновесия:

Ca(HCO₃)₂ = CaCO₃ + H₂O + CO₂[5]

Этот процесс в настоящее время распространен в зоне активного орошения. Сезонная миграция карбонатов в пределах почвенного профиля определяет своеобразную форму карбонатных новообразований - "псевдомицелий”, связанную с гидротермическими условиями территории и сезонными колебаниями концентрации СO₂.

При интерпретации отношения O₂ к СO₂ в почвенном воздухе часто пользуются термином нормальное кислородное дыхание Д_к. При нормальном кислородном дыхании происходит эквивалентный обмен О₂ на CO2:

[6]

где Д_к - Кислородное дыхание

СО₂ - Концентрация углекислого газа в почве

О₂ - Концентрация кислорода в почве

I - Коэффициент дыхания

Существует целый ряд процессов, дающих отклонения в ту или иную сторону от нормального обмена. Так, при разложении жиров и белков коэффициент дыхания существенно ниже. Растворение СО₂ и связывание его в бикарбонаты может снизить Дк. Разложение богатых кислородом веществ вызывает повышение Дк. Возникновение очаговых анаэробных зон, в которых продуцирование СО₂ может происходить из поглощения О₂, дегазация почвенных растворов и грунтовых вод, разложение бикарбонатов также вызывают увеличение коэффициента Д_к. Эти процессы в ту или иную сторону смещают коэффициент дыхания и в почвах он редко равен единице, хотя и близок к ней.

Микрогазы.

Микрогазы. Наряду с макрогазами в почвенном воздухе содержатся газообразные вещества различной природы, присутствующие в микроколичествах. К ним относятся NO, N₂O, H₂S, CO, водород, аммиак, а также, разнообразные органические соединения - этилен, ацетилен, метан, меркаптаны, эфиры и т.д. В почвенном воздухе обнаружены такие биологически активные компоненты, как летучие витамины, гормоны, фитонциды и т.д., придающие специфические ароматы, например, аромат «спелой почвы».

Содержание микрогазов в почвенном воздухе невелико и обычно не превышают n10^-4-n10^-12 %. Однако в некоторых случаях этого вполне достаточно, для того чтобы оказать токсичное влияние на корневую систему растений и ингибировать жизнедеятельность микроорганизмов. В воздухе некоторых почв газы, обычно присутствующие в микроколичествах, накапливаются в высоких концентрациях (метан и водород в болотных почвах или сероводород в почвах, на которых возделывают рис).

Иногда в составе почвенного воздуха могут присутствовать некоторые газы, диффундирующие через толщи горных пород из мест их скопления. В результате этого явления почвы над нефтяными и газовыми месторождениями бывают обогащены углеводородами, над складами радиоактивных элементов - гелием, радиоактивными эманациями. На этом основаны специальные газовые геохимические методы поисков месторождений полезных ископаемых.

4. Воздушный режим почв и приемы его регулирования

Плотность сложения крайне сильно влияет на воздушный режим почвы. Чем меньше плотность сложения, тем богаче может быть почва воздухом и тем благоприятнее она для возделывания сельскохозяйственных культур.

Исследования Е.К. Кувшиновой (2010) плотности чернозема обыкновенного показали, что она находится в пределах от 0,96 г/см³ (в слое почвы 0-10 см) до 1,14 г/см³ (в слое почвы 30-40 см), что свидетельствует о нормальной (оптимальной) плотности (по С.И. Долгову).

А Т. Сакункончаков и другие (2009) исследуя дерново-подзолистые почвы приходят к следующим выводам, что плотность данной почвы характеризуется сильной уплотнённостью (по Н.А. Качинскому) от 1,56 г/см³ (в слое 0-10 см) до 1,75 (1,80) г/см³ (в слое 30-40см).

При сравнении этих двух типов почв, можно сказать, что чернозем более благоприятен для возделывания культурных растений, так как его плотность находится в оптимальном показателе, а значит данная почва более аэрирована, в отличии от дерново-подзолистой почвы, на которой явно наблюдается большая уплотнённость и как следствие на этой почве растения угнетены кислородным голоданием.

Регулирование воздушного режима пахотных почв осуществляется различными агротехническими приемами, улучшающими газообмен почв. В условиях избыточного увлажнения все мелиоративные работы направлены на улучшение воздушного режима, на увеличение зоны аэрации до оптимальных величин. Эта цель достигается и при орошении, сникающем сверхизбыточную аэрацию почв при иссушении последних. Внесение органических удобрений так же можно считать фактором, улучшающим воздушный режим почв, так как при этом увеличивается величина, дыхания почв, поступления СО₂ в приземные слои, увеличивается интенсивность фотосинтеза. Оптимизация воздушного режима почв включает также улучшение физических свойств почв и их структуры путем применения искусственных полимеров-структурообразователей.

...