Воздушный режим почв

Воздушный режим почв

Почвенный воздух, или газовая фаза, является наиболее важным компонентом почвы, тесно взаимодействующим с твердой, жидкой и живой фазами.

Почвенный воздух – это смесь газов и летучих соединений, которые заполняют поры почвы, лишенные воды.

Состав почвенного воздуха

Наличие достаточного количества воздуха и его благоприятный состав не менее важны для жизни почвы и формирования урожая, чем наличие в почве воды и питательных веществ.

Окружающий воздух и почвенные газы являются основными источниками газовой фазы почвы. С атмосферным воздухом кислород поступает в почву для дыхания растений, аэробных микроорганизмов и почвенной фауны. Во время дыхания потребляется кислород и выделяется углекислый газ.

Большинство растений не могут существовать без постоянного поступления кислорода к корням и удаления углекислого газа из почвы. Растения, корневая система которых находится под водой, например, рис, приспособились забирать воздух через листья и переносить его через паренхиму к корням растения и микроорганизмам ризосферы.

Если почва изолирована от атмосферного воздуха, кислород в почве полностью расходуется через несколько дней. Поэтому почвенный воздух обеспечивает живые организмы кислородом только в том случае, если он постоянно обменивается с атмосферным воздухом. Процесс обмена почвенного воздуха с атмосферным воздухом называется газообменом или аэрацией.

Почвенный воздух

Состояния почвенного воздуха

Почвенный воздух имеет три состояния: свободное, адсорбированное и растворенное.

Свободный почвенный воздух находится в некапиллярных и капиллярных порах почвы, обладает способностью к движению, может свободно перемещаться в почве и обмениваться атмосферным воздухом. Воздух в некапиллярных порах, который почти всегда свободен от воды, является наиболее важным для аэрации почвы.

В глинистых и суглинистых почвах часть свободного почвенного воздуха изолирована водяными пробками и теряет связность при увлажнении. Этот воздух называется запертым воздухом. Его значение в аэрации почвы невелико.

Объем захваченного воздуха составляет в среднем 6 – 8 % от объема почвы, и может превышать 12 % в глинистых почвах, и определяется разницей между общей пористостью и общей влагоемкостью, выраженной в объемных процентах.

Адсорбированный почвенный воздух – газы, сорбированные поверхностью твердой фазы почвы. Адсорбция газов сильнее в почвах с тяжелым гранулометрическим составом, богатых органическим веществом.

Газы адсорбируются в зависимости от их молекулярной структуры, дипольного момента в следующем порядке:

NH3 > CO2 > O2 > N2.

Большая часть адсорбированного воздуха находится в сухих почвах, поскольку твердые частицы почвы поглощают водяной пар более активно, чем газы. Когда влажность почвы превышает ее максимальную гигроскопичность, вода вытесняет поглощенные газы, что отражается в изменении состава свободного почвенного воздуха.

Растворенный почвенный воздух – это газы, растворенные в почвенной воде. Растворимость увеличивается при повышении их концентрации в свободном почвенном воздухе и при снижении температуры почвы. Аммиак, сероводород и углекислый газ хорошо растворимы в воде. Растворимость кислорода относительно низкая (Таблица 1).

Растворимость газов в воде (г/л) при различных температурах и атмосферном давлении 101 кПа

˚C O2 CO2 H2S NH3
10 0,038 1,134 3,329 910
15 0,034 1,019 2,945 802
20 0,031 0,878 2,582 711

В зависимости от температуры почвы и активности биохимических процессов, происходящих в почве, содержание кислорода в почвенном растворе колеблется от 0 до 14 мг/л.

Высокое насыщение почвенного раствора кислородом (6 – 14 мг/л) отмечается ранней весной, когда почва избыточно увлажнена, а потребление кислорода еще не велико из-за низкой биологической активности почвы.

Растворенные газы показывают высокую активность. Растворимость карбонатов, гипса и других минеральных соединений увеличивается по мере насыщения почвенного раствора CO2. Растворенный кислород поддерживает окислительные свойства почвенного раствора.

Воздух в почве

Факторы, влияющие на состав почвенного воздуха

Основную роль в почвах играет свободный воздух. Несмотря на постоянную связь с атмосферным воздухом, он характеризуется определенными особенностями.

Состав атмосферного воздуха довольно постоянен, и содержание основных компонентов практически не меняется.

Атмосферный воздух содержит, в объемных процентах:

  • Неон, криптон, ксенон, озон, радон и водород составляют всего 0,01%. (И.Б. Ревут, 1972).
  • 78,08 азот (N2),
  • 20,95 кислород (O2),
  • 0,03 углекислого газа (CO2),
  • 0,93 аргона (Ag),

В хорошо дренированных почвах состав почвенного воздуха похож на состав атмосферы, поскольку потребляемый в почве кислород быстро перемещается из атмосферы в почву. Иная картина наблюдается на плохо аэрируемых почвах. Состав почвенного воздуха сильно варьируется.

В зависимости от таких факторов, как время года, температура, влажность почвы, глубина, развитие и рост корневой системы, активность микроорганизмов, pH и, прежде всего, скорость газообмена через поверхность почвы, состав почвенного воздуха в большей или меньшей степени отличается от состава атмосферы.

Наиболее сильные различия наблюдаются в концентрации углекислого газа (CO2), который является основным продуктом аэробного дыхания корней высших растений и многочисленных макро- и микроорганизмов в почве. Если концентрация CO2 в атмосфере составляет 0,03%, то в почве она достигает уровня в десятки и даже сотни раз выше.

Поскольку CO2 образуется в почве в результате окисления органических веществ, содержащих кислород, увеличение концентрации CO2 обычно связано с уменьшением концентрации элементарного кислорода O2.

Хотя не обязательно в строго пропорциональной степени, поскольку могут существовать дополнительные источники кислорода в виде растворенных в воде или легко восстанавливаемых соединений.

Поскольку концентрация кислорода в атмосферном воздухе обычно составляет около 20,96%, очевидно, что даже 100-кратное увеличение концентрации CO2 с 0,03 до 3% может снизить концентрацию кислорода только до 18%. Однако прежде чем растения начнут страдать от недостатка кислорода, некоторые растения могут пострадать от чрезмерной концентрации CO2 как в газовой, так и в жидкой фазе.

В крайних случаях, в условиях очень плохой аэрации, концентрация O2 может упасть до нуля, а длительные анаэробные условия могут привести к химическим условиям, характеризующимся развитием восстановительных реакций (например, денитрификация), выделением сероводорода (H2S), метана (CH4) и этилена, а также восстановлением минеральных оксидов.

На пахотных, хорошо аэрируемых почвах с благоприятными физическими свойствами содержание CO2 в почвенном воздухе в течение вегетационного периода не превышает 1 – 2 %, а содержание CO2 никогда не бывает ниже 18 %.

В условиях избыточного увлажнения в пахотных почвах с тяжелым гранулометрическим составом содержание CO2 может составлять 4 – 6 % или более, а содержание O2 снижается до 17 – 15 % или менее. В заболоченных почвах наблюдаются еще более высокие концентрации CO2 и низкие концентрации O2.

Азот в почвенном воздухе мало отличается от азота в атмосфере. Некоторые изменения азота происходят в результате его фиксации узелковыми бактериями, что является проявлением денитрификации. Другой характерный продукт денитрификации, закись азота (N2O), также обнаруживается в почвенном воздухе.

Летучие органические соединения различной природы (этилен, метан и т.д.) постоянно присутствуют в почвенном воздухе в небольших количествах (1-10-9-1-10-12 %). При ухудшении аэрации почвенного воздуха этилен накапливается в концентрациях, превышающих уровень токсичности для корней растений (0,001%).

В заболоченных и болотистых почвах аммиак, водород и метан могут присутствовать в почвенном воздухе в значительных количествах.

Почвенный воздух неоднороден по составу и подвижности, зависящей от размера пор почвы. В более крупных порах воздух более подвижен, менее обогащен CO2 и содержит больше O2.

Почва

Экологическая роль почвенного воздуха для растений

Высшие растения очень чувствительны к составу воздуха в почве. Корни, как и другие органы растений, имеют выраженный процесс дыхания, т.е. поглощения кислорода и выделения углекислого газа.

Корневое дыхание тесно связано с содержанием кислорода в почве, но на вопрос об оптимальном содержании кислорода и углекислого газа в почве нельзя ответить однозначно, так как это зависит от очень многих факторов.

Согласно В.А. Новиков содержание кислорода в почвенном воздухе составляет 7 – 12%, что, по его мнению, имеет место только в хорошо окультуренных структурных почвах, обеспечивает интенсивное дыхание корней, хороший рост и активное поглощение ими минеральных веществ.

На тяжелых, глинистых, плохо аэрируемых почвах, где содержание кислорода снижено до 1 – 2%, рост корней замедляется, поглощение воды и питательных веществ ограничивается, а рост надземной части растения подавляется.

М.Б. Рассел также сообщает, что кислород важен для всех жизненных процессов в корнях растений: дыхания, поглощения воды и питательных веществ.

Однако мы обнаружили, что реакция различных видов растений на содержание кислорода в почвенном воздухе неодинакова. При этом крайними в ряду растений являются водные растения, с одной стороны, и живущие в хорошо аэрируемых почвах – с другой.

Рис, например, способен обмениваться газами между своими корнями и воздухом у поверхности через растительные ткани, то есть путем внутреннего переноса кислорода от частей, находящихся над поверхностью почвы (листья и стебли), к частям, рассеянным в почве, видимым через воду. Однако большинство растений не в состоянии удовлетворить потребность своих корней в кислороде за счет внутреннего транспорта.

Реакция почвы (листьев и стеблей) на части, распределенные в почве, залитой водой. Однако большинство растений не в состоянии удовлетворить свою корневую потребность в кислороде за счет внутреннего транспорта.

Реакция растений на данное количество кислорода в почве в значительной степени зависит от температуры окружающей среды. (И.Б. Ревут, 1972). Так, если почвенный воздух содержит 3% кислорода, подавление растений наблюдается при температуре 18 – 30˚C.

При 10% содержании кислорода в почвенном воздухе нормальный рост растений наблюдался при 18˚C, но при 30˚C скорость роста при такой концентрации кислорода замедляется.

Из этого следует, что чем выше температура почвы, тем больше потребность корней в кислороде в почвенном воздухе. Причиной этого явления является снижение растворимости кислорода в воде и увеличение дыхания растений. Последнее вызвано повышенным потреблением кислорода.

Состав почвы

Содержание кислорода в почве

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

Д.Бойтон о концентрации кислорода

Д. Бойтон получил очень интересные критические значения концентрации кислорода в почвенном воздухе для корней яблони. Если диаметр корней превышает 1 мм в период активного роста яблони, то 3% можно считать нижним пределом концентрации кислорода.

Если концентрация кислорода составляет менее 1%, корни явно теряют вес. Было установлено, что для активного роста кончиков корней необходимо увеличить концентрацию кислорода до 5-10 %, а для появления новых корней – до 12 %. Однако для нормального поглощения воды и питательных веществ корнями содержание кислорода должно составлять не менее 15%.

Различная реакция растений на содержание кислорода и углекислого газа во многом зависит от характеристик самого растения, его вида, анатомического строения и т.д.

И.Б.Ревут о кислороде в почве

Тем не менее, И.Б.Ревут (1972) сообщает, что накопление углекислого газа в почвенном воздухе до 10%, а в некоторых случаях и больше, при относительно высоком содержании кислорода (более 10-15%) или при низком его содержании.

Однако в условиях непрерывного воздухообмена с окружающим воздухом он может лишь в очень незначительной степени замедлить рост растений. В большинстве случаев это никак не повлияет на условия их жизни. Содержание кислорода и углекислого газа в почвенном воздухе является важным фактором, определяющим жизнедеятельность почвенных организмов.

В зависимости от соотношения микроорганизмов и кислорода, микроорганизмы можно разделить на аэробные – нуждающиеся в свободном кислороде и анаэробные – не нуждающиеся в свободном кислороде, способные расти и развиваться в отсутствии воздуха.

Существует также группа микроорганизмов переходного типа. Некоторые из них, будучи анаэробами, могут существовать и в присутствии широкого доступа кислорода. Они называются факультативными анаэробами.

Однако среди аэробов есть такие, которые не могут расти в среде с высоким содержанием кислорода. К ним относятся, например, серобактерии, которые переносят кислород до 3%. Они называются микроаэрофильными.

И.П.Черечин о кислороде в почве

И.П. Черечин утверждает, что переход от аэробных условий к анаэробным при оптимальной температуре и влажности наблюдается при содержании кислорода около 2,5% по объему почвенного воздуха.

При низких положительных температурах или низкой влажности почвы анаэробные процессы не развиваются даже при снижении концентрации кислорода до 0,5%. Результаты и выводы исследования имеют большое значение для сельского хозяйства и почвоведения, поэтому их следует конкретизировать.

Влияние почвенного воздуха на почвенные процессы. Почвенный воздух влияет на почвообразующие процессы как путем изменения микробной активности, так и непосредственно. Таким образом, растворенный кислород поддерживает окислительные свойства почвенного раствора.

Насыщение кислородом

Анаэробные условия в почве

Вызывает ряд восстановительных реакций, как химических, так и биохимических. Они включают денитрификацию – процесс восстановления нитратов до нитритов, а затем до оксидов азота и элементарного азота. Некоторые из многочисленных продуктов анаэробных процессов являются токсичными.

По данным Р. Бретфилда, Л. Батгера и Я. Оскемп состояние некоторых соединений в почве значительно изменяется в зависимости от условий аэрации (табл. 2).

Образование химических соединений в связи с аэрацией почвы

Химический элемент Нормальная форма в хорошо аэрируемых почвах Редуцированная форма в насыщенных почвах
Углерод СО2 CH2
Азот NO3 NH2 и NH3
Сера SO4 H2S
Железо F+ + + F+ +
Марганец Mn+ + + Mn+ +

Аэрация оказывает значительное влияние на почвенные процессы через изменение активности почвенных микроорганизмов.

В аэробных условиях большое количество почвенных микроорганизмов участвует в разложении органических веществ, конечными продуктами которого являются углекислый газ, вода, нитраты, сульфаты, кальций, магний, железо и т.д.

В анаэробных условиях образуются совершенно другие продукты разложения органического вещества: метан, сероводород, аммиак, альдегиды.

Концентрация углекислого газа играет важную роль в процессах выветривания первичных минералов в почвах. Повышенное содержание углекислого газа влияет на pH субстрата, почвенный раствор становится кислым, а растворимость карбоната кальция быстро меняется.

Воздух в почве

Растворимость CaSO3 в отсутствии углекислого газа составляла 0,013 г/л воды, при растворении в 0,03 об. % углекислого газа 0,0627 г/л и при растворении в 10 об. % углекислого газа 0,4889 г/л (И.Б. Ревут, 1972).

Поскольку углекислый газ явно влияет на реакцию среды, его содержание влияет на формы состояния фосфорной кислоты. В кислых почвах преобладает его форма, в то время как в щелочных почвах он переходит в форму, гораздо менее доступную для растений.

Поэтому на щелочных почвах увеличение содержания углекислоты оказывается в определенной степени полезным, так как подкисление раствора приводит к повышению растворимости фосфатов и их поглощению растениями.

Следует также учитывать, что чем больше углекислого газа содержится в почве, тем больше его выделяется из почвы в приземный воздух.

Увеличение содержания углекислого газа в надземной растительной зоне часто приводит к заметному увеличению фотосинтетической активности зеленых растений, а зачастую и к заметному увеличению их продуктивности.

Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: