Газовая фаза и регулирование воздушного режима почвенного покрова

Почва, лишенная газов, теряет свои биологические свойства и перестает быть живой средой. Воздушный режим пахотного слоя напрямую определяет дыхание корней растений, активность полезной микробиоты и скорость химических процессов. Количество воздуха в почве непостоянно и зависит от ее структуры, типа и текущей влажности. При одинаковом уровне увлажнения в хорошо оструктуренной почве с крупными порами воздуха всегда будет больше, чем в бесструктурной и уплотненной.

Как устроен воздушный режим почвы и от чего он зависит

Воздушный режим объединяет все процессы поступления, движения и изменения состава газов в почвенном профиле. Газы постоянно циркулируют между почвой, атмосферой, твердой фазой и почвенным раствором. Формирование почвенного воздуха происходит тремя основными путями:

• поступление воздуха из приземного слоя атмосферы в свободные поры;
• диффузия газов из-за разницы парциального давления в почве и атмосфере;
• выделение газов в результате дыхания почвенных организмов и химических реакций.

Почвенный воздух существует в четырех физических состояниях: свободном, защемленном, адсорбированном и растворенном. Свободный воздух заполняет крупные некапиллярные поры и сухие капилляры, обеспечивая основную аэрацию и газообмен с атмосферой. Растворенный воздух находится в почвенной влаге; его диффузия идет медленно, но он незаменим для жизнедеятельности микроорганизмов, почвенных животных и корней растений.

Защемленный и адсорбированный воздух: скрытые особенности аэрации

Защемленный воздух изолирован в порах водяными пробками, поэтому он практически не участвует в газообмене и мешает впитыванию влаги. Его объем напрямую зависит от гранулометрического состава и плотности почвы. Чем тяжелее почва по механическому составу и чем сильнее она утрамбована, тем больше в ней запертого воздуха.

• Средний объем защемленного воздуха — 5–8 %
• Объем защемленного воздуха в суглинках — более 12 %
• Доля защемленного воздуха в порах суглинков — более 1/4

Адсорбированный воздух удерживается на поверхности твердых почвенных частиц, причем наиболее активно этот процесс идет в сухих почвах. Вода вытесняет адсорбированные газы в общий оборот только тогда, когда влажность почвы превышает максимальную гигроскопичность. Почвенные частицы адсорбируют газы в строгой последовательности, зависящей от свойств их молекул:

1. Азот
2. Кислород
3. Диоксид углерода
4. Аммиак

Способность поглощать газы распределяется неравномерно по компонентам почвы. Сильнее всего газы удерживают гумус, перегной и полуторные оксиды. В гипсе, извести и кварце эти свойства выражены значительно слабее.

Растворенный почвенный воздух имеет компоненты, которые характеризуются различной растворимостью в воде. Наибольшей растворимостью обладают аммиак, сероводород, диоксид углерода. Растворимость газов в воде возрастает с увеличением их парциального давления и с понижением температуры. Кроме того, в почвенной воде растворимость газов уменьшается с увеличением ее минерализации.

Газы в почвенном растворе существенно меняют свойства раствора. Так, с увеличением содержания диоксида углерода в почвенном растворе увеличивается растворимость карбонатов, гипса, фосфатов и других солей. Растворенный кислород, несмотря на относительно невысокую растворимость в воде, способен поддерживать окислительные свойства почвенного раствора. При этом его количество в 1 л почвенного раствора может колебаться от 0 до 14 мг. Чем выше биологическая активность почвы, тем больше расход растворенного кислорода и меньше насыщенность почвенного раствора этим газом. Наибольшая насыщенность почвенного раствора кислородом наблюдается весной, когда из-за низкой температуры биологическая активность почвы низкая, а почва переувлажнена водой, обогащенной кислородом.

По своему составу почвенный воздух отличается от атмосферного меньшим содержанием кислорода и большим – диоксида углерода. Сравнение состава атмосферного и почвенного воздуха представлено в таблице:

Кроме названных газов в почвенном воздухе находятся в незначительном количестве метан, водород, сероводород, закись азота и фосфористый водород, образующиеся в результате анаэробного разложения органического вещества. Из всех газов наиболее легким является водород, он в 14,5 раза легче воздуха. Молекулы его движутся быстрее всех остальных газов. Он имеет наибольший коэффициент диффузии, вследствие этого концентрация его в поверхностных слоях почвы примерно такая же, как и в атмосфере.

Кроме газов и паров воды, в почвенном воздухе могут содержаться летучие или газообразные органические вещества (углеводороды, спирты, сложные эфиры, альдегиды и др.), образующиеся в результате жизнедеятельности почвенных организмов. Многие из этих соединений поглощаются и ассимилируются почвенными микроорганизмами и корнями растений.

Состав почвенного воздуха непрерывно меняется. Основными причинами этого изменения являются деятельность микроорганизмов, дыхание корней растений и газообмен с атмосферой. При разложении органических остатков микроорганизмами и дыхании корней почвенный воздух обогащается диоксидом углерода и водородом, газообмен же приближает состав почвенного воздуха к атмосферному.

Содержание азота в почвенном воздухе не на много отличается от атмосферного, хотя изменения все же возможны, как в сторону уменьшения, так и увеличения. Изменения происходят по следующим причинам:

• Уменьшение количества азота: связывание его свободноживущими азотфиксирующими почвенными микроорганизмами и клубеньковыми бактериями.
• Увеличение количества азота: распад белков и денитрификация азотсодержащих веществ под действием денитрифицирующих микроорганизмов.

Различная концентрация кислорода и диоксида углерода в почвенном воздухе объясняется двумя противоположно направленными процессами: интенсивностью потребления кислорода и продуцирования диоксида углерода, с одной стороны, и способностью газообмена между почвенным и атмосферным – с другой. Содержание кислорода и диоксида углерода в почвенном воздухе в значительной степени зависит от погодных условий, типа почвы, ее биологической активности, физических и химических свойств. Оно также подвержено сезонным изменениям. На пашне состав почвенного воздуха зависит от возделываемой культуры и применяемой агротехники.

Кислород поступает в состав почвенного воздуха из атмосферы в результате диффузии. Часть кислорода попадает в почву с водой или по растительным тканям. Он участвует в дыхании растений, почвенной фауны и микроорганизмов. При отсутствии кислорода жизнедеятельность почвенной биоты прекращается. При содержании его в почве менее 2,5 % начинают преобладать анаэробные процессы, которые сопровождаются накоплением закисных соединений, угнетающих развитие растений и почвенной биоты. При этом в почве также могут накапливаться восстановленные формы соединений азота и серы (NH3, H2S). Оптимальные условия для развития растений создаются при содержании кислорода в почвенном воздухе около 20 %.

Основной источник накопления диоксида углерода в почвенном воздухе – дыхание растений и почвенной фауны. Его пополнение также происходит за счет следующих процессов:

• десорбции из твердой и жидкой фаз почвы;
• превращения гидрокарбонатов в карбонаты во время испарения почвенной влаги;
• окисления органического вещества;
• воздействия кислот на карбонаты почвы;
• поступления в почву вместе с грунтовыми водами.

Биологическое значение диоксида углерода многосторонне. Он обеспечивает процесс фотосинтеза у растений. Велика и почвенно-химическая и геохимическая роль диоксида углерода. Почвенный раствор, насыщенный диоксидом углерода, растворяет многие труднорастворимые минералы – кальцит, доломит, магнезит, сидерит. Это вызывает миграцию карбонатов в почвенном профиле: вынос их из верхних горизонтов почвы или подтягивание из нижних горизонтов к верхним.

Влияние диоксида углерода на химические процессы и растения

Накопление диоксида углерода в почвенном воздухе и растворе запускает процесс декарбонизации — вымывания карбонатов. Это явление связано со сдвигом химического равновесия влево в реакции Ca(HCO₃)₂ ⇄ CaCO₃ + H₂O + CO₂. При обратном течении процесса карбонат кальция (CaCO₃) выпадает в осадок, из-за чего в профиле почвы формируются аккумулятивные горизонты. На практике агрономы замечают это по новообразованиям в виде белоглазки, журавчиков или карбонатной плесени.

Для нормальной жизнедеятельности растений необходимо поддерживать оптимальный воздушный режим. Границы безопасной концентрации углекислого газа в почвенном воздухе строго лимитированы. Превышение этих лимитов напрямую вредит урожаю.

• Минимальный уровень CO₂ в почве — 0,03 %
• Максимальный уровень CO₂ в почве — 3,0 %
• Градиент концентрации для расчета D — 1

Механизмы газообмена и окислительно-восстановительный потенциал

Почвенный воздух постоянно обновляется за счет газообмена с атмосферой через свободные от воды поры. Газы перемещаются путем диффузии в сторону меньшей концентрации: кислород поступает вглубь, а углекислый газ выделяется наружу. Массу переносимого вещества определяют по первому закону Фика. Интенсивность диффузии зависит от свойств конкретной почвы (пористости, влажности, температуры, содержания гумуса) и коэффициента диффузии газов (D), который равен объему газа в см³, проходящему за 1 секунду через площадь 1 см² при толщине слоя 1 см и градиенте концентрации, равном 1.

Выделение углекислого газа с поверхности поля называют дыханием почвы. Этот показатель отражает общую биологическую активность микрофлоры и корней. Дыхание почвы не стоит путать с воздухообменом, при котором в почву и обратно перемещается вся смесь газов целиком без изменения концентрации отдельных компонентов. Такой перенос идет преимущественно по некапиллярным порам и зависит от физических условий.

На аэрацию почвы и интенсивность воздухообмена влияют следующие метеорологические факторы:

• колебания атмосферного давления;
• изменение температуры почвы;
• изменение влажности почвы (например, осадки или полив вытесняют воздух, а подсыхание затягивает его обратно);
• сила ветра (особенно на оструктуренных почвах без растительного покрова);
• колебания уровня грунтовых вод и верховодки.

Почва также способна поглощать газы из атмосферы своей твердой и жидкой фазами. Интенсивнее всего поглощаются водяные пары и аммиак, слабее — кислород и диоксид углерода, а меньше всего адсорбируется азот. Степень аэрации напрямую регулирует окислительно-восстановительный потенциал (Eh, или ОВП), который определяет химическую активность элементов в почвенном растворе.

Контролировать состояние воздушного режима почвы на практике помогает показатель окислительно-восстановительного потенциала (Eh). Его величина указывает, насколько почвенная среда насыщена кислородом и какие процессы в ней преобладают. Снижение этого показателя сигнализирует о нехватке воздуха и ухудшении условий для корневой системы растений.

Как оптимизировать воздушный режим на культивируемых площадях

Потребность в кислороде сильно различается у разных культур. Такие растения, как кукуруза, сахарная свекла, картофель, бобы, горох и многие корнеплоды, особенно нуждаются в хорошей аэрации почвы. В то же время рис и некоторые травы способны нормально развиваться на затопленных участках с минимальным доступом воздуха.

Регулировать газообмен в полевых условиях можно с помощью направленных агротехнических воздействий. Эти меры улучшают структуру пахотного горизонта и облегчают доступ кислорода к корням. Для оптимизации воздушного режима применяют следующие приемы:

• обработка почвы;
• создание прочной комковатой структуры;
• углубление пахотного слоя;
• мелиоративные мероприятия.

Дополнительно на газовый режим почвы влияет система питания растений. Внесение органических и минеральных удобрений существенно повышает интенсивность выделения диоксида углерода (CO2) и увеличивает его содержание в почвенном воздухе. Это связано с усилением микробиологической деятельности и более активным развитием самих растений.