Газова фаза та регулювання повітряного режиму ґрунтового покриву

Ґрунт, позбавлений газів, втрачає свої біологічні властивості і перестає бути живим середовищем. Повітряний режим орного шару безпосередньо визначає дихання коренів рослин, активність корисної мікробіоти та швидкість хімічних процесів. Кількість повітря в ґрунті непостійна і залежить від його структури, типу та поточної вологості. При однаковому рівні зволоження у добре оструктуреному ґрунті з великими порами повітря завжди буде більше, ніж у безструктурному та ущільненому.

Як влаштований повітряний режим ґрунту і від чого він залежить

Повітряний режим об’єднує всі процеси надходження, руху та зміни складу газів у ґрунтовому профілі. Гази постійно циркулюють між ґрунтом, атмосферою, твердою фазою та ґрунтовим розчином. Формування ґрунтового повітря відбувається трьома основними шляхами:

• надходження повітря з приземного шару атмосфери у вільні пори;
• дифузія газів через різницю парціального тиску в ґрунті та атмосфері;
• виділення газів у результаті дихання ґрунтових організмів та хімічних реакцій.

Ґрунтове повітря існує в чотирьох фізичних станах: вільному, защемленому, адсорбованому та розчиненому. Вільне повітря заповнює великі некапілярні пори та сухі капіляри, забезпечуючи основну аерацію та газообмін з атмосферою. Розчинене повітря міститься у ґрунтовій волозі; його дифузія йде повільно, але воно незамінне для життєдіяльності мікроорганізмів, ґрунтових тварин і коренів рослин.

Защемлене та адсорбоване повітря: приховані особливості аерації

Защемлене повітря ізольоване в порах водяними пробками, тому воно практично не бере участі в газообміні та заважає вбиранню вологи. Його об'єм безпосередньо залежить від гранулометричного складу та щільності ґрунту. Чим важчий ґрунт за механічним складом і чим сильніше він утрамбований, тим більше в ньому замкненого повітря.

• Середній об'єм защемленого повітря — 5–8 %
• Об'єм защемленого повітря у суглинках — більше 12 %
• Частка защемленого повітря в порах суглинків — більше 1/4

Адсорбоване повітря утримується на поверхні твердих ґрунтових частинок, причому найбільш активно цей процес іде в сухих ґрунтах. Вода витісняє адсорбовані гази в загальний обіг тільки тоді, коли вологість ґрунту перевищує максимальну гігроскопічність. Ґрунтові частинки адсорбують гази в суворій послідовності, що залежить від властивостей їхніх молекул:

1. Азот
2. Кисень
3. Діоксид вуглецю
4. Аміак

Здатність поглинати гази розподіляється нерівномірно по компонентах ґрунту. Найсильніше гази утримують гумус, перегній та напівторні оксиди. У гіпсі, вапні та кварці ці властивості виражені значно слабше.

Розчинене ґрунтове повітря має компоненти, які характеризуються різною розчинністю у воді. Найбільшу розчинність мають аміак, сірководень, діоксид вуглецю. Розчинність газів у воді зростає зі збільшенням їхнього парціального тиску та зі зниженням температури. Крім того, у ґрунтовій воді розчинність газів зменшується зі збільшенням її мінералізації.

Гази у ґрунтовому розчині суттєво змінюють властивості розчину. Так, зі збільшенням вмісту діоксиду вуглецю у ґрунтовому розчині збільшується розчинність карбонатів, гіпсу, фосфатів та інших солей. Розчинений кисень, попри відносно невисоку розчинність у воді, здатний підтримувати окиснювальні властивості ґрунтового розчину. При цьому його кількість в 1 л ґрунтового розчину може коливатися від 0 до 14 мг. Чим вища біологічна активність ґрунту, тим більша витрата розчиненого кисню і менша насиченість ґрунтового розчину цим газом. Найбільша насиченість ґрунтового розчину киснем спостерігається навесні, коли через низьку температуру біологічна активність ґрунту низька, а ґрунт перезволожений водою, збагаченою киснем.

За своїм складом ґрунтове повітря відрізняється від атмосферного меншим вмістом кисню і більшим — діоксиду вуглецю. Порівняння складу атмосферного та ґрунтового повітря представлено в таблиці:

Крім названих газів у ґрунтовому повітрі знаходяться в незначній кількості метан, водень, сірководень, закис азоту та фосфористий водень, що утворюються в результаті анаеробного розкладання органічної речовини. З усіх газів найбільш легким є водень, він у 14,5 раза легший за повітря. Молекули його рухаються швидше за всі інші гази. Він має найбільший коефіцієнт дифузії, внаслідок цього концентрація його в поверхневих шарах ґрунту приблизно така ж, як і в атмосфері.

Окрім газів та парів води, у ґрунтовому повітрі можуть міститися леткі або газоподібні органічні речовини (вуглеводні, спирти, складні ефіри, альдегіди та ін.), що утворюються в результаті життєдіяльності ґрунтових організмів. Багато з цих сполук поглинаються та асимілюються ґрунтовими мікроорганізмами та коренями рослин.

Склад ґрунтового повітря безперервно змінюється. Основними причинами цієї зміни є діяльність мікроорганізмів, дихання коренів рослин та газообмін з атмосферою. При розкладанні органічних решток мікроорганізмами та диханні коренів ґрунтове повітря збагачується діоксидом вуглецю та воднем, газообмін же наближає склад ґрунтового повітря до атмосферного.

Вміст азоту у ґрунтовому повітрі не набагато відрізняється від атмосферного, хоча зміни все ж таки можливі, як у бік зменшення, так і збільшення. Зміни відбуваються з таких причин:

• Зменшення кількості азоту: зв'язування його вільноживучими азотфіксувальними ґрунтовими мікроорганізмами та бульбочковими бактеріями.
• Збільшення кількості азоту: розпад білків та денітрифікація азотовмісних речовин під дією денітрифікувальних мікроорганізмів.

Різна концентрація кисню та діоксиду вуглецю у ґрунтовому повітрі пояснюється двома протилежно спрямованими процесами: інтенсивністю споживання кисню та продукування діоксиду вуглецю, з одного боку, та здатністю газообміну між ґрунтовим та атмосферним — з іншого. Вміст кисню та діоксиду вуглецю у ґрунтовому повітрі значною мірою залежить від погодних умов, типу ґрунту, його біологічної активності, фізичних та хімічних властивостей. Воно також схильне до сезонних змін. На ріллі склад ґрунтового повітря залежить від культури, що вирощується, та застосовуваної агротехніки.

Кисень надходить до складу ґрунтового повітря з атмосфери в результаті дифузії. Частина кисню потрапляє у ґрунт з водою або по рослинних тканинах. Він бере участь у диханні рослин, ґрунтової фауни та мікроорганізмів. За відсутності кисню життєдіяльність ґрунтової біоти припиняється. При вмісті його у ґрунті менше ніж 2,5 % починають переважати анаеробні процеси, які супроводжуються накопиченням закисних сполук, що пригнічують розвиток рослин та ґрунтової біоти. При цьому у ґрунті також можуть накопичуватися відновлені форми сполук азоту та сірки (NH3, H2S). Оптимальні умови для розвитку рослин створюються при вмісті кисню у ґрунтовому повітрі близько 20 %.

Основне джерело накопичення діоксиду вуглецю у ґрунтовому повітрі — дихання рослин та ґрунтової фауни. Його поповнення також відбувається за рахунок таких процесів:

• десорбції з твердої та рідкої фаз ґрунту;
• перетворення гідрокарбонатів на карбонати під час випаровування ґрунтової вологи;
• окислення органічної речовини;
• впливу кислот на карбонати ґрунту;
• надходження у ґрунт разом із ґрунтовими водами.

Біологічне значення діоксиду вуглецю багатостороннє. Він забезпечує процес фотосинтезу у рослин. Велика й ґрунтово-хімічна та геохімічна роль діоксиду вуглецю. Ґрунтовий розчин, насичений діоксидом вуглецю, розчиняє багато важкорозчинних мінералів — кальцит, доломіт, магнезит, сидерит. Це викликає міграцію карбонатів у ґрунтовому профілі: винесення їх із верхніх горизонтів ґрунту або підтягування з нижніх горизонтів до верхніх.

Вплив діоксиду вуглецю на хімічні процеси та рослини

Накопичення діоксиду вуглецю у ґрунтовому повітрі та розчині запускає процес декарбонізації — вимивання карбонатів. Це явище пов'язане зі зсувом хімічної рівноваги вліво в реакції Ca(HCO₃)₂ ⇄ CaCO₃ + H₂O + CO₂. При зворотному перебігу процесу карбонат кальцію (CaCO₃) випадає в осад, через що у профілі ґрунту формуються акумулятивні горизонти. На практиці агрономи помічають це за новоутвореннями у вигляді білоочки, журавчиків або карбонатної плісняви.

Для нормальної життєдіяльності рослин необхідно підтримувати оптимальний повітряний режим. Межі безпечної концентрації вуглекислого газу у ґрунтовому повітрі суворо лімітовані. Перевищення цих лімітів безпосередньо шкодить урожаю.

• Мінімальний рівень CO₂ у ґрунті — 0,03 %
• Максимальний рівень CO₂ у ґрунті — 3,0 %
• Градієнт концентрації для розрахунку D — 1

Механізми газообміну та окисно-відновний потенціал

Ґрунтове повітря постійно оновлюється за рахунок газообміну з атмосферою через вільні від води пори. Гази переміщуються шляхом дифузії в бік меншої концентрації: кисень надходить углиб, а вуглекислий газ виділяється назовні. Масу речовини, що переноситься, визначають за першим законом Фіка. Інтенсивність дифузії залежить від властивостей конкретного ґрунту (пористості, вологості, температури, вмісту гумусу) та коефіцієнта дифузії газів (D), який дорівнює об'єму газу в см³, що проходить за 1 секунду через площу 1 см² при товщині шару 1 см і градієнті концентрації, що дорівнює 1.

Виділення вуглекислого газу з поверхні поля називають диханням ґрунту. Цей показник відображає загальну біологічну активність мікрофлори та коренів. Дихання ґрунту не варто плутати з повітрообміном, під час якого в ґрунт і назад переміщується вся суміш газів цілком без зміни концентрації окремих компонентів. Таке перенесення відбувається переважно через некапілярні пори і залежить від фізичних умов.

На аерацію ґрунту та інтенсивність повітрообміну впливають такі метеорологічні фактори:

• коливання атмосферного тиску;
• зміна температури ґрунту;
• зміна вологості ґрунту (наприклад, опади або полив витісняють повітря, а підсихання затягує його назад);
• сила вітру (особливо на оструктурених ґрунтах без рослинного покриву);
• коливання рівня ґрунтових вод і верховодки.

Ґрунт також здатний поглинати гази з атмосфери своєю твердою та рідкою фазами. Найінтенсивніше поглинаються водяні пари та аміак, слабше — кисень та діоксид вуглецю, а найменше адсорбується азот. Ступінь аерації безпосередньо регулює окисно-відновний потенціал (Eh, або ОВП), який визначає хімічну активність елементів у ґрунтовому розчині.

Контролювати стан повітряного режиму ґрунту на практиці допомагає показник окисно-відновного потенціалу (Eh). Його величина вказує, наскільки ґрунтове середовище насичене киснем і які процеси в ньому переважають. Зниження цього показника сигналізує про нестачу повітря та погіршення умов для кореневої системи рослин.

Як оптимізувати повітряний режим на культивованих площах

Потреба в кисні сильно різниться у різних культур. Такі рослини, як кукурудза, цукровий буряк, картопля, боби, горох та багато коренеплодів, особливо потребують хорошої аерації ґрунту. Водночас рис і деякі трави здатні нормально розвиватися на затоплених ділянках з мінімальним доступом повітря.

Регулювати газообмін у польових умовах можна за допомогою спрямованих агротехнічних впливів. Ці заходи покращують структуру пахотного горизонту і полегшують доступ кисню до коренів. Для оптимізації повітряного режиму застосовують такі прийоми:

• обробіток ґрунту;
• створення міцної грудкуватої структури;
• поглиблення пахотного шару;
• меліоративні заходи.

Додатково на газовий режим ґрунту впливає система живлення рослин. Внесення органічних та мінеральних добрив суттєво підвищує інтенсивність виділення діоксиду вуглецю (CO2) і збільшує його вміст у ґрунтовому повітрі. Це пов'язано з посиленням мікробіологічної діяльності та більш активним розвитком самих рослин.