газовая фаза и аэрация почв: Газовая фаза почв, или почвенный воздух, — это смесь газооб­разных

Публикации

газовая фаза и аэрация почв: Газовая фаза почв, или почвенный воздух, - это смесь газооб­разных

Добавлено: 11.02.2015

В статье «Углерод и карбонаты в воде искусственного водоёма» мы показали, что диоксид углерода (CO2), как источник углерода, имеет исключительно важное значение для растительных организмов населяющих искусственный водоём, а в статье «Кислород.

Его влияние на состояние искусственного водоёма» — влияние кислорода в воде на жизнедеятельность живых организмов, населющих искусственный водоём и на общее состояние водоёма.

Правильно организовать газонасыщение водоы искусственного водоёма — залог его гармоничного существования.

В этой статье мы расскажем о необычном источнике углекислого газа и кислорода.

Состав почвенного воздуха, воздушные свойства почв.

Почвенный воздух – это смесь газов и летучих органических соединений, заполняющий поры почвы, свободные от воды. Главным источником почвенного воздуха является атмосферный воздух и газы, образующиеся в самой почве. Попадая в почву, атмосферный воздух претерпевает значительные изменения. Поэтому состав почвенного воздуха отличается от атмосферного воздуха:

ВоздухO2 (%)N (%)CO2 (%)Прочие газы (%)
Атмосферный20,9578,080,031
Почвенный (верхние 15-30 см)11 — 2178 — 860,3 — 8,0

Состав атмосферного воздуха достаточно постоянен, и содержание его основных компонентов практически не меняется. Почвенный воздух отличается значительной динамичностью.

  Изменение состава почвенного воздуха происходит вследствие процессов жизнедеятельности организмов, дыхания корней растений и почвенной фауны, в результате окисления органического вещества.

Трансформация атмосферного воздуха в почве тем интенсивнее, чем выше ее энергетический потенциал и биологическая активность, а также зависит от сложности удаления газов из почвенного профиля. Зависимость интенсивности поглощения кислорода почвой из атмосферы выражается следующей формулой:

SO2 = F (CO2, TS, W, RS, FS, MS, NS…),

где СO2 – концентрация кислорода в почвенном воздухе; TS – температура почвы, W  — влажность почвы; RS — количество корней в почве;  FS — дыхание почвенных животных; MS — активность почвенных микроорганизмов; NS — содержание органического вещества.

В зависимости от количественного содержания, в почвах различают макрогазы и микрогазы.

К макрогазам относятся: азот, кислород, диоксид углерода;

К микрогазам – СО, N2О, NО2, предельные и непредельные углеводороды, водород, сероводород, аммиакэфиры, пары органических и неорганических кислот и другие.

 Из всех газов почвенного воздуха наиболее динамичны кислород (O2) и углекислый газ (CO2).

Это объясняется непрерывным поступление кислорода, необходимого для дыхания почвенной фауны и флоры и образованием углекислоты как следствие процессов окисления органического вещества почвы и активной жизнедеятельности почвенных организмов.

В почвенном воздухе содержание СО2 может доходить до 4-6%, содержание О2 не превышать 15%, содержание азота мало отличается от атмосферного, при этом в почве обнаруживается характерный продукт денитрификации – закись азота (NО3).

Состав почвенного воздуха различен для различных почвенных горизонтов, различных типов почв и изменяется по сезонам года в связи с колебаниями влажности почвы, разложением животных и растительных остатков, внесением органических удобрений.

Процесс поглощения воздуха почвой зависит от ее морфологических особенностей, содержания органических веществ, минералов монтмориллонитовой группы, а также соединений, обладающих большой поглотительной способностью в отношении газов, от давления и температуры воздуха.

Воздушно-физические свойства почв характеризуются рядом показателей, главными из которых являются воздухопроницаемость и воздухоемкость.

Воздухоемкость – это максимально возможное количество воздуха,  которое может содержаться в воздушно-сухой почве. Выражается в объемных процентах.

Величина воздухоемкости приближается к пористости сухих почв, исключая объема, занятого гигроскопической водой и поглощенным воздухом.

Она имеет наибольшие показатели в сухих структурных  рыхлых почвах, а также в почвах легкого гранулометрического состава.

Существует капиллярная и некапиллярная воздухоемкость:

  • Капиллярная воздухоемкость – это способность почвы в сухом состоянии поглощать и удерживать воздух в капиллярных порах малого диаметра. Чем выше капиллярная воздухоемкость, тем меньше подвижность воздуха и сложнее газообмен между почвой и атмосферой.
  • Некапиллярная воздухоемкость —  это способность почвы при капиллярном насыщении водой содержать определенный объем свободного воздуха. Некапиллярная водухоемкость прямо пропорциональна некапиллярной скважности почвы.

Соотношение капиллярной и некапиллярной воздухоемкости является важным показателем воздушно-физических свойств почвы. Структурные почвы всегда имеют определенную величину некапиллярной скважности, которая свободна от воды и заполнена воздухом даже при большой влажности почвы. Это обеспечивает определенную степень проветриванности почвы.

Воздухопроницаемость – это способность почвы пропускать в единицу времени через единицу объема определенное количество воздуха. Воздухопроницаемость является необходимым условием для осуществления газообмена между почвой и атмосферой.

Передвижение воздуха в почве происходит по порам, соединенным друг с другом и не заполненным водой. Чем крупнее поры аэрации, тем лучше выражена воздухопроницаемость почв как в сухом, так и во влажном состоянии.

Воздухопроницаемость структурных рыхлых почв значительно выше, чем плотных бесструктурных глинистых почв, она максимальна в сухих почвах и быстро снижается при увлажнении.

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:

  • 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.
  • физические свойства почвы, к которым относится гранулометрический состав, структура, состояние поверхности, плотность, пористость, температурный режим, влажность почвы,
  • 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.
  • 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 (QS), протекающего через единицу площади почвенной среды за единицу времени, рассчитывается уравнением молекулярной диффузии (первый закон Фике):

где DS – 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, размещается 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, растворимость кислорода небольшая. Растворенные газы проявляют высокую активность.

С насыщением почвенного раствора СО2 повышается растворимость карбонатов, гипса, других соединений. 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 промощи 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 N2, лучшими сорбционными способностями обладает кислород и углекислый газ, самая высокая сорбция – у NH3.

Использование почвенного воздуха.

Обладая подробными данными о концентрации кислорода и углекислого газа в почве, можно наладить оптимальное обогащение водоёма этими газами. Для этого используется система из двух аэраторов, настроенных с помощью таймера.

В ночное время водоём обогащается кислородом, получаемым из атмосферы. В дневное время вода искусственного водоёма обогащается углекислым газом, получаемым из почвы.

Налаживание этих процессов позволит получить экологически сбалансированный искусственный водоём, биологические процессы в котором протекают оптимальным образом.

По материалам научно-информационного журнала «Биофайл»

Источник: https://gidrologia.ru/publikatsii/sostav-pochvennogo-vozduha-vozdushnye-svoystva-pochv.html

Состав и свойства газовой фазы почвы

газовая фаза и аэрация почв: Газовая фаза почв, или почвенный воздух, - это смесь газооб­разных

Наряду с твердым веществом и почвенным раствором важной составляющей почвы является почвенный воздух. Суммарный объем почвенных пор (порозность) составляет от 25 до 60 % объема почвы. Часть порового пространства, не занятая влагой, заполнена воздухом. Соотношение между почвенным воздухом и водой определяется степенью увлажнения почвы.

Состав почвенного воздуха существенно отличается от атмосферного:

Компонент Азот Кислород Диоксид углерода
воздух, % по объему:
атмосферный 0,03
почвенный 78-80 0,1-20,9 0,1-15

Это явление объясняется биологическими процессами, совершающимися в почве. Корни растений, микроорганизмы и почвообитающие животные потребляют кислород и выделяют диоксид углерода (СО2). Незначительная часть кислорода расходуется на химические процессы окисления.

Воздух в почве находится в нескольких состояниях: свободном (в крупных капиллярных и некапиллярных порах); защемленном (в порах, изолированных водными пробками); адсорбированном (на поверхности частиц) и растворенном (в почвенной воде). Лучше всего растворяются в воде аммиак, сероводород, диоксид углерода. По способности сорбироваться газы располагаются в следующей последовательности: N2 < O2 < CO2 < NH3. Более активно, чем газы, частицы почвы поглощают пары воды.

Азот.

азота зависит от развития микробиологических процессов; в частности, оно может уменьшаться в результате связывания его свободно-живущими азотфиксирующими организмами и клубеньковыми растениями, а увеличиваться вследствие распада белков и денитрификации азотсодержащих веществ под действием микроорганизмов. В болотных и заболоченных почвах почвенный воздух может содержать заметные количества NH3, CH4, H2, H2S.

кислород. Огромная роль кислорода в биосфере в целом и в почвенном воздухе в частности общеизвестна. Достаточное количество кислорода обеспечивает необходимый уровень микробиологической деятельности, дыхание 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. Полный анаэробный процесс, согласно И.П.

Гречину, начинается при снижении содержания кислорода до 2,5 %, однако длительное сохранение концентрации О2 около 10-15 % уже угнетает воздухолюбивые культуры. При содержании кислорода менее 5 % большая часть растений гибнет. Концентрация кислорода в различных почвах в разные сезоны колеблется в широких пределах от десятых долей до 21 %.

Оптимальные условия для развития растений создаются при его содержании около 20 %. кислорода в почвенном воздухе контролирует окислительно-восстановительный режим почв.

Углекислый газ. по мнению некоторых ученых, углекислый газ атмосферы на 90 % имеет почвенное происхождение. Процессы дыхания и разложения, непрерывно протекающие в почвах, постоянно пополняют атмосферные запасы СО2. На протяжении суток почвы выделяют от 10-20 до 100 кг СО2 с 1 га.

Биологическое значение этого газа многосторонне. С одной стороны, он обеспечивает ассимиляционный процесс растений (искусственное повышение концентрации СО2 в атмосфере теплиц вызывает увеличение скорости фотосинтеза и дает 50-100-процентный прирост урожая).

В то же время, избыток СО2 в составе почвенного воздуха (более 3 %) угнетает развитие процессов, замедляет прорастание семян, сокращает интенсивность поступления воды в растительные клетки. Таким образом, оптимальные уровни концентрации СО2 в составе почвенного воздуха колеблются в пределах 0,3-3,0 %.

Однако при оптимальном содержании кислорода вредное действие углекислого газа проявляется только при высокой его концентрации.

Почвенно-химическая и геохимическая роль диоксида углерода весьма существенна. Вода, насыщенная СО2, растворяет многие труднорастворимые соединения: кальцит CaCO3, доломит CaCO3 × MgCO3, магнезит MgCO3, 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.

К воздушным свойствам почв относятся воздухоемкость и воздухопроницаемость.

Воздухоемкость – та часть объема почвы, которая занята воздухом при данной влажности. В сухих почвах она может колебаться в пределах 25-90 % от объема почвы. Однако в природных условиях почва всегда содержит влагу, и ее воздухоемкость ниже указанных пределов. Нормальная аэрация обеспечивается при воздухоемкости более 15 % от объема почвы.

Воздухоемкость почв зависит также от гранулометрического состава, сложения, степени оструктуренности. Различают капиллярную воздухоемкость, характерную для тяжелосуглинистых, бесструктурных, плотных, набухающих почв, и некапиллярную, т.е. воздухоемкость межагрегатных пор, трещин и камер, достигающую максимальных значений в хорошо оструктуренных, слабоуплотненных почвах.

Воздухопроницаемость – способность почвы пропускать воздух. Она зависит от гранулометрического состава почвы, ее оструктуренности, от объема и строения порового пространства. Воздух передвигается по порам, не заполненным водой и не изолированным друг от друга.

Крупные поры аэрации способствуют лучшей воздухопроницаемости, увеличению в почвенном воздухе содержания кислорода и уменьшению углекислого газа. Наиболее благоприятные условия для воздухопроницаемости создаются в структурных почвах.

Воздухопроницаемость в естественных условиях изменяется в широких пределах (от 0 до 1 л/с и выше).


6.2. Газообмен между почвой и атмосферой

Между почвенным воздухом и внешней атмосферой существует постоянный газообмен (или аэрация) через воздухоносные поры почвы. К факторам, вызывающим аэрацию, относятся следующие:

· атмосферные условия (колебания температур воздуха и атмосферного давления, количество осадков, ветер и пр.);

· физические свойства почвы;

· физические свойства газов (скорость диффузии, градиенты концентрации газов в почвенном профиле и в атмосфере, способность к сорбции-десорбции и пр.);

· обменные физико-химические реакции между ППК, почвенным раствором и газовой фазой;

· поступление влаги в почву с осадками или при орошении.

Все указанные факторы газообмена действуют в природных условиях совместно. Однако основным следует признать диффузию, а остальные являются подчиненными.

В почве диффузия газов идет через поры аэрации, часть которых занята защемленным воздухом, и газообмен через них не осуществляется. Такие макропоры имеются во всех почвах, но их объем больше в тяжелых бесструктурных почвах.

Поэтому состояние газообмена связано не только с суммарным количеством пор, но и с их размером, что зависит, главным образом, от структуры почвы и плотности сложения.

В структурной почве даже при насыщении водой ее капиллярных пор сохраняется достаточное количество крупных межагрегатных пор аэрации, которые обеспечивают нормальный газообмен. При увлажнении бесструктурной почвы до полной влагоемкости все ее поры оказываются заполненными водой и аэрация прекращается.

В этом случае в почвенном воздухе резко уменьшается содержание кислорода, и начинают развиваться анаэробные микробиологические процессы, приводящие к образованию метана, сероводорода, аммиака и других газов.

Скорость газообмена зависит от влажности почвы.

При влажности, не превышающей наименьшей влагоемкости (НВ), обмен газами совершается свободно, концентрация кислорода в почвенном воздухе близка к концентрации его в атмосфере, а концентрация СО2 не больше 4 % (обычно 1,5-2 %).

При влажности, большей НВ, газообмен ухудшается, концентрация СО2 может увеличиться до 10-15 % и более, а содержание О2 снизиться до 5-10 %.

Наблюдения и расчеты показывают, что хороший газообмен между почвенным и атмосферным воздухом на дерново-подзолистых почвах обеспечивается при пористости аэрации более 15-20 % к объему почвы, для торфяных почв – 30-40 %. При таких условиях аэрации в почвах наблюдается благоприятный состав почвенного воздуха: содержание CO2 обычно не превышает 2-3 %, а концентрация кислорода не падает ниже 18 %.

кислорода и углекислого газа в почвенном воздухе зависит от типа почвы, ее свойств (физических, химических, биологических), времени года, погодных условий и характера угодья (пашня, лес, луг). В почвах нормального увлажнения концентрация двуокиси углерода обычно растет сверху вниз (табл.8). Наибольшей величины она достигает над уровнем грунтовых вод даже при хорошем газообмене.

Таблица 8

O2 и CO2 в почвенном воздухе, % по объему

(Московская область, июль)

Глубина взятия пробы, см Дерново-подзолистая почва Дерново-глеевая
O2 CO2 O2 CO2
20,9 0,1 19,3 1,3
20,8 0,3 18,3 2,5
20,7 0,3 2,9 16,8
20,6 0,5 2,2 19,5
20,4 0,7

Сильное влияние на поглощение О2 и выделение СО2 почвой оказывает тепловой режим. При увеличении температуры с 5 до 30 °С интенсивность поглощения О2 и выделения СО2 возрастает в 10 раз. Летом почва поглощает кислорода и выделяет углекислого газа в несколько раз больше, чем ранней весной и поздней осенью.

Предыдущая891011121314151617181920212223Следующая

Дата добавления: 2016-01-09; просмотров: 1210; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

ПОСМОТРЕТЬ ЁЩЕ:

Источник: https://helpiks.org/6-46463.html

Глава 8. ПОЧВЕННЫЙ ВОЗДУХ

газовая фаза и аэрация почв: Газовая фаза почв, или почвенный воздух, - это смесь газооб­разных

Глава 8. ПОЧВЕННЫЙ ВОЗДУХ

Воздушная фаза почвы – важная и наиболее динамичная составная часть почвы, находящаяся в тесной взаимосвязи с остальными фазами.

Почвенным воздухом называется смесь газов и летучих органических соединений, заполняющих почвенные поры, поэтому почвенный воздух является конкурентом почвенного раствора.

Количество и состав почвенного воздуха оказывают большое влияние на развитие и жизнедеятельность растений и микроорганизмов, растворимость химических соединений и их миграцию в профиле, на интенсивность почвенных процессов.

§1. Состав почвенного воздуха

Количество воздуха в почве и его состав зависят от ее воздухоемкости и воздухопроницаемости, а также от пористости и влажности, так как почвенный воздух занимает все поры, в которых нет воды.

При одной и той же влажности в структурных почвах, обладающих некапиллярной пористостью, воздуха больше, чем в бесструктурных. Дополнительное насыщение почвы водой влечет за собой вытеснение из нее воздуха.

Воздушный режим наиболее благоприятен в структурных и рыхлых почвах.

Главными источниками газовой фазы являются атмосферный воздух  и газы, образующиеся в самой почве.

Химический состав почвенного воздуха тесно связан с атмосферным, так как идет постоянный газообмен, но количественный показатель составляющих газов отличается, что обусловлено и физическими свойствами самой почвы.

Чем более пористая почва, тем ближе составы почвенного и атмосферного воздуха. В результате дыхания микроорганизмов и корней растений почвенный воздух обычно намного богаче углекислым газом и беднее кислородом (табл. 12).

Если состав атмосферного воздуха в целом  постоянный, то содержание кислорода и углекислого газа в почвенном воздухе может сильно колебаться.

Таблица 12.

Состав атмосферного и почвенного воздуха

ВоздухАзот, %Кислород, %Углекислый газ, %
Атмосферный78,820,950,03
Почвенный78,810 – 2011 – 1

В пахотных хорошо аэрируемых почвах с благоприятными физическими свойствами содержание и СО2 в течение вегетации растений не превышает 1 – 2 %, а содержание О2 не бывает ниже 18 %. При переувлажнении в тяжелых пахотных почвах  содержание СО2 может достигать 4 – 6 % и более, а О2 падать до 17 – 15 % и ниже.

В заболоченных почвах наблюдаются еще более высокие концентрации СО2 и низкие О2. Оптимальное содержание О2 и СО2 в почвенном воздухе соответственно 20 % и 1 %. При такой обеспеченности кислородом в почве развиваются аэробные процессы и создаются благоприятные условия для произрастания растений. Для пропашных культур (овощные и др.

) желательно минимальное содержание О2 не ниже 17 %, зерновых – не ниже 14 % (овес хорошо растет и при 10 % О2). Основными потребителями кислорода в почве являются корни растений, аэробные микроорганизмы и почвенная фауна и лишь незначительная часть его расходуется на химические процессы.

Недостаток кислорода ослабляет дыхание, обмен веществ, а при отсутствии в почве свободного кислорода прекращается развитие растений.

Влияние недостатка кислорода в почве связано с увеличением концентрации СО2,понижением окислительно-восстановительного потенциала, развитием анаэробных (восстановительных) процессов, образованием токсичных для растений соединений (СН4, Н2S, С2Н4), снижением доступных питательных веществ, ухудшением физических свойств почвы. Все это в конечном итоге снижает плодородие почвы и урожай растений. Таким образом, СО2 и О2 являются антагонистами в почве.

Второй важный компонент почвенного воздуха – углекислый газ, который обнаруживается в почве главным образом благодаря биологическим процессам. Частично он может поступать из грунтовых вод, а также в результате его десорбции из твердой и жидкой фаз почвы.

Некоторое количество СО2 может возникать при превращении бикарбонатов в карбонаты во время испарения почвенных растворов и в процессе воздействия кислот на карбонаты почвы, а также химического окисления органического вещества. Высокое содержание его в почве (> 3 %) отрицательно действует на семена, угнетает развитие растений и снижает урожай.

Однако СО2 необходим для фотосинтеза (установлено, что 38 – 72 % СО2 доставляется растению из почвенного воздуха). Есть мнение, что 90 % СО2  атмосферного воздуха имеет почвенное происхождение.

В почвенном воздухе, кроме макрогазов (N2, СО2, О2), часто встречаются Н2, Н2S, СН4, NH3, предельные и непредельные углеводороды, эфиры, фосфористый водород, образующиеся в результате анаэробного разложения органического вещества и их новообразования, трансформацией в почве удобрений, гербицидов, продуктов техногенного загрязнения. Их концентрации очень малы, но этого может быть достаточно для снижения биологической активности почв.

§2. Газообмен почвенного воздуха, воздушные свойства и воздушный режим почвы. Регулирование воздушного режима почв

Между почвенным и атмосферным воздухом происходит постоянный газообмен (аэрация). Если бы его не было, то состав почвенного воздуха мог бы настолько ухудшиться, что стал бы совершенно непригодным для развития растений.

Поэтому чем быстрее и полнее обменивается почвенный воздух с атмосферным, тем благоприятнее создаются в почве условия для жизни культурных растений, а также для биохимических почвенных процессов.

Газообмен имеет огромное значение и для развития надземных частей растений, так как органическую массу они строят благодаря ассимиляции углекислого газа воздуха.

же его в воздухе иногда бывает недостаточным для интенсивного развития растений, поэтому чем лучше развит газообмен в почве, чем больше насыщается приземный слой воздуха СО2, тем благоприятнее условия для роста растений.

Газообмен почвенного воздуха с атмосферным происходит через систему воздухоносных (некапиллярных) пор под действием диффузии, изменения температуры почвы, атмосферного давления, уровня грунтовых вод, изменения количества влаги в почве (зависящее от атмосферных осадков, орошения и испарения), ветра. Глубина газообмена около 50 см.

роль в газообмене принадлежит механизму диффузии – перемещению газов в соответствии с их парциальным давлением. Поскольку в почвенном воздухе О2 меньше, а СО2 больше, чем в атмосфере, то под влиянием диффузии создаются условия для непрерывного поступления О2 в почву и выделения СО2 в атмосферу.

Изменение температуры, барометрического давления и ветра вызывают объемные изменения воздуха (сжатие или расширение), а следовательно, и общий ток его из почвы или в почву. Изменение количества влаги в почве и уровня грунтовых вод способствует газообмену, так как влага осадков вытесняет почвенный воздух, а испарение воды из почвы вызывает поступление атмосферного воздуха на ее место.

Состояние газообмена определяется воздушными свойствами почв. К воздушным свойствам почв относятся воздухопроницаемость и воздухоемкость.

Воздухопроницаемость – способность почвы пропускать через себя воздух. Она измеряется количеством воздуха в мл, прошедшим под определенным давлением в единицу времени через площадь сечения почвы 1 см2 при толщине слоя 1 см. Чем полнее выражена воздухопроницаемость, тем лучше газообмен, тем больше в почвенном воздухе О2и меньше СО2.

Воздухопроницаемость зависит от механического состава почвы, ее плотности, структуры и некапиллярной порозности. Воздух в почве передвигается по порам, не заполненным водой и не изолированным друг от друга, чем они крупнее, тем лучше воздухопроницаемость.

В структурных почвах, где наряду с капиллярными порами имеется достаточное количество крупных некапиллярных пор, создаются наиболее благоприятные условия для воздухопроницаемости, при одной лишь капиллярной пористости, свойственной бесструктурным почвам, диффузия воздуха тормозится.

Снижает газообмен также образующаяся на поверхности почв корка.

Воздухоемкость – это способность почвы содержать в себе определенное количество воздуха, выражается в объемных процентах. Зависит от влажности и пористости почвы: чем выше пористость и меньше влажность, тем больше воздуха содержится в почве.

Максимальная воздухоемкость характерна для сухих почв и равна общей пористости. Однако в природных условиях почвы всегда содержат то или иное количество воды, поэтому величина воздухоемкости очень динамична.

В воздушно-сухом состоянии воздухоемкость (РВ) почвы представляет разность между общей пористостью и объемом гигроскопической воды:

где Робщ – общая порозность почвы (%), РГ – объем гигроскопической влаги (%).

В естественных условия количество пор, занятых воздухом (пористость аэрации, РАЭР), определяют по формуле:

где РW – объем пор, занятых водой (%), определяется по формуле:

где dV – объемная плотность в г/см3, W – влажность почвы (%).

Нормальная аэрация почв обеспечивается, если величина воздухоемкости превышает 15 % объема почвы. Оптимальные условия для газообмена создаются при содержании воздуха в минеральных почвах 20 – 25 %, а в торфяных  – 30 – 40 %.

Воздушным режимом почв называют совокупность всех явлений поступления воздуха в почву, передвижения его в профиле почвы, изменения состава и физического состояния при взаимодействии с твердой, жидкой и живой фазами почвы, а также газообмен почвенного воздуха с атмосферным.

Воздушный режим почв подвержен суточной, сезонной, годовой изменчивости и находится в прямой зависимости от свойств почв (физических, химических, физико-химических, биологических), погодных условий, характера растительности, возделываемой культуры, агротехники.

Важным показателем воздушного режима почв является динамика СО2 и О2 в почвенном воздухе. Пахотные почвы основных типов почв поглощают при 20 °С от 0,5 до 5 мл и более О2 на 1 кг сухой почвы за 1 ч.

Основные потребители кислорода и продуценты углекислого газа в почве – корни растений, микроорганизмы и почвенные животные. Потребление кислорода высшими и низшими растениями зависит от их биологических особенностей и возраста, а также от температуры и влажности среды и др.

При увеличении температуры с 5 до 30 °С интенсивность поглощения О2 и выделения СО2 возрастает в 10 раз.

Выделение СО2 из почвы в приземный слой атмосферы принято называть «дыханием» почвы. Интенсивность дыхания почвы зависит от ее свойств, гидротермических условий, характера растительности, агротехнических мероприятий и является важной характеристикой газообмена и активности биологических процессов в почве.

Выделение СО2 почвой усиливается при ее окультуривании в связи с активизацией биологических процессов и улучшением условий аэрации.

Торфяно-глеевые почвы тундры выделяют СО2 в количестве 0,3 т/га в год, подзолистые почвы хвойных лесов – от 3,5 до 30, бурые и серые лесные почвы – от 20 до 60, степные черноземы – 40 – 70 т/га в год.

Динамика этих газов в почве сильно подвержена сезонным колебаниям, так как смена времен года сопровождается резким изменением температуры и влажности. Летом потребление кислорода и выделение углекислого газа в несколько раз больше, чем ранней весной и поздней осенью.

Наиболее благоприятно воздушный режим складывается в структурных почвах, обладающих рыхлым сложением, способных быстро проводить и перераспределять поступающие в них воду и воздух. В улучшении воздушного режима нуждаются многие почвы, особенно с постоянным или временным избыточным увлажнением.

Регулирование воздушного режима почв достигается агротехническими и мелиоративными приемами.

Применяются такие мероприятия по обеспечению нормального газообмена, как разрушение почвенной корки и поддержание поверхности почвы в рыхлом состоянии путем глубокой вспашки, боронования, культивации, рыхления междурядий в период вегетации. Воздушный режим в заболоченных и периодически переувлажненных почвах регулируют осушением.

Источник: https://ebooks.grsu.by/pochva_s_osn_rast/glava-8-pochvennyj-vozdukh.htm

Газовая фаза почв

газовая фаза и аэрация почв: Газовая фаза почв, или почвенный воздух, - это смесь газооб­разных

Введение…………………………………………………………………………………………………..3

1. Газовая фаза почв…………………………………………………………………………………..4

  1.1 Формы почвенного воздуха…………………………………………………………………4

  1.2 Состав почвенного воздуха………………………………………………………………….6

  1.3Свойства воздушной фазы……………………………………………………………………7

  1.4 Потребление О2 и продуцирование СО2 в почве………………………………….9

  1.5 Газообмен почвенного воздуха с атмосферой……………………………………11

  1.6 Динамика О2 и СО2 почвенного воздуха…………………………………………….14

  1.7 Экологическая значимость почвенного воздуха…………………………………15

Заключение……………………………………………………………………………………………..18

Список используемой литературы…………………………………………………………….19

Введение

Почвенный воздух является важнейшей составной частью почвы. Первые сведения о его составе были получены еще в 1824 году французским ученым Ж. Буссенко.

Важные работы по изучению почвенного воздуха были выполнены в первой четверти 20 столетия А. Г. Дояренко, Б. Кином, В. Кэнноном, Э. Расселом и др.

За последние 15—20 лет вновь усилился интерес к изучению этих вопросов, что нашло отражение в работах как отечественных, так и зарубежных ученых.

Газовая фаза − раздел физики почв, в котором рассматриваются состав, свойства и поведение газообразных компонентов почвенной физической системы  во взаимодействии с другими ее компонентами и внешним окружением.

Почва с позиций современной физики является открытой, поликомпонентной, полидисперсной, динамической биокосной системой, состоящей из трех фаз −  твердой, жидкой и газообразной.

Свойство системы быть открытой означает, что она находится в материально- энергетическом взаимодействии с внешним миром: другими системами, потоками веществ и энергии, физическими полями.

Поликомпонентность и полидисперсность почвы характеризуют неоднородность ее физического состава, куда входят разнообразные минеральные, органические, органоминеральные элементарные почвенные частицы (ЭПЧ) и их ассоциаты (агрегаты), резко различающиеся по своим  размерам, форме и свойствам.

В отличие от большинства минералов и горных пород, почва является в той или иной мере рыхлой пористой средой, обладающей высокой дисперсностью и поверхностной энергией ЭПЧ. В связи с этим в физическом составе почвы  помимо твердых частиц выделяются так называемые флюиды − водные растворы, газы и пары, занимающие поровое пространство и свободную поверхность твердых компонентов.

1.Газовая фаза

Газовая фаза почв или почвенный воздух — это смесь газообразных  веществ, занимающая поровые пространства почвы и находящаяся в свободном, водорастворенном или адсорбированном состоянии.

Почвенный воздух формируется:

  • путем заполнения поровых пространств воздухом из приземного слоя атмосферы;
  • в результате диффузионных процессов, как следствие различия парциальных давлений отдельных газов почвенной газовой фазы и атмосферы;
  • как продукт почвенных биохимических и химических процессов, включая дыхание почвенных организмов.

1.1 Формы почвенного воздуха

Газы почвенного воздуха находятся в нескольких физических состояниях: собственно почвенный воздух -свободный и защемленный, адсорбированные и растворенные газы.

Свободный почвенный воздух — это смесь газов и летучих  органических соединений, свободно перемещающихся по системам почвенных пространств, сообщающихся с воздухом атмосферы.

Его объем в воздушно — сухой почве соответствует ее прозрачности. При увлажнении почвы количество воздуха уменьшается пропорционально насыщению влагой.

При полной влагоемкости почвы газовая фаза присутствует только в растворенном состоянии.

Защемленный почвенный воздух — воздух, находящийся в порах, со всех сторон изолированных водными пробками. Чем более тонкодисперстна почвенная масса и компактней её упаковка, тем большее  количество защемлённого воздуха она может иметь.

В суглинистых почвах содержание защемленного  воздуха достигает более 12% от общего объема почвы или более четвертой части всего ее порового пространства.

Защемленный воздух неподвижен, практически не участвует в газообмене между почвой и атмосферой, существенно препятствует фильтрации воды в почве, может вызывать разрушение почвенной структуры при колебаниях температуры, атмосферного давления, влажности.

Адсорбированный почвенный воздух — газы и летучие органические соединения, адсорбированные почвенными частицами на их поверхности. Чем более дисперсна почва, тем больше содержит она адсорбированных газов при данной температуре.

Количество сорбированного воздуха также зависит от минералогического состава почв, от содержания органического вещества, влажности.

Песок поглощает воздуха в 10 раз меньше, чем тяжелый суглинок, мелкодисперсный кварц сорбирует CО2 в 100 раз меньше, чем гумус (табл. 1)

Таблица 1.Способность к поглощению почвенного воздуха и его компонентов частицами твердой фазы почвы, см3/100 г при 20 0С (по Ковде)

Почвенная массаВоздухСО2NH3
Кварцевый песок0,7512145
Каолин166197
Гумус126424228
Супесь2,26
Легкий суглинок4,93
Тяжелый суглинок7,00
Чернозем14,40

Растворенный воздух — газы, растворенные в почвенной воде. Растворенный воздух ограниченно участвует в аэрации почвы, так как диффузия газов в водной среде затруднена.

Однако растворенные газы играют большую роль в обеспечении физиологических потребностей растений, микроорганизмов, почвенной фауны, а также в физико- химических и химических процессах в почвах.

Способность газов к растворению показана в (табл. 2)

Таблица 2. Растворимость газов в воде, см3/л

ГазыТемпература,0С
52030
Воздух0,250,190,16
СО214,248,786,65
О20,430,310,26

Подчеркнем особую значимость растворенного в воде углекислого газа. При высокой растворимости С02 велика его роль в создании кислотности, в почвах при отсутствии карбонатов (СаС03 и др.) происходит подкисление среды:

С02 + Н20 = 2H + С032-

В нейтральных и щелочных почвах СО2, растворенный в воде, -главное условие миграции карбонатов.

1.2 Состав почвенного воздуха

Из всех компонентов почвы воздушная фаза — наиболее динамичная по объему и соотношению формирующих ее газов. Главные по массе — это N2, 02 и С02, а также вода. Примерное их содержание в сравнении с атмосферой (% от объема):

Газы            Атмосфера          Газовая фаза почв

N2                  78          78-86       

02                   21                  10-20

С02                  0,03                       0,1-15

Н20 относи-     Менее 9                Более 95

тельная влажность 

Почвенный воздух имеет почти такое же количество азота, как и атмосфера Земли, кислорода обычно в два раза меньше, а двуокиси углерода — в десятки и сотни раз больше. Установлено, атмосфера Земли на 90% обеспечивается углекислым газом, т. е.

основным источником углеродного питания растений, за счет его диффузии из почвенного воздуха. Вода как неизменный компонент в почвенном воздухе всегда находится на грани конденсации, и ее переход в капельножидкое состояние возможен при относительно небольших снижениях температур.

Это часто служит источником свободной воды, например, в песках пустыни, в глубоких горизонтах черноземов при градиенте температур воздуха почвы в верхних слоях 30 0С, в нижних 10 0С.

Общеизвестна зимняя конденсация Н20 в промерзающих слоях сельских и городских почв (появление мокрой почвы в крытых токах, увлажнение почв под асфальтом городских улиц и т. д.).

Высокую динамичность содержания в воздухе кислорода и диоксида углерода иллюстрирует табл. 3.

Таблица 3. Пределы изменения содержания 02 и С02 в почвенном воздухе в течении года(по Зборищук)

Почва02, %со2,%
Иловато-болотная11,9-19,41,1-8,0
Торфяно-глеевая13,5-19,50,8-4,5
Дерново-подзолистая18,9-20,40,2-1,0
Серая лесная19,2-21,00,2-0,6
Чернозем обыкновенный19,5-20,803-0,8
Чернозем южный19,5-20,90,05-0,6
Каштановая19,8-20,90,05-0,5
Серозем20,1-21,00,05-0,3

В незначительных количествах в почвенном воздухе присутствуют такие компоненты, как N20, N02, СО, различные углеводороды (этилен, ацетилен, метан), сероводород, аммиак, эфиры и др. Происхождение микрогазов связывается с жизнедеятельностью организмов, особенно в анаэробных условиях.

Болота часто выделяют самовозгорающиеся и психотропные газы. Обязательно присутствие инертных газов, в том числе и радиоактивных. Источником последних является распад радионуклидов минеральной части почвы. Естественная радиоактивность почвенного воздуха намного выше атмосферного.

1.3 Свойства воздушной фазы

Главные свойства воздушной фазы почв: воздухоемкость, воздухопроницаемость, высокая динамичность воздухообмена и химического состава.

Воздухоемкость — это та часть объема почвы, которая занята воздухом при данной влажности. Выделяют полную, или потенциальную воздухоемкость, которая свойственна сухим почвам.

Она соответствует пористости (порозности) почв и напрямую зависит от их плотности. Актуальная воздухоемкость — это содержание воздуха в почве в каждый конкретный момент при том или ином уровне увлажнения.

Таким образом, воздухосодержание (Рв) определяется:

Рв = Робщ — Pw

где Робщ — порозность почвы, Pw — влажность почвы. Все величины выражаются в процентах от объема.

Вода и воздух в почвах антагонисты: чем больше воды в почве, тем меньше воздуха. Оптимальная экологическая гармония для большинства растений — вода и воздух должны содержаться в равных по объему количествах, что соответствует влажности почвы 60% от НВ.

Воздухопроницаемость — способность почвы пропускать через себя воздух. Воздухопроницаемость — непременное условие газообмена между почвой и атмосферным воздухом. Чем она выше, тем лучше газообмен, тем больше в почвенном воздухе содержится кислорода и меньше углекислого газа.

Воздух в почве передвигается по порам, не заполненным водой и не изолированным друг от друга. Чем крупнее поры аэрации, тем лучше воздухопроницаемость.

В структурных почвах, где наряду с капиллярными порами имеется достаточное количество крупных некапиллярных пор, создаются наиболее благоприятные условия для воздухопроницаемости.

Динамика почвенного воздуха зависит от многих факторов. Постоянно протекающий процесс обмена почвенного воздуха с атмосферным называется аэрацией почвы.

При постоянной влажности почвы аэрация зависит от интенсивности диффузии и изменения температуры и барометрического давления.

Диффузия — перемещение газов в соответствии с их парциальным давлением. Поскольку в почвенном воздухе кислорода меньше, а углекислого газа больше, чем в атмосфере, то под влиянием диффузии создаются условия для непрерывного поступления кислорода в почву и выделения С02 в атмосферу.

Источник: https://www.referat911.ru/Geografiya/gazovaya-faza-pochv/582684-3423691-place1.html

Газообразная фаза почвы

газовая фаза и аэрация почв: Газовая фаза почв, или почвенный воздух, - это смесь газооб­разных
 25.06.2014

Существенным фактором жизненных процессов в почве является ее воздушная или газовая фаза. Свободное пространство между почвенными комочками пронизано воздухом, если только оно не заполнено почвенным раствором.

Воздух в почве находится в трех состояниях: а) свободный, заполняющий свободные промежутки между почвенными частицами и агрегатами; 6) растворенный в почвенном растворе; в) поглощенный или сорбированный твердой фазой почвы.Все эти состояния воздуха имеют значение в жизни почвы.

Воздух поглощается минеральными и органическими коллоидными частицами, причем наибольшее поглощение его производится органической частью и тогда, когда последняя находится в сухом состоянии. По мере увлажнения почвы поглощение воздуха уменьшается. При влажности несколько выше максимальной гигроскопической оно вовсе прекращается.

Молекулы воды адсорбируются почвенными частицами сильнее, чем молекулы газов.Различные газы адсорбируются частицами почвы с различной силой. По способности поглощаться почвой они распределяются в следующем порядке: NH3 > CO2 > O2 > N2 > H2S > CH4. Способность почв адсорбировать газы и удерживать их различна в зависимости от состава коллоидной части.

Наибольшее поглощение производится перегноем, а также гидроокисью железа.При повышении температуры способность почвы удерживать газы понижается. Наибольшее значение для биологии почвы имеет свободный воздух и воздух, растворенный в почвенной воде. Общее содержание свободного воздуха в почве зависит от ее порозности и влажности.

Так как воздух и вода занимают одно и то же пространство в почве, то увеличение объема одного из этих компонентов ведет к соответствующему уменьшению другого.Порозность почв, как отмечалось выше, величина непостоянная, она меняется от разных причин в пределах 25—50% и в редких случаях поднимается до 60%.

Почвенное пространство бывает заполнено почти целиком воздухом только в сухой почве. При поливе или в дождливое время скважины заполняются водой, вытесняя воздух.По исследованиям А.А.

Шмука верхний горизонт почвы (0—10 см) чернозема Предкавказья содержит следующие количества воздуха на 1000 см3 почвы под разными культурами:Из этих данных видно, что количество воздуха в одной и той же почве меняется в зависимости от ее состояния и степени окультуренности, от растительного покрова и других факторов.

В целине его меньше (8%), чем в окультуренной почве, под злаками меньше, чем под пропашными культурами. Наибольшее количество (32%) воздуха находится в парующей почве. Такие же примерно данные получены и при исследовании дерново-подзолистых почв (опытные поля Сельскохозяйственной академии им. Тимирязева).

воздуха в них колебалось от 15 до 36%, более всего воздуха было в почве под черным паром. воздуха в почве в течение вегетационного периода меняется мало, если ее влажность сохраняется на одном уровне. Количество воздуха уменьшается в строгом соответствии с увлажнением почвы.Состав почвенного воздуха. Почвенный воздух никогда не бывает такого же состава, как воздух атмосферы.

Он более разнообразен по качественному и объемному содержанию составляющих его газов.Как известно, воздух атмосферы состоит из азота — 79,01 %, кислорода — 20,96% и углекислоты — 0,03%. Кроме этого, в воздухе атмосферы обнаруживаются и другие газы в незначительных количествах (неон, криптон, аргон, ксенон, гелий и др.).

Воздух почвы отличается от атмосферного более высоким количеством CO2. в нем кислорода меняется в меньших пределах, а азота — остается почти без изменения. Кроме атмосферных, в почвенном воздухе содержатся многие другие газы, образуемые в результате жизнедеятельности организмов или дыхания почвы.

В нем обнаруживаются различные органические и неорганические летучие соединения: аммиак, сероводород, метан, органические кислоты, спирты, эфиры, смолы и многие другие соединения — продукты метаболизма микробов, растений и животных.Состав почвенного воздуха изучен слабо.

Наиболее важным компонентом почвенной атмосферы является углекислый газ, конечный продукт разложения органического вещества. По выделению углекислого газа судят об интенсивности биохимических процессов, совершающихся в почве.

Количество углекислоты в почве заметно меняется в зависимости от состава и типа почв, от жизнедеятельности почвенного населения, от климатических и других условий. Особенно велика зависимость образования углекислоты от микроорганизмов. Все то, что способствует развитию и жизнедеятельности микроорганизмов, увеличивает продукцию данного газа.

Люндергард считает, что две трети всей углекислоты, находящейся в почвенном воздухе, образуется в результате деятельности бактерий, а одна треть — корней растений.В почвах, богатых органическими веществами, или перегноем, как правило, CO2 больше, чем в почвах, где гумусовых веществ мало.

Виленский приводит следующие показатели образования углекислоты в разных почвах (CO2 в кг на гектар за один час):Под пологом леса, по данным Зонна, воздух более насыщен CO2, чем в поле; осенью (16—17 сентября) выделялось CO2:Количество углекислоты в почве резко меняется в зависимости от состава растительных остатков.

По данным Стоклаза один грамм сухого вещества корней при разложении выделяет в течение 24 часов CO2 в мг:Выделение этого газа почвой, по данным Макарова, колеблется в пределах от 400 до 600 кг на гектар в течение суток.

На полях севооборота за вегетационный сезон выделяется углекислоты (в тоннах на гектар): на пару — 35, под озимой рожью — 65, под овсом — 79, под травой первого года пользования — 98.Под разной растительностью образование и выделение углекислоты почвой сильно различается. Например, под клевером выделяется CO2 в.

единицу времени — 0,558 г, под сераделлой — 0,305 г, под горчицей 0,218 г, под рисом — 0,285 г с каждого квадратного метра почвы.Наибольшее количество углекислоты выделяется из-под бобовых трав — клевера, люцерны и др. Объясняется это активной жизнедеятельностью клубеньковых бактерий.

По данным Бонда, дыхание клубеньков на корнях сои было в 3 раза выше, чем дыхание корней на единицу сухой массы. Общая масса клубеньков выделила CO2 значительно больше, чем масса корней всего растения.В приземном слое воздуха может содержаться 10% и более CO2 вследствие поступления ее из почвы. В глубоких слоях почвы воздух более насыщен углекислым газом, чем в верхних.

Динамика выделения углекислого газа меняется в зависимости от фазы вегетации растений. Под зерновыми культурами выделение газа наибольшее в период цветения, под травами— в период бутонизации, перед укосом. Макаров связывает максимум выделения CO2 с наибольшим развитием корневой системы в данной фазе развития растений.

По нашим наблюдениям, период наиболее интенсивного выделения CO2 совпадает с максимальным развитием прикорневой микрофлоры.Отмечается большое влияние температуры на микробиологическую деятельность, а следовательно, на образование CO2. Опыты показывают, что повышение температуры с 15 до 28° увеличивает образование углекислого газа в почве в 2 раза.

Зависимость дыхания почвы от некоторых из этих факторов можно изобразить в виде кривых (рис. 52).Картина количественных колебаний кислорода в почвах обратна той, которая описана для CO2. В верхнем слое, до 30 см глубины, количество кислорода равно 15—20%. По мере углубления содержание его резко убывает.

На глубине 60—90 см весной кислорода очень мало, содержание его выражается долями процента (0,3—0,8). В летние месяцы количество его в глубоких слоях почвы повышается, достигая в июле на той же глубине 15—19%, а в августе даже на глубине 180 см 11—13%. В октябре содержание кислорода снова уменьшается. Эти колебания обусловлены температурой и влажностью.

Совершенно очевидно, что с изменением содержания кислорода все биологические процессы будут меняться не только в количественном, но и в качественном отношении. При наличии достаточного притока кислорода будут протекать преимущественно окислительные процессы, а при недостатке его — восстановительные.Газы почвенного воздуха могут находиться в растворенном состоянии.

Как уже сообщалось выше, почвенный раствор содержит всегда большее или меньшее количество воздуха и газов, находящихся в почве и атмосфере.Растворимость газов в почвенном растворе зависит от их природы, парциального давления, от температуры и от концентрации солей в растворе. Согласно закону Генри растворимость газа в жидкости прямо пропорциональна его давлению.

Если жидкость соприкасается со смесью газов, то каждый из них будет растворяться не под влиянием общего давления, а соответственно своему парциальному давлению.Наибольшей растворимостью из почвенных газов обладают СО2. аммиак, сероводород и некоторые другие. Слабее растворяется кислород и очень слабо азот. Зависимость растворимости газов от температуры показана в табл. 10.В почвенном растворе всегда имеется много электролитов, поэтому растворимость газов в нем ниже, чем в чистой воде. Почвенный раствор засоленных почв содержит меньше газов, чем раствор незасоленных почв. Поглощение газов в гумусированных почвах выше, чем в негумусированных.В результате микробиологической деятельности в почве обнаруживаются аммиак, сероводород, водород, метан и другие метаболиты, аэробной и анаэробной микрофлоры, а также и такие органические летучие соединения, как уксусная и масляная кислоты, спирты, эфиры, соединения ароматического ряда и др. Специфический запах земли обусловлен летучими метаболитами микробов, преимущественно актиномицетов. Их природа не выяснена. В почвенном воздухе находятся и многие другие соединения, являющиеся источниками прямого и дополнительного питания, а также и некоторые летучие соединения, подавляющие рост и развитие отдельных микробов.Н.Г. Холодный прямыми опытами установил наличие питательных веществ в воздухе атмосферы и почвы. Он показал, что некоторые бактерии и грибы, а также отрезанные кончики корней растения вполне удовлетворительно растут в капле среды, где единственным источником питания были испарения почвы.

Присутствие в почвенном воздухе питательных веществ было установлено и в наших опытах следующим способом. Культура неспороносной палочки — Bact. album, выделенная из почвы, не способна развиваться на синтетической среде Чапека. Ho эта же бактерия, помещенная в капле той же среды в почвенную камеру, начинает хорошо развиваться и давать многочисленные поколения. Следовательно, из почвы выделялись и поступали в каплю среды летучие вещества, которые обеспечивали нормальный рост клеток данной культуры.

Мейсель с сотрудниками показал, что отдельные компоненты витаминов — тиамина, никотиновой кислоты, парааминобензойной кислоты, находящиеся в воздухе, используются микроорганизмами. Биотические вещества поступают в атмосферный и почвенный воздух из почвы и от растений.

По мнению Холодного, витамины, выделяемые в воздух растениями, используются микроорганизмами почвы и самими растениями. Наиболее богат летучими витаминами воздух лесов и лугов.Шавловский обнаружил тиамин и никотиновую кислоту в почвенном воздухе серой лесной почвы и в оподзоленном черноземе.

В воздухе почвы могут находиться летучие соединения, токсические для отдельных видов микробов. Наши опыты показали, что клетки стафилококка — Staph.

aureus, помещенные в висячей капле в почвенную камеру, приготовленную из лесной дерново-подзолистой почвы, не развиваются или развиваются слабо, тогда как в контроле или в камере с другими почвами (черноземом, огородной почвой) развитие их протекает нормально. Было отмечено угнетающее действие испарений почвы из-под. льна и отсутствие подобного действия на развитие бактерий испарений почвы из-под клевера.

В почвенном воздухе обнаруживаются и радиоактивные вещества, обычно в виде продуктов распада радия и других веществ.

Источник: http://agrohimija.ru/mikroorganizmy-pochvy/1799-gazoobraznaya-faza-pochvy.html

2.4. Химический состав газовой фазы почв

газовая фаза и аэрация почв: Газовая фаза почв, или почвенный воздух, - это смесь газооб­разных

Газоваяфаза почвы представлена почвеннымвоздухом и парообразной влагой. Почвенныйвоздух занимает все поры почвы, свободныеот воды.

Величинасуммарного объема почвенных порсоставляет 25-65 % объема почвы. Источникомпочвенного воздуха являются воздухатмосферы и образующиеся в почве газы.Характерная особенность почвенноговоздуха – насыщенность парами воды;его относительная влажность около 100%.

Почвенныйвоздух существенно отличается по составуот атмосферного воздуха. Это зависитот биологических процессов, совершающихсяв почве. Корневые системы высших растенийи аэробные микроорганизмы энергичнопоглощают кислород и выделяют углекислыйгаз.

Избыток СО2из почвы выделяется в атмосферу, аатмосферный воздух, обогащенныйкислородом проникает в почву. Такимобразом, почвенный воздух находится всостоянии газового обмена с атмосфернымвоздухом. Поэтому, при почвенный слойатмосферы содержит в несколько разбольше углекислоты, чем воздух на высотенескольких метров.

Газовый обменсовершается путем диффузии, благодаряколебанию температур, движению атмосферныхосадков и др. Наиболее активно газовыйобмен протекает в самых приповерхностныхчастях почвы. Поэтому нижние горизонтыпочвенного профиля более обогащеныуглекислотой, чем верхние.

Об интенсивностигазообмена свидетельствует количество выделяемого почвой углекислого газа,которое достигает 10 литров за сутки наплощади 1 м2.

Чеминтенсивнее протекают биологическиепроцессы в почве, тем больше выделяетсяуглекислоты. Особенно много СО2под лесом. Количество углекислоты впочвенном воздухе меняется на протяжениигода, достигая максимума в теплое времягода и минимума зимой. В результатепостоянного газообмена между почвой иатмосферой устанавливается подвижноеравновесие.

Впочвенном воздухе по сравнению сатмосферным меньше кислорода и большедиоксида углерода (СО2).В ту или иную сторону может изменятьсяи содержание азота (табл. 12).

Почвенный воздухболотных и заболоченных почв можетсодержать заметные количества NH3,СН4,Н2.

В составе почвенноговоздуха постоянно присутствуют в оченьнебольшом количестве нелетучиеорганические соединения (углеводородыжирного и ароматического ряда, сложныеальдегиды, спирты и др.), образующиесяв процессе жизнедеятельностимикроорганизмов. Эти вещества могутпоглощаться корнями, способствуя ростурастений и повышению их жизнедеятельности.

В составе почвенноговоздуха выделяют макрогазы, постоянноприсутствующие в нем, и микрогазы, илигазы-эфемеры, содержащиеся вмикроколичествах, и не всегда встречаютсяв почвах.

Макрогазы.Средимакрогазов почвенного воздуха выделяютазот, кислород и диоксид углерода.

Азотпреобладает в почвенном воздухе. Егосодержание обычно не намного отличаетсяот атмосферного. Изменения в основномобусловлены связыванием азотаазотфиксирующими микроорганизмами иденитрификацией. При развитииденитрификации наряду с молекулярнымазотом в почвенном воздухе вмикроколичествах появляются NOи NO2.

Таблица 12

различныхгазов и летучих органических соединений

в атмосферном ипочвенном воздухе

по С.В. Каспарову,Н.С. Панникову (Мамонтов В.Г., 2006)

Газы и летучие органические соединения

, %

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 — 810-6

CO

110-5

1 — 810-6

NO

110-5

1 — 1010-4

N2O

510-6

4 — 4010-5

SO2

310-7

H2S

210-7

CH3SH

310-7

CH3S

110-6

CH4

310-5

1 — 810-7

C2-C2O

2 — 24010-7

1 — 3510-6

Кислородпо содержаниюв почвенном воздухе в большинствеслучаев находится на втором месте. Вверхних, хорошо аэрируемых горизонтахпочвенного профиля его содержаниеобычно приближается к атмосферному,хотя в зависимости от сезона года можетколебаться в пределах 10-20 %. Количествокислорода в почвенном воздухе с глубинойуменьшается.

Наиболеединамичны из всех газов почвенноговоздуха кислород и диоксид углерода.Им принадлежит очень важная роль в жизнипочвы и населяющих ее организмов.

Почвапостоянно в течение теплого сезонапоглощает кислород и выделяет углекислыйгаз. Основные потребители кислорода впочве: корни растений; аэробныемикроорганизмы; почвенная фауна;химические процессы.

Источником кислородаявляется атмосферный воздух, которыйпоступает в почвенный воздух диффузнос осадками и оросительной водой. Кислородучаствует в актах дыхания растений, ипри его отсутствии растения погибают.

При недостатке кислорода в почверазвивается глеевый процесс, которыйрезко ухудшает агрономические свойствапочв, рост и развитие растений. Оптимальноесодержание кислорода в почвенном воздухе19-20 %.

Диоксид углеродаприсутствует в почвенном воздухе вбольшем количестве, чем в атмосферном.В верхних горизонтах автоморфных почвего содержание составляет 0,2-0,8 %. Внижележащих горизонтах почвенногопрофиля количество диоксида углерода,как правило, возрастает.

В почвенный воздухдиоксид углерода поступает главнымобразом в результате жизнедеятельностипочвенных макро- и микроорганизмов,минерализации органического вещества,дыхания корней растений, для которых вобщем выделении СО2почвойдоходит до 40 %.

Насыщение диоксидомуглерода почвенного воздуха происходитпри выделении СО2грунтовыхвод в процессе их испарения, выделенииСО2из твердой и жидкой фаз почвы приразложении карбонатов, одна третьколичества углекислоты выделяетсякорнями растений.

Средняя концентрацияуглекислого газа в воздухе, равная 0,03%, недостаточна для потенциальновозможного урожая сельскохозяйственныхкультур.

Искусственное повышениеконцентрации углекислоты в приземномвоздухе повышает урожай растительноймассы на 30–100 %.

Оптимальное содержаниеуглекислоты в почвенном воздухесоставляет от десятых долей процентадо 1-2 %, повышенные концентрации (более2-3 %) угнетают развитие растений.

Таким образом,содержание О2и СО2в почвенном воздухе непостоянно изависит от типа почвы, ее свойств, отвремени года, погодных условий и видаугодья (пашня, сенокос, луг). На пашнесостав воздуха зависит от возделываемойкультуры и применяемой агротехники.

Газообмен почвы с атмосферой может бытьзатруднен плотным сложением почвы,избыточной увлажненностью, при которойвода занимает не только капиллярныепространства, но и макропоры.

При этомв почвенном воздухе резко уменьшаетсясодержание кислорода, и развиваютсяанаэробные микробиологические процессы,в результате которых образуется метан,сероводород, аммиак и другие газы.

Микрогазы.Наряду с макрогазами в почвенном воздухесодержатся газообразные веществаразличной природы, присутствующие вмикроколичествах.

К ним относятся NO,N2O,H2S,CO,водород, аммиак, а также, разнообразныеорганические соединения – этилен,ацетилен, метан, меркаптаны, эфиры ит.д.

В почвенном воздухе обнаруженытакие биологически активные компоненты,как летучие витамины, гормоны, фитонцидыи т.д., придающие специфические ароматы,например аромат «спелой почвы».

микрогазов в почвенном воздухе невеликои обычно не превышают n10-4– n10-12%.

Однако внекоторых случаях этого вполне достаточно,для того чтобы оказать токсичное влияниена корневую систему растений и ингибироватьжизнедеятельность микроорганизмов.

Ввоздухе некоторых почв газы, обычноприсутствующие в микроколичествах,накапливаются в высоких концентрациях(метан и водород в болотных почвах илисероводород в почвах, на которыхвозделывают рис).

Иногдав составе почвенного воздуха могутприсутствовать некоторые газы,диффундирующие через толщи горных породиз мест их скопления.

В результате этогоявления почвы над нефтяными и газовымиместорождениями бывают обогащеныуглеводородами, над складами радиоактивныхэлементов — гелием, радиоактивнымиэманациями.

На этом основаны специальныегазовые геохимические методы поисковместорождений полезных ископаемых.

Формы почвенноговоздуха.Воздух впочве находится в трех состояниях:свободном, адсорбированном и растворенном.

Свободныйпочвенный воздух представляетсобой смесь газов и летучих органическихсоединений, свободно перемещающихся внезаполненных водой порахпочвы и сообщающихся с воздухоматмосферы.Воздух, находящийся в такой форме,обеспечивает аэрацию почви их газообмен с атмосферой.

Всуглинистых и глинистых по гранулометрическомусоставу почвах некотороеколичество свободного воздуха изолируетсяв порах водными пробками.Такой воздух называют защемленным.Впочвах тяжелого гранулометрическогосостава на защемленный воздух приходитсяболее 12 % отобщего объема почвы.

Защемленный воздухнеподвижен и участвует в газообменемежду почвой и атмосферой только путемдиффузии через водную среду.Скорость такой диффузии на несколькопорядков ниже, чем скорость диффузиив газовой среде. Из-за присутствиязащемленного воздуха замедляетсяфильтрация воды в почве.

Защемленныйвоздух может быть причиной разрушенияагрегатов при колебаниях атмосферногодавления, температурыи влажности почвы.

Адсорбированныйпочвенный воздух —газы и летучие органические соединения,адсорбированные поверхностью твердойфазы почвы.

Количествоадсорбированного воздуха возрастаетпо мере увеличения степенидисперсности почвы, содержанияорганического вещества, минераловмонтмориллонитовой группы и соединенийтипа гидроксидов железа.

Далее приведены данные о количествевоздуха, адсорбированного различнымиобъектами (табл. 13).

Поглощениевоздуха почвой увеличивается с ростоматмосферного давления или с уменьшениемтемпературы.

Таблица 13

Количествоадсорбируемого воздуха, см3/ 100г почвы

(КовдаВ.А., 1985)

Объект

Количество адсорбционного воздуха

кварцевый песок (частицы размером < 0,5 мм)

0,75±0,20

супесь

2,26±0,12

легкий суглинок

4,93±0,15

тяжелый суглинок

6,99±0,08

чернозем суглинистый

9,03±0,20

Изпочвенного воздуха твердой фазой почвыактивнее поглощаются более тяжелые иотносительно легко сжимаемые газы вследующей последовательности:NH3>CO2>O2>N2.

Большевсего адсорбированного воздуха содержитсяв сухой почве, при ее увлажнении происходитдесорбция ранее сорбированных газов,что отражается на составе свободногопочвенного воздуха. Процесс адсорбциигазов в основном обратимый, но иногдаимеет место и необратимая сорбция(например, необратимая сорбция СО2достигает 10 мг/100 г почвы).

Твердоевещество почвы более энергично поглощаетмолекулы водяногопара, чем молекулы газов, а так как впочве высокое содержание водяногопара, то поглощение газов почвы невелико. Изпочвенных газов в наибольшейстепени сорбируется азот.

Растворенныйвоздух представляетсобой газы, растворенные в почвеннойводе.

Почвенныйраствор всегда содержит определенноеколичество растворенных газов,находящихся в динамическом равновесиис газами почвенного воздуха.

Растворимостьгазов в почвенных растворах возрастаетпри повышении атмосферногодавления, при увеличении их концентрациив свободном почвенномвоздухе, а также при понижении температурыпочвы.

Растворимостькислорода сравнительно невысокая,значительно выше она у диоксидауглерода, сероводорода и особенноаммиака. Растворенные газы играютбольшую роль в обеспечении физиологическихпотребностей растений, физико-химическихи химических процессах, протекающих впочве.

Итак,между почвенным и атмосферным воздухомпроисходит постоянный газообмен. Имеютсясведения, что более 90 % углекислотывоздуха имеет почвенное происхождение.Глобальная роль почвенного покровазаключается в регулировании составаатмосферного воздуха.

Источник: https://studfile.net/preview/5050462/page:8/

Scicenter1
Добавить комментарий