ПОЧВЕННЫЙ ВОЗДУХ И ВОЗДУШНЫЙ РЕЖИМ ПОЧВ

Почвенный воздух находится в трех состояниях: свободном (в порах), адсорбированном (в твердой фазе), растворенном (в почвенном растворе).

Состав свободного почвенного воздуха, его динамика, оптимальные параметры.

Свободный почвенный воздух состоит из тех же газов, что и атмосферный, но отличается от него ярко выраженной динамикой содержания кислорода и углекислого газа. Атмосферный воздух содержит (% от объема): 78,1 — азота; 20,9 — кислорода; 0,03 — углекислого газа и около 1 — благородных газов (аргон, гелий, ксенон и криптон).

В почвенном воздухе содержится меньше кислорода — 10—20%, но больше углекислого газа — 0,03—9% по сравнению с атмосферным. Кроме того, в почвенном воздухе постоянно присутствуют в небольших количествах аммиак, иногда закись азота, сероводород, метан. Хотя содержание азота считается довольно стабильным, имеются данные (В.А. Ковда, 1973) о возможности существенного увеличения азота в почвенном воздухе (до 82—86%). В пахотных, хорошо аэрируемых почвах содержание С0₂ в почвенном воздухе не превышает 1—2%, а 0₂ — не опускается ниже 18%. В условиях избытка влаги и затрудненного газообмена содержание С0₂ повышается, а 0₂ — снижается до десятых долей процента.

Почва постоянно в течение теплого сезона поглощает кислород и выделяет углекислый газ. Основными потребителями кислорода в почве являются корни растений, аэробные микроорганизмы, почвенная фауна, и незначительная часть его расходуется на чисто химические процессы. Источником кислорода является атмосферный воздух, который поступает в почвенный воздух диффузно с осадками и оросительной водой. Кислород участвует в актах дыхания растений, и при его отсутствии растения погибают. Кроме того, при недостатке кислорода в почве развиваются анаэробные процессы, в том числе глеевый, которые резко ухудшают агрономические свойства почв, рост и развитие растений. Оптимальное содержание кислорода в почвенном воздухе 19—20%.

Основным источником углекислоты в почвах является органическое вещество (растительные и животные остатки, органические удобрения, частично гумус), которое разлагается и окисляется микроорганизмами. Значительное количество углекислоты (около одной трети), по оценке В.А. Ковды, в почве выделяется корнями растений. Небольшие количества С0₂ могут поступать в почву из грунтовых вод, в результате десорбции из твердой и жидкой фаз и при разложении карбонатов. Средняя концентрация углекислого газа в воздухе, равная 0,03%, недостаточна для потенциально возможного урожая сельскохозяйственных культур. Искусственное повышение концентрации углекислоты в приземном воздухе повышает урожай растительной массы на 30—100%. Оптимальное содержание углекислоты в почвенном воздухе составляет от десятых долей процента до 1—2%, повышенные концентрации (более 2—3%) угнетают развитие растений.

Выделение углекислоты из почвы в приземный слой атмосферы называется дыханием почвы. Количество выделяющейся углекислоты зависит от содержания и ежегодного поступления в почву свежих органических веществ, в том числе органических удобрений, и составляет в почвах зонального ряда 1-10 т/га в год в пересчете на углерод (И.Н. Шарков, 1998; С.М. Надежкин, 1999).

Между почвенным и атмосферным воздухом происходит постоянный газообмен. Имеются сведения, что более 90% углекислоты воздуха имеет почвенное происхождение. Глобальная роль почвенного покрова заключается в регулировании состава атмосферного воздуха.

Газообмен, или аэрация, осуществляется через воздухоносные поры почвы (порозность аэрации). К факторам газообмена относятся: диффузия, изменение влажности, изменение температуры и атмосферного давления. Диффузия — перемещение газов в соответствии с парциальным давлением, которое определяется их концентрацией. Поскольку в почвенном воздухе более высокая концентрация С0₂ и ниже по сравнению с атмосферным воздухом — 0₂, диффузия определяет основные потоки этих газов — 0₂ в почву, а С0₂ — в атмосферу. Диффузия является основным фактором газообмена.

Изменение влажности почвы приводит к поглощению влаги воздуха при высыхании и его вытеснению в атмосферу при увлажнении.

Изменение температуры и атмосферного давления также вызывает обмен между почвенным и атмосферным воздухом из-за градиентов давлений и процессов расширения-сжатия при нагревании и охлаждении.

Диффузия газов в почве характеризуется коэффициентом диффузии, который равен количеству газа (в см³), поступающего в секунду через 1 см² поверхности при мощности слоя 1 см и градиенте концентрации, равном единице. По Люндегорду, коэффициент диффузии С0₂ менее 0,009 г/см² в секунду — предел нормальной аэрации. При меньшем его значении газообмен затруднен. Состояние газообмена определяется воздушными свойствами почвы.

Воздухопроницаемость — способность почвы пропускать через себя воздух. Она измеряется количеством воздуха в мл, прошедшим под определенным давлением через 1 см² при толщине слоя в 1 см, зависит от гранулометрического состава, структуры и влажности почвы и изменяется в широких пределах — от 0 до 1 л/с и выше.

Воздухоемкость — содержание воздуха в почве в объемных процентах. Зависит от влажности и порозности почв. Различают капиллярную и некапиллярную воздухоемкость, которые соответствуют понятиям капиллярной и некапиллярной порозности. Хорошую аэрацию почв обусловливают некапиллярные поры, которые, как правило, не заняты водой. Оптимальные условия для газообмена между почвенным и атмосферным воздухом создаются при порозности аэрации в минеральных почвах 20—25%, а в торфяных — 30—40%.

Воздушный режим почв и его регулирование.

Воздушный режим — это совокупность всех явлений поступления, передвижения, изменения состава и физического состояния при взаимодействии с твердой, жидкой и живой фазами почвы, а также газообмен почвенного воздуха с атмосферным.

Воздушный режим подвержен суточной, сезонной (годовой) и многолетней динамике. Наиболее благоприятный воздушный режим складывается в структурных почвах, обладающих рыхлым сложением и хорошим газообменом. Суточная динамика С0₂ и 0₂ распространяется до глубины 30—50 см в соответствии с колебаниями температуры. Обновление состава почвенного воздуха в пахотном слое может происходить в течение суток полностью несколько раз.

Максимальное содержание С0₂ и минимальное — 0₂ приходится, как правило, на летний период, а осенью и зимой почва освобождается от накопленного углекислого газа. В почвах нормального увлажнения в нижней части почвенного профиля больше содержится С0₂ и меньше 0₂, а в почвах с затрудненным газообменом С0₂ скапливается в верхней и средней частях профиля.

Регулирование воздушного режима проводят с помощью мелиоративных мероприятий (осушение, орошение), агротехнических (глубокие обработки, рыхление и др.), а также комплекса мероприятий, направленных на окультуривание почв.