ПОЧВОВЕДЕНИЕ. ПОЧВЕННЫЙ ВОЗДУХ

Состав почвенного воздуха. Газообмен и концентрации газов в почвенном воздухе

Современный состав земной атмосферы, по мнению В. И. Вернадского, имеет биогенную природу, причем огромную роль в формировании атмосферы играет газообмен между ее приземным слоем и почвой. Атмосферный воздух представляет собой смесь газов, основную массу которой создают три — азот, кислород, аргон; остальные газы присутствуют в незначительных количествах. Ниже приведен состав атмосферного воздуха (по М. А. Другову, А. В. Березкиной, 1981).

Попадая в почву, атмосферный воздух претерпевает значительные изменения. Например, парциальное давление диоксида углерода (С02) увеличивается в десятки, сотни и более раз и становится более динамичным, чем в атмосферном воздухе (табл. 30).

Таблица 30. Пределы изменений основных газов в почвенном воздухе пахотных горизонтов в периоды активной вегетации

Почт   о„%     С02, %

Иловато-болотная    11,9—19,4      1,1 - 8,1

Торфяно-глеевая      13,5—19,5      0,8—4,5

Дерново-подзолистая          18,9—20,4      0,2—1,0

Серая лесная 19,2—21,0      0,2—0,6

Чернозем обыкновенный    19,5—20,8      0,3—0,8

Чернозем южный     19,5—20,9      0,05—0,6

Каштановая   19,8 20,9         0,05—0,5

Серозем         20,1—21,0      0,05—0,3

Изменение состава почвенного воздуха происходит главным образом вследствие процессов жизнедеятельности микроорганизмов, дыхания корней растений и почвенной фауны, а также в результате окисления органического вещества почв.

Трансформация атмосферного воздуха в почве тем интенсивнее, чем выше ее энергетический потенциал, биологическая активность, а также чем более затруднительно удаление газов за пределы почвенного профиля. Имеющиеся данные о динамике состава почвенного воздуха дали возможность представить зависимость интенсивности поглощения кислорода почвой из атмосферы (S02) как функцию многих факторов (В. Д. Федоров, Т. Г. Гильманов, 1980):

S01 = F (С02,Т, W, R F, М, Н,..),    

где С02 — концентрация кислорода в почвенном воздухе; Т — температура почвы; W— влажность почвы; R — содержание в почве корней; Fs — дыхание почвенных животных; М — активность почвенных микроорганизмов; Н— содержание органического вещества в почве.

В настоящее время задача идентификации этой функции в целом не решена, хотя частные решения отклика S02 на отдельные факторы найдены. Составление теоретической модели трансформации и передвижения газов в пределах почвенного профиля требует многофакторного анализа, многие параметры которого в настоящее время не разработаны.

Макрогазы почвенного воздуха

К ним относятся азот, кислород, диоксид углерода.

Азот. Прямых определений содержания молекулярного азота в почвенном воздухе недостаточно для того, чтобы судить о характере его поведения в почвенном профиле. Это связано с тем, что методы его определения сложны и точность их низка. Судя по определяемым концентрациям 02 и С02, содержание азота в почвенном воздухе не на много отличается от атмосферного: и в почве азот является значительно преобладающим газом. Исследования динамики содержания молекулярного азота важны при изучении процессов азотфиксации, нитрификации и денитрификации. Поэтому особый интерес представляет динамика сопутствующих ему микрогазов — N20, NOr Диоксид азота (IV), являясь промежуточным продуктом денитрификации, эфемерен. Наиболее важным представляется изучение содержания в почвенном воздухе и эманаций с поверхности почв оксида азота (I), образование которого связывают с процессами денитрификации. Этот интерес связан с тем, что в научной литературе существует мнение о фотохимическом влиянии оксида азота (I) на озонный пояс Земли.

Кислород. Огромная роль кислорода в биосфере в целом и в почвенном воздухе в частности общеизвестна. Достаточное содержание кислорода обеспечивает необходимый уровень микробиологической деятельности, дыхания 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 02 порядка 10—15% уже угнетает воздухолюбивые культуры. Содержание кислорода в почвенном воздухе контролирует окислительно- восстановительный режим почв. Концентрации кислорода в почвенном воздухе различных почв в разные сезоны колеблются в широких пределах от десятых долей процента до 21,0%.

Диоксид углерода (С02). Существует мнение, что диоксид углерода атмосферы на 90% имеет почвенное происхождение. Процессы дыхания и разложения, непрерывно протекающие в почвах, постоянно пополняют атмосферные запасы С02. Биологическое значение этого газа многосторонне. С одной стороны, он обеспечивает ассимиляционный процесс растений (искусственное повышение концентрации С02 в атмосфере теплиц вызывает увеличение скорости фотосинтеза и дает 50— 100%-ный прирост урожая). В то же время избыток С02 в составе почвенного воздуха (более 3%) угнетает развитие растений, замедляет прорастание семян, сокращает интенсивность поступления воды в растительные клетки. Таким образом, оптимальные уровни концентраций С02 в составе почвенного воздуха колеблются в пределах 0,3—3,0%. Однако конкретные сельскохозяйственные культуры имеют, по-видимому, свои критические величины. Установление граничных значений концентрации С02 для различных сельскохозяйственных культур с целью создания оптимальных условий аэрации почв — важная научная проблема.

Велика почвенно-химическая и геохимическая роль диоксида углерода. Вода, насыщенная С02, растворяет многие труднорастворимые соединения — кальцит СаС03, доломит СаС03 • MgC03, магнезит MgC03, сидерит FeC03. Это вызывает миграцию карбонатов в почвенном профиле и в сопряженных геохимических ландшафтах. Вынос (выщелачивание) карбонатов под действием увеличивающейся концентрации С02 в почвенном воздухе и в почвенном растворе называется процессом декарбонизации, который обусловлен сдвигом влево равновесия

Са (НС03) = СаС03 + Н20 + С02

Этот процесс в настоящее время приобрел широкое распространение в почвах активного орошения.

Концентрация С02 в почвенном воздухе колеблется обычно от 0,05 до 10—12%. Однако в литературных источниках есть сведения о накоплении диоксида углерода в почвенном воздухе до 15—20% и более.

В процессах, характеризующихся нормальным кислородным дыханием (Дк), происходит эквивалентный обмен 02 на С02:

Дк = Ссо2/Со2= 1.    (32)

Однако существует целый ряд процессов, вызывающих отклонение в ту или иную сторону от нормального обмена. Так, при разложении жиров и белков коэффициент дыхания существенно ниже (0,7—0,8). Растворение С02 и связывание его в гидрокарбонаты могут снизить Дк в некоторых условиях до 0,2—0,3. Разложение веществ, богатых кислородом, вызывает повышение Дк>1. Возникновение очаговых анаэробных зон, в которых продуцирование С02 может происходить без поглощения 02, дегазация почвенных растворов и грунтовых вод, разложение гидрокарбонатов также вызывают увеличение коэффициента. Все эти процессы в ту или иную сторону смещают коэффициент дыхания, и в почвах он редко равен 1, хотя и близок к ней. Детальные исследования кинетики превращений газов в пределах почвенного профиля позволяют уточнить модель физико-химических и биохимических процессов трансформации органического вещества в почвах.

Существует высокоинформативный показатель биологической активности почв, так называемое «дыхание почв», которое характеризуется скоростью выделения С02 за единицу времени с единицы поверхности. Интенсивность «дыхания почв» колеблется от 0,01 до 1,5 г/(м2,ч) и зависит не только от почвенных и погодных условий, но и от физиологических особенностей растительных и микробиологических ассоциаций, фенофазы, густоты растительного покрова. «Почвенное дыхание» характеризует биологическую активность экосистемы в каждый конкретный период времени, и резкие отклонения от стандартных параметров дыхания могут дать экологическую оценку процессам, вызывающим эти отклонения.

Микрогазы. В научной литературе существуют немногочисленные сведения о содержании в почвенном воздухе таких компонентов, как N20, N02, СО, предельные и непредельные углеводороды (этилен, ацетилен, метан), водород, сероводород, аммиак, меркаптаны, терпены, фосфин, спирты, эфиры, пары органических и неорганических кислот. Происхождение микрогазов связывают с непосредственным метаболизмом микроорганизмов, с реакциями разложения и новообразования органических веществ в почве, с трансформацией в ней удобрений и гербицидов, с поступлением их в почву с продуктами техногенного загрязнения атмосферы. Концентрации микрогазов и летучих компонентов зачастую не превышают 1 • 10"9 — 10 12 %. Однако этого может быть вполне достаточно для ингибирующего действия на почвенные микроорганизмы и для снижения биологической активности почв.

Состав почвенного воздуха имеет вертикальную стратификацию, определяемую продуцированием и кинетикой газов в пределах почвенного профиля. В поверхностных горизонтах, вследствие активного газообмена с атмосферой, отличия компонент ного состава почвенного воздуха от атмосферного выражень менее заметно, чем в нижележащих. Для большинства почв характерен рост концентрации С02 в почвенном воздухе с глубиной ( 30, а). Изолинии концентрации 02 имеют обратный тип распределения ( 30,6). При затрудненном газообмене с поверхности в биогенных горизонтах почв могут наблюдаться избыточные концентрации С02 ( 30,в). В последнем случае диффузия газов происходит по обе стороны от зоны максимального продуцирования и почвенная толща активно насыщается С02.

Газообмен и концентрации газов в почвенном воздухе существенным образом зависят от режима влажности и мощности зоны аэрации (толщи почвы и грунта, расположенной выше уровня грунтовых вод). Концентрации С02 и 02 достигают экстремальных значений в зоне капиллярной каймы грунтовых вод: максимальная С02 и минимальная 02. При выходе капиллярной каймы на поверхность корнеобитаемая биологическая активная зона насыщается водой. При этом отмечаются острый дефицит воздуха в почве, высокие концентрации С02, низкие 02. Грунтовые воды, расположенные ниже 2,5 м, не оказывают заметного влияния на состав почвенного воздуха.