ХИМИЯ ПОЧВЫ

ГАЗОВАЯ ФАЗА ПОЧВЫ. ПОЧВЕННЫЙ ВОЗДУХ. Причина разницы в составе атмосферного и почвенного воздуха

Почвенный воздух, представляя собой газовую фазу почвы, принимает активное участие в почвенных процессах. Его количество и состав в большой мере определяют направление этих процессов (анаэробное или аэробное, с преобладанием восстановительных или окислительных процессов и т. д.) и их интенсивность.

О количестве воздуха в почве судят по объему всех промежутков между твердыми частицами, не занятых водой. Зная общую скважность почвы и количество влаги в ней, можно по разности вычислить объем почвенного воздуха. Из сказанного ясно, что вода и воздух взаимно замещают друг друга в почве: чем больше воды, тем меньше места остается для воздуха. В периоды большой влажности в почве создаются анаэробные условия. Колебания почвенной влажности приводят к изменениям в содержании воздуха в почве.       

Структурность почвы, от которой зависят общий объем и размеры почвенных промежутков, определяет при прочих равных условиях количество почвенного воздуха. В структурной почве, наряду с влагой, заполняющей капилляры внутри агрегатов, остается место для воздуха в крупных порах между агрегатами. В бесструктурной уплотненной почве антагонизм между водой и воздухом выражен особенно резко.

Помимо структуры на содержание воздуха в почве влияет и плотность ее сложения: чем более уплотнена почва, тем меньше в ней воздуха; рыхление, естественно, усиливает аэрацию.

Сельскохозяйственная культура рядом воздействий (обработка, удобрение, посев растений), ведущих к разрыхлению или уплотнению почвы, к созданию структуры (а в некоторых случаях, и к ее разрушению) сильно влияет на снабжение почвы воздухом.

Важным моментом, влияющим на аэрацию почв (т. е. на содержание в них воздуха), является водопроницаемость слоев почвенного профиля; при хорошей водопроницаемости полное насыщение почвы водой бывает очень недолго (например, сразу после таяния снега); влага быстро просачивается вниз и освободившиеся поры заполняются воздухом.

Если же почва близко к поверхности подстилается водонепроницаемым слоем, вода в ней длительно задерживается, создаются анаэробные условия, возможно развитие болотного процесса. В таких случаях мелиоративные мероприятия, освобождая почву от излишка воды, могут улучшить ее снабжение воздухом.

Несмотря на значительные колебания в содержании воздуха в почве в течение года, связанные с колебаниями температуры и влажности, намечаются известные закономерности в содержании воздуха в отдельных почвенных типах.

В верхнем слое (0—20 см) среднее содержание воздуха довольно близко для всех изучавшихся почв, составляя 23—28% от объема почвы (за исключением лишь II торфяной почвы с высоким уровнем грунтовых вод, содержащей всего 10% воздуха) Однако значительные различия наблюдаются в содержании воздуха в нижних горизонтах: уже в слое 50—100 см дерново-подзолистые почвы содержат в 3—4 раза меньше воздуха, чем чернозем.

Главными составными частями почвенного воздуха, как и свободного атмосферного, являются азот, кислород, углекислый газ и водяной пар Но процентное их соотношение в почве значительно отличается от того, которое мы находим в надпочвенном воздухе ( 112).

Состав атмосферного воздуха более или менее постоянен ( 112) и обнаруживает лишь незначительные колебания, а почвенный воздух непрерывно изменяется. В различных климатических зонах, в различных почвах под разными культурами почвенный воздух имеет различный состав.

Наименьшим колебаниям подвержено содержание азота в почвенном воздухе, наибольшим — кислорода и углекислоты. При этом обычно в почвенном воздухе значительно меньше, чем в атмосферном, кислорода и больше углекислоты.

Основной причиной разницы в составе атмосферного и почвенного воздуха являются биологические процессы, протекающие в почве. В процессах дыхания, брожения, гниения происходит поглощение кислорода и выделение С02. В некотором количестве С02 поглощается из почвенного воздуха корнями растений  , а также микробами-автотрофами. Клубеньковые и свободно живущие бактерии-азотфиксаторы связывают азот воздуха, денитрифицирующие организмы освобождают азот и т. д.

Обогащенный СОа и обедненный кислородом почвенный воздух снова восстанавливает свой состав в результате диффузии газов, которая приводит к выравниванию концентраций в сообщающихся объемах. Более богатый кислородом атмосферный воздух проникает в почву, вытесняя оттуда почвенный воздух с высоким содержанием С02. Схематически это выглядит так: почва поглощает 02 и выделяет С02, что характерно для процесса дыхания. Поэтому газообмен между почвой и атмосферой называют «дыханием» почвы.

Почвенный воздух находится постоянно в состоянии обмена с атмосферой. Этому обмену способствуют:

1)        диффузия газов, зависящая от разницы состава почвенного и надпочвенного воздуха и возрастающая с увеличением этой разницы. А. А. Роде (1955) и другие исследователи считают роль диффузии в газообмене важнейшей;

2)        колебания температуры и барометрического давления; нагреваясь, почва выделяет некоторое количество газов; при охлаждении и сжатии почвенного воздуха почва засасывает атмосферные газы. Засасывание атмосферного воздуха происходит и при увеличении барометрического давления; при уменьшении его, напротив, часть воздуха удаляется из почвы;

3)        ветры, создающие на неровной поверхности почвы разнообразные условия давления, а также усиливающие испарение воды, тем самым освобождая место для воздуха в почве;

4)        просачивание воды в почву, при котором почвенный воздух вытесняется водой в более глубокие слои: после ухода воды поры заполняются свежим атмосферным воздухом; после хорошего дождя может произойти полная смена почвенного воздуха. Аналогично действуют колебания уровня почвенно-грунтовых вод.

Как уже отмечалось выше, в составе почвенного воздуха наибольшие колебания наблюдаются в содержании кислорода и углекислоты.

Кислород необходим и для почвенных микроорганизмов и для высших растений, которые погибают при прекращении доступа кислорода к корням. Именно от недостатка кислорода страдают растения и микроорганизмы на плохо аэрируемых почвах.

В верхних горизонтах почв нормального увлажнения содержание кислорода приближается к его содержанию в атмосферном воздухе (~20%), а при избыточном увлажнении — может снижаться до <1%.

В избыточно увлажненных почвах не только мало содержание воздуха, но и неблагоприятен его состав.

Наблюдения опытных учреждений показывают зависимость содержания кислорода в почвах от растительного покрова, а в возделываемых почвах — от характера их обработки. В верхних слоях почвы кислорода больше, чем в нижних: с глубиной содержание его падает.

Изменения в содержании кислорода в почвенном воздухе резко сказывается на свойствах почвы. В лабораторном опыте с дерново- подзолистой почвой через навески влажной почвы, помещенной в стеклянные сосуды, в течение 30 дней просасывалась газовая смесь — 02 + С02 + N2 — с различными соотношениями кислорода и углекислоты (И. П. Гречин, 1964). Результаты анализа почвы после завершения опыта приведены в  113. Полное удаление кислорода из газовой смеси приводит к резкому преобладанию восстановительных процессов (снижению Eh и, соответственно, гНг; увеличению содержания в почве восстановленных форм железа). Уже незначительное количество 02 — 0,5% от объема воздуха — улучшает ОВ-условия. При 2,5% кислорода гН2 достигает значения 27,9; эту концентрацию считают рубежом, характеризующим переход от анаэробных условий к аэробным. Следует отметить, что повышение концентрации С02 в газовой смеси (ср. варианты опыта с 5% 02 + 15% С02 и с 5% 02 + 30% С02) мало влияет на ОВ-условия почвы.

Изменение содержания 02 в газовой смеси отчетливо сказывается на соотношении окисленной и восстановленной формы N в почве: по сравнению с исходной почвой в отсутствие 02 количество N0" падает, a NH4 возрастает; при возрастании процента кислорода содержание NO3 постепенно увеличивается, a NH+ — падает ( 113).

Недостаток кислорода в почве сказывается как на прорастании семян, так и на дальнейшем развитии растений. Для разных почвенных условий до сих пор не установлены оптимальные концентрации 02 для прорастания семян. В опыте с дерново-подзолистой почвой оптимальные условия соответствовали содержанию 02, равному 15—20% от газовой смеси.

Для развития растений и микроорганизмов имеет значение наличие анаэробных условий в почве даже в течение недолгого периода (15—30 дней). Весеннее затопление почвы талыми водами приводит в дальнейшем к менее благоприятным условиям питания растений на такой почве, чем на почвах, не испытавших временного анаэро- биозиса. Из сказанного можно видеть, как велика роль кислорода в почвенных процессах и в создании благоприятных условий для растений.

Другим компонентом почвенного воздуха, содержание которого значительно колеблется во времени, является углекислота.

Согласно ряду исследований (Макаров и др., 1964) процент С02 в почвенном воздухе под растительностью изменялся в разных почвах в следующих пределах ( 114).

Таким образом, содержание С02 в почвенном воздухе, как правило, значительно — в десятки и сотни раз — выше, чем в атмосферном ( 114).

Чем интенсивнее биологические процессы в почве, тем больше она выделяет углекислоты. По количеству выделенной С02 можно ориентировочно судить о биологической активности почвы (В. И. Штат- нов, 1952). В  115 приводятся данные по биологической активности дерново-сильноподзолистой почвы, пол ученные в лабораторных условиях (при температуре 26—28° С и влажности, равной 60% от полной влагоемкости).

Чем больше содержание органического вещества в почве, тем больше она выделяет С02 при одинаковых условиях температуры, аэрации и влажности; наибольшей биологической активностью отличается целинная лесная почва, наименьшей — истощенная старопахотная почва; унавоженная и вновь освоенная почвы занимают промежуточное положение. Обогащение почвенного и надпочвенного воздуха углекислотой (С02) за счет внесенного навоза и усиление ассимиляции растениями С02 — одна из причин благоприятного действия навоза на урожай культурных растений.

В природных условиях количество образующейся в почве углекислоты увеличивается за счет дыхания корней растений. Поэтому в почве под растениями воздух содержит значительно больше С02, чем на паровых участках; особенно много С02 в лесной почве ( 116).

Видно  также, что в течение года содержание углекислоты в почвенном воздухе значительно изменяется. Наибольшие количества С02 наблюдаются в самое теплое время года, постепенно снижаются к осени и достигают минимальных значений зимой. Весной происходит снова постепенное увеличение содержания С02 в почвенном воздухе. Таким образом, обнаруживается тесная связь колебаний количества углекислоты с температурой. Большое значение имеют для динамики С02 также изменения влажности почвы, что приводит к различиям в характере кривых при наблюдениях, проведенных в разные годы.

Углекислота образуется в гумусовом слое в течение вегетационного периода и постепенно диффундирует — частью в атмосферу, частью в нижележащие слои почвы и грунта. Летом содержание С02 в глубоких слоях достигает максимума позже, чем в верхних, а зимой оно медленнее снижается ().

Как уже указывалось выше, углекислота, представляя собой продукт биологических процессов в почве, является важным фактором химического выветривания. С02 почвенного воздуха находится в равновесии с С02 почвенного раствора и влияет на его кислотность. Растворы углекислоты производят растворяющее действие на ряд труднорастворимых соединений; карбонаты переходят в бикарбонаты; увеличивается растворимость фосфатов. В связи с этим можно предполагать, что в периоды интенсивного образования С02 в почве усиливается мобилизация питательных веществ, т. е. переход их в доступное для растений состояние.

Содержание водяных паров в почве и в атмосфере колеблется в широких пределах. Почвенный воздух обычно насыщен водяными парами при данной температуре или близок к насыщению. Пониженное давление водяных паров в почвенном воздухе гибельно отражается на микрофлоре.

В связи с изменениями температуры и давления в почве постоянно происходит сжижение водяного пара в воду, и обратный процесс — испарение воды. Ночью поверхностные слои почвы охлаждаются, и здесь происходит сгущение водяного пара в воду на холодной поверхности твердых частиц — образование так называемой «подземной росы». Это вызывает понижение упругости водяного пара в верхних слоях и, как следствие, передвижение его из нижних, более теплых слоев в верхние. Возможно увлажнение почвы и за счет водяных паров атмосферы, сгущающихся в поверхностном слое почвы при его охлаждении.

Почвенный воздух тесно связан с твердой и жидкой фазами почвы. В сухой почве твердые частицы, в основном высокодисперсные коллоидные частицы, поглощают на своей поверхности газы почвенного воздуха.

Как уже отмечалось выше (), процесс поглощения водяного пара, который адсорбируется сильнее всех других газов, можно рассматривать как переходный к адсорбции жидкостей: водяной пар, конденсируясь на поверхности частичек, в соответствующих условиях температуры и давления, образует водную пленку.

Во влажной почве почвенный воздух в некотором количестве растворяется в почвенном растворе. Растворимость газов в воде неодинакова и зависит от температуры ( 117).

Как видно, порядок растворимости газов тот же, что и порядок их по адсорбируемости: N2 < 02 <С С02. В связи с высокой растворимостью углекислоты содержание ее в почвенном растворе относительно много больше (по сравнению с другими газами), чем в почвенном воздухе.

Растворенный в почвенном растворе газ отрицательно адсорбируется почвенными твердыми частицами, что является естественным следствием меньшей сорбируемости газа по сравнению с водой. За счет этой отрицательной адсорбции концентрация газа в свободной части почвенного раствора несколько повышается.

В предыдущем изложении мы постоянно отмечали взаимодействие между фазами почвы: твердых, жидкой и газовой. Поскольку наиболее активной частью твердых фаз является ее наиболее высокодисперсная часть — почвенные коллоиды, наиболее интенсивно взаимодействие происходит между почвенными коллоидами, почвенным раствором и почвенным воздухом. Изменения, происходящие в почвенном растворе, влекут за собой изменения в составе почвенного воздуха, а с другой стороны — в составе почвенных коллоидов, и — прежде всего — в составе ионов, поглощенных на их поверхности. Так, при образовании азотной кислоты в процессе нитрификации происходит связывание кислорода из почвенного воздуха. Образовавшаяся HN03 увеличивает концентрацию в почвенном растворе Н+-ионов, которые быстро вступают во взаимодействие с обменными ионами Са, образуя Ca(N03)2 и увеличивая количество Н+-ионов, поглощенных коллоидами.

Необходимо отметить ту большую роль, которую играют в почвенной динамике разнообразнейшие биологические процессы, связанные с жизнедеятельностью населяющих почву организмов.