какого газа в почвенном воздухе меньше чем в атмосферном

Агрофак

Состав почвенного и атмосферного воздуха

Поступление воздуха в почву и изменение его запасов и состава в ней во времени называют воздушным режимом.

Почвенный воздух — важнейшая составная часть почвы. Он занимает в ней все промежутки, не заполненные водой, и, кроме того, находится в адсорбированном (поглощенном) и растворенном состоянии. Почвенный воздух содержит 20,9% кислорода, 0,03% углекислого газа и 78% азота. В состав его также входят другие газы (аргон, неон, криптон, ксенон, гелий, водород, азот и др.), но количество каждого из них незначительное.

В почвенном воздухе пахотного слоя содержится 18—20% кислорода и 0,15—21% углекислоты. В уплотненных и избыточно увлажненных почвах количество кислорода уменьшается, а углекислоты увеличивается. В воздухе болотных почв обнаруживается повышенное содержание метана и сероводорода.

Таким образом, состав почвенного воздуха несколько отличается от состава атмосферного. Почвенный воздух содержит меньше кислорода и больше углекислоты.

Состав почвенного воздуха зависит от интенсивности поглощения кислорода, выделения корнями растений и микроорганизмами углекислого газа, создающего градиенты концентрации этих газов, приводящего к диффузии кислорода в почву и углекислого газа из почвы. Состав почвенного воздуха также зависит от скважности почвы.

Основными потребителями кислорода в почве и продуцентами углекислоты являются растения и микроорганизмы. Поглощение кислорода и выделение углекислоты растениями связано с интенсивностью их развития, наличием влаги в почве и температурой.

А. Г. Бондарев (1965) установил, что максимальное количество углекислоты выделялось в период наиболее интенсивного развития растений. Интенсивность продуцирования углекислоты микроорганизмами зависит от количества энергетического материала, температуры и влажности.

В условиях повышенного увлажнения выделение углекислоты преобладает над отводом ее из почвы, и это приводит к накоплению углекислоты в пахотном слое до 5—6% и понижению содержания кислорода до 15—16%.

Состав почвенного воздуха изменяется и с глубиной почвенного слоя. С увеличением почвенного слоя в нем возрастает содержание углекислого газа и уменьшается количество кислорода. Это связано с условиями газообмена. Иногда на глубине 150—200 см углекислого газа обнаруживается до 10—12%.

Уплотненные и избыточно увлажненные почвы по сравнению с рыхлыми и менее увлажненными содержат больше углекислого газа и меньше кислорода. При недостатке кислорода задерживается разложение органических веществ, что приводит к ухудшению пищевого режима почвы.

Таким образом, проблема улучшения состава почвенного воздуха занимает одно из видных мест в агротехнике, особенно в районах, где почвы характеризуются постоянным или временно избыточным увлажнением.

Кроме свободного воздуха, находящегося в промежутках между почвенными частицами, имеется воздух, поглощенный коллоидами почвы. Он представлен главным образом углекислотой и азотом. Кислорода в нем может и не быть.

Адсорбция почвой газов зависит от многих условий, а именно: количества коллоидов, содержащихся в почве, химической природы газов, давления, степени увлажнения, температуры.

Ф. С. Соболев и М. В. Чапек (1929) установили, что чем больше в почве коллоидов, тем выше степень поглощения воздуха (табл. 10). Из газов С02 поглощается значительно интенсивнее, чем кислород и азот. С понижением давления поглощение газов убывает. Оно также уменьшается и от увеличения температуры. При повышенной влажности адсорбция не происходит, так как вода вытесняет из почвы воздух. При увлажнении почвы, содержащей в поглощенном состоянии воздух, разрушаются почвенные агрегаты.

Источник

Какого газа в почвенном воздухе меньше чем в атмосферном

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.

Состав атмосферного и почвенного воздуха

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. Содержание 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.

Главная 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 см 2 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 (Р_В) почвы представляет разность между общей пористостью и объемом гигроскопической воды:

где Р_общ – общая порозность почвы (%), Р_Г – объем гигроскопической влаги (%).

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

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

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

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.

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 К содержанию книги: А.Е. Возбуцкая: «ХИМИЯ ПОЧВЫ»

Источник

Mse-Online.Ru

Почвенный воздух

Воздух (атмосферный и почвенный) необходим растениям как источник кислорода для дыхания, азота и углекислого газа — для питания. Он необходим также для протекания в почве микро­биологических процессов.

Атмосферный воздух состоит (в % по объему): из азота — 78,08; кислорода — 20,95; углекислого газа — 0,039. Кроме того, в незначительных количествах в нем содержится аргон, неон, ге­лий, криптон, водород, ксенон, озон, радон. В воздухе есть также водяной пар (0—4 %) и вредные примеси — сернистый газ, хлор, сероводород и другие.

Почвенный воздух существенно отличается от атмосферного прежде всего меньшим содержанием кислорода (17—20%) и большим — углекислого газа (0,1—1,0%). При внесении свежих органических удобрений содержание углекислого газа повышает­ся до 2, а иногда до 9—12 процентов.

Особенно много кислорода требуется для дыхания прорастаю­щих семян. При отсутствии газообмена с атмосферой почвенный кислород может быть израсходован в течение двух суток. Макси­мальная потребность в нем растений приходится на период цве­тения.

На недостаток кислорода в почвенном воздухе растения ре­агируют по-разному. Например, зерновые (особенно кукуруза) менее чувствительны к недостатку кислорода в почвенном возду­хе, чем бобовые. Большую потребность в нем испытывают горчи­ца, лен и другие растения.

Один из важнейших почвенных микробиологических процес­сов — нитрификация — протекает только при свободном доступе кислорода. В первые, дни после рыхления почвы количество нитра­тов в ней иногда увеличивается в 5—10 раз по сравнению с коли­чеством их до обработки. Клубеньковые бактерии, живущие на корнях бобовых, а также свободно живущие азотфиксирующие микроорганизмы (азотобактер и др.) действуют лишь при свобод­ном доступе кислорода.

В результате биологических процессов, протекающих в почве, резко увеличивается содержание углекислого газа и уменьшается количество кислорода в почвенном воздухе. Поэтому необходим постоянный газообмен между почвенным и атмосферным возду­хом, который зависит от воздухоемкости и степени аэрации почвы.

Возрастание концентрации углекислого газа в почвенном воз­духе отрицательно влияет на жизнь растений, а увеличение его в приземном слое атмосферы улучшает их углеродное питание. Если в почвенном воздухе содержится 1 % и больше углекислого газа, растения проявляют признаки отравления, тогда как повы­шение его концентрации в приземном слое воздуха сопровожда­ется повышением урожая.

Газообмен между почвенным и атмосферным воздухом совер­шается под влиянием многих причин, из которых наибольшее значение имеют: диффузия газов, колебание атмосферного давле­ния; суточное изменение температуры: ночью (при охлаждении почвы) объем тазов в ней уменьшается и засасывается атмосфер­ный воздух, происходит «вдох», а днем при нагревании газы в ней расширяются и выходят в атмосферу, происходит «выдох», что получило название «суточного дыхания почвы»; ветер, изменение влажности почвы, наличие или отсутствие растительного покро­ва, степень уплотнения почвы, наличие корки на ее поверх­ности.

Улучшению состава почвенного воздуха способствуют следую­щие мероприятия: соблюдение правильных севооборотов, рацио­нальная обработка почвы, обогащение ее органическим вещест­вом, внесение извести на кислых и гипса — на солонцеватых поч­вах, дренаж, грядковые, гребневые посевы и посадки и др.

Воздушный режим находится в тесной связи с водным режи­мом почвы. Поэтому его регулирование влечет за собой и изме­нение воздушного режима почвы.

Источник