Воздушные свойства почвы

В почве всегда содержится воздух в том или ином количестве, который заполняет поровое пространство, свободное от воды, и формирует газовую фазу почвы. Она возникает за счёт атмосферного воздуха и газов, формирующихся в самой почве в результате биологических процессов и химических реакций. Атмосферный воздух представляет собой смесь газов, состоящую в основном из азота, кислорода и углекислого газа. При поступлении в почву атмосферный воздух претерпевает заметную трансформацию. Особенно это касается содержания кислорода и углекислого газа, что связано с жизнедеятельностью почвенной биоты, дыханием корней и разложением органического вещества. Состав воздуха в почве изменяется тем быстрее, чем выше её биологическая активность.

В почвенном воздухе по сравнению с атмосферным меньше кислорода и больше углекислого газа. Содержание азота может изменяться в ту или иную сторону и Уменьшение его концентрации происходит в результате связывания его свободноживущими азотфиксирующими микроорганизмами и клубеньковыми бактериями, а увеличение – вследствие распада белков и денитрификации азотсодержащих; веществ под действием микроорганизмов.

Почвенный воздух болотных и заболоченных почв может содержать и заметные количества NH3, CH4, Н2. В составе почвенного воздуха постоянно присутствуют в очень небольшом количестве нелетучие органические соединения (углеводороды жирного и ароматического ряда, сложные альдегиды, спирты и др.), образующиеся в процессе жизнедеятельности почвенных микроорганизмов. Эти вещества могут поглощаться корнями, способствуя росту растений и повышению их жизнедеятельности.

Наиболее динамичны из всех газов почвенного воздуха кислород и углекислый газ. Им принадлежит очень важная роль в жизни почвы и населяющих ее организмов. Содержание кислорода и углекислого газа в почвенном воздухе колеблется в широких пределах. В хорошо аэрируемых верхних горизонтах почв содержание кислорода приближается к содержанию его в атмосферном воздухе, а в тяжелых почвах с затрудненным газообменом может снижаться в десятки и сотни раз.

Концентрация углекислого газа в почвах с плохим газообменом многократно увеличивается по сравнению с содержанием его в атмосфере. Различная концентрация кислорода и углекислого газа в почвенном воздухе объясняется двумя группами противоположно направленных процессов: интенсивностью потребления кислорода и продуцирования углекислого газа, с одной стороны, и скоростью газообмена между почвенным и атмосферным воздухом – с другой.

В почвах нормального увлажнения содержание кислорода, как правило, уменьшается от верхних горизонтов к нижним, количество же углекислого газа, наоборот, увеличивается. Содержание О2 и СО2 в почвенном воздухе тесно связано с наличием растительности, ее составом. Так, при наличии растительности на пахотных угодьях в составе почвенного воздуха меньше О2 и больше СО2, чем на паровом поле.

Особенно большое влияние на состав почвенного воздуха оказывают влага и температура почвы. С увеличением влажности уменьшается воздухоёмкость, нарушается система воздухоносных пор, а, следовательно, ухудшаются условия газообмена. Кроме того, от содержания влаги в почве и температуры зависит интенсивность биологических и биохимических процессов, а, следовательно, и потребление кислорода и продуцирование углекислого газа.

При оптимальной влажности с повышением температуры содержание углекислого газа в почвенном воздухе увеличивается, а кислорода уменьшается. В летний период при высокой температуре и влажности, близкой к влажности завядания, наблюдается самая низкая концентрация углекислого газа и самая высокая – кислорода. В почвенном воздухе минимальное содержание О2 и максимальное СО2 приходится на теплый или на холодный период года в зависимости от состояния газообмена.

Почвы, особенно их верхние горизонты, населены огромным количеством организмов, которые в процессе дыхания непрерывно потребляют кислород и выделяют углекислый газ. Энергия, образующаяся при этом, используется для биологических синтезов и других проявлений жизни. Такие важнейшие процессы в растениях, как передвижение веществ, поглощение минеральных солей, а частично и воды, движение протоплазмы, прорастание семян и др., осуществляются за счет энергии, выделяемой при дыхании, с участием свободного (молекулярного) кислорода.

Нормально-аэрируемые почвы, покрытые растениями, летом в среднем могут выделять от 2 до 10 л/м2 в сутки углекислого газа и потреблять такой же объем кислорода. Поскольку основная масса корней и микроорганизмов – главных потребителей кислорода – сосредоточена в верхних (гумусовых или пахотных) горизонтах, то можно допустить, что именно в этом слое будут наибольшие поглощение и продуцирование углекислого газа. Если принять, что 80% всего количества потребляемого почвой кислорода приходится на пахотный горизонт (0-20 см), то 1 кг почвы при плотности 1,4 г/см3 может потреблять в сутки около 6-29 см3 кислорода. Кислород и углекислый газ почвенного воздуха оказывают разностороннее воздействие на свойства почвы и прямо или косвенно влияют на продуктивность растений.

Кислород. Прямое воздействие кислорода на жизнь растений проявляется в процессе дыхания корней. При недостатке кислорода ослабляется дыхание, что уменьшает метаболическую активность и энергетические ресурсы растений и в конечном итоге снижает их урожаи. Улучшение аэрации почвы способствует развитию корней, более интенсивному поглощению воды и питательных веществ растениями, усилению их роста и повышению урожая. При отсутствии свободного кислорода в почве прекращается развитие всех растений.

Оптимальные условия для развития растений создаются при содержании кислорода в почвенном воздухе около 20%. При недостатке кислорода в почве формируется низкий окислительновосстановительный потенциал, развиваются анаэробные процессы с образованием токсичных для растений соединений, уменьшается содержание доступных питательных веществ, ухудшаются физические свойства, что в совокупности снижает плодородие почвы и урожай растений. В условиях хорошей обеспеченности кислородом в почве развиваются аэробные процессы и в сочетании с другими факторами создаются лучшие условия для роста растений и их продуктивности.

Аэробные процессы в гумусовом горизонте почвы при оптимальной температуре и влажности в зависимости от содержания свежих органических остатков начинают развиваться при наличии в газовой фазе кислорода больше 2,5-5 %. При более низком его содержании развиваются анаэробные процессы. В хорошо аэрируемых почвах обеспеченность кислородом в среднем составляет 50-100 см3/кг почвы. При содержании кислорода менее 5,5 см3/кг пахотного слоя дерново-подзолистой почвы в ней развиваются анаэробные процессы.

Углекислый газ (диоксид углерода). Высокая концентрация углекислого газа в почвенном воздухе оказывает отрицательное действие на семена, корни и урожай растений. Однако при оптимальном содержании кислорода вредное действие углекислого газа проявляется только при очень высокой его концентрации. Огромное количество углекислого газа потребляется растениями в процессе фотосинтеза.

Воздух в почве находится в трех состояниях: свободном – смесь газов летучих органических соединений, свободно перемещающихся в незаполненных водой порах почвы и сообщающихся с воздухом атмосферы. Воздух, находящийся в такой форме, обеспечивает аэрацию почв и их газообмен с атмосферой; адсорбированном – газы и летучие органические соединения, адсорбированные поверхностью твердой фазы почвы; растворенном – газы, растворённые в почвенной воде. Играют большую роль в обеспечении физиологических потребностей растений, физико-химических и химических процессах, протекающих в почве. К воздушным свойствам почвы, определяющим состояние и поведение почвенного воздуха, относят воздухоёмкость, воздухосодержание, воздухопроницаемость.

Воздухоёмкость – это максимально возможное количество воздуха, которое может содержаться в воздушно-сухой почве ненарушенного сложения. Воздухосодержание – это количество свободного воздуха, содержащегося в почве при определённом уровне её естественного увлажнения. Воздухопроницаемость – способность почвы пропускать через себя воздух. Воздухопроницаемость – непременное условие для осуществления газообмена между почвой и атмосферным воздухом.

Чем она полнее выражена, тем лучше газообмен, тем больше в почвенном воздухе кислорода и меньше углекислого газа. Передвижение воздуха в почве происходит по порам, не занятым водой и не изолированным друг от друга. Чем крупнее поры аэрации, тем лучше выражена воздухопроницаемость. В структурных почвах, где наряду с капиллярными порами достаточно крупных некапиллярных пор, создаются наиболее благоприятные условия для воздухопроницаемости.