Газовая фаза почв

Содержание

Введение.................................................................................................................3

1. Газовая  фаза почв...............................................................................................4

  1.1 Формы  почвенного воздуха...........................................................................4

  1.2 Состав  почвенного воздуха............................................................................6

  1.3Свойства  воздушной фазы..............................................................................7

  1.4 Потребление О2 и продуцирование СО2 в почве........................................9

  1.5 Газообмен почвенного воздуха с атмосферой..........................................11

  1.6 Динамика О2 и СО2 почвенного воздуха....................................................14

  1.7 Экологическая значимость почвенного воздуха.......................................15

Заключение...........................................................................................................18

Список используемой литературы......................................................................19

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Почвенный воздух является важнейшей составной частью почвы. Первые сведения о его составе были получены еще в 1824 году французским ученым Ж. Буссенко. Важные работы по изучению почвенного воздуха были выполнены в первой четверти 20 столетия А. Г. Дояренко, Б. Кином, В. Кэнноном, Э. Расселом и др. За последние 15—20 лет вновь усилился интерес к изучению этих вопросов, что нашло отражение в работах как отечественных, так и зарубежных ученых.

Газовая фаза − раздел физики почв, в котором рассматриваются состав, свойства и поведение газообразных компонентов почвенной физической системы  во взаимодействии с другими ее компонентами и внешним окружением. Почва с позиций современной физики является открытой, поликомпонентной, полидисперсной, динамической биокосной системой, состоящей из трех фаз −  твердой, жидкой и газообразной. Свойство системы быть открытой означает, что она находится в материально- энергетическом взаимодействии с внешним миром: другими системами, потоками веществ и энергии, физическими полями. Поликомпонентность и полидисперсность почвы характеризуют неоднородность ее физического состава, куда входят разнообразные минеральные, органические, органоминеральные элементарные почвенные частицы (ЭПЧ) и их ассоциаты (агрегаты), резко различающиеся по своим  размерам, форме и свойствам. В отличие от большинства минералов и горных пород, почва является в той или иной мере рыхлой пористой средой, обладающей высокой дисперсностью и поверхностной энергией ЭПЧ. В связи с этим в физическом составе почвы  помимо твердых частиц выделяются так называемые флюиды − водные растворы, газы и пары, занимающие поровое пространство и свободную поверхность твердых компонентов.

 

 

 

 

 

 

1.Газовая фаза

Газовая фаза почв или почвенный воздух - это смесь газообразных  веществ, занимающая поровые пространства почвы и находящаяся в свободном, водорастворенном или адсорбированном состоянии.

Почвенный воздух формируется:

• путем заполнения поровых пространств воздухом из приземного слоя атмосферы;
• в результате диффузионных процессов, как следствие различия парциальных давлений отдельных газов почвенной газовой фазы и атмосферы;
• как продукт почвенных биохимических и химических процессов, включая дыхание почвенных организмов.

1.1 Формы почвенного воздуха

Газы почвенного воздуха находятся в нескольких физических состояниях: собственно почвенный воздух -свободный и защемленный, адсорбированные и растворенные газы.

Свободный почвенный воздух - это смесь газов и летучих  органических соединений, свободно перемещающихся по системам почвенных пространств, сообщающихся с воздухом атмосферы. Его объем в воздушно - сухой почве соответствует ее прозрачности. При увлажнении почвы количество воздуха уменьшается пропорционально насыщению влагой. При полной влагоемкости почвы газовая фаза присутствует только в растворенном состоянии.

Защемленный почвенный воздух - воздух, находящийся в порах, со всех сторон изолированных водными пробками. Чем более тонкодисперстна почвенная масса и компактней её упаковка, тем большее  количество защемлённого воздуха она может иметь. В суглинистых почвах содержание защемленного  воздуха достигает более 12% от общего объема почвы или более четвертой части всего ее порового пространства. Защемленный воздух неподвижен, практически не участвует в газообмене между почвой и атмосферой, существенно препятствует фильтрации воды в почве, может вызывать разрушение почвенной структуры при колебаниях температуры, атмосферного давления, влажности.

Адсорбированный почвенный воздух - газы и летучие органические соединения, адсорбированные почвенными частицами на их поверхности. Чем более дисперсна почва, тем больше содержит она адсорбированных газов при данной температуре. Количество сорбированного воздуха также зависит от минералогического состава почв, от содержания органического вещества, влажности. Песок поглощает воздуха в 10 раз меньше, чем тяжелый суглинок, мелкодисперсный кварц сорбирует CО2 в 100 раз меньше, чем гумус (табл. 1)

Таблица 1.Способность к поглощению почвенного воздуха и его компонентов частицами твердой фазы почвы, см3/100 г при 20 0С (по Ковде)

Почвенная масса	Воздух	СО2	NH3
Кварцевый песок	0,75	12	145
Каолин	-	166	197
Гумус	-	1264	24228
Супесь	2,26	-	-
Легкий суглинок	4,93	-	-
Тяжелый суглинок	7,00	-	-
Чернозем	14,40	-	-

 

Растворенный воздух — газы, растворенные в почвенной воде. Растворенный воздух ограниченно участвует в аэрации почвы, так как диффузия газов в водной среде затруднена. Однако растворенные газы играют большую роль в обеспечении физиологических потребностей растений, микроорганизмов, почвенной фауны, а также в физико- химических и химических процессах в почвах. Способность газов к растворению показана в (табл. 2)

Таблица 2. Растворимость газов в воде, см3/л

Газы	Температура,0С
	5	20	30
Воздух	0,25	0,19	0,16
СО2	14,24	8,78	6,65
О2	0,43	0,31	0,26

 

Подчеркнем особую значимость растворенного в воде углекислого газа. При высокой растворимости С02 велика его роль в создании кислотности, в почвах при отсутствии карбонатов (СаС03 и др.) происходит подкисление среды:

С02 + Н20 = 2H + С032-

В нейтральных и щелочных почвах СО2, растворенный в воде, -главное условие миграции карбонатов.

1.2 Состав почвенного воздуха

Из всех компонентов почвы воздушная фаза — наиболее динамичная по объему и соотношению формирующих ее газов. Главные по массе — это N2, 02 и С02, а также вода. Примерное их содержание в сравнении с атмосферой (% от объема):

Газы            Атмосфера          Газовая фаза почв

N2                  78          78-86       

02                   21                  10-20

С02                  0,03                       0,1-15

Н20 относи-     Менее 9                Более 95

тельная влажность 

Почвенный воздух имеет почти такое же количество азота, как и атмосфера Земли, кислорода обычно в два раза меньше, а двуокиси углерода — в десятки и сотни раз больше. Установлено, атмосфера Земли на 90% обеспечивается углекислым газом, т. е. основным источником углеродного питания растений, за счет его диффузии из почвенного воздуха. Вода как неизменный компонент в почвенном воздухе всегда находится на грани конденсации, и ее переход в капельножидкое состояние возможен при относительно небольших снижениях температур. Это часто служит источником свободной воды, например, в песках пустыни, в глубоких горизонтах черноземов при градиенте температур воздуха почвы в верхних слоях 30 0С, в нижних 10 0С. Общеизвестна зимняя конденсация Н20 в промерзающих слоях сельских и городских почв (появление мокрой почвы в крытых токах, увлажнение почв под асфальтом городских улиц и т. д.).

Высокую динамичность содержания в воздухе кислорода и диоксида углерода иллюстрирует табл. 3.

Таблица 3. Пределы изменения содержания 02 и С02 в почвенном воздухе в течении года(по Зборищук)

 

Почва	02, %	со2,%
Иловато-болотная	11,9-19,4	1,1-8,0
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	03-0,8
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

 

В незначительных количествах в почвенном воздухе присутствуют такие компоненты, как N20, N02, СО, различные углеводороды (этилен, ацетилен, метан), сероводород, аммиак, эфиры и др. Происхождение микрогазов связывается с жизнедеятельностью организмов, особенно в анаэробных условиях. Болота часто выделяют самовозгорающиеся и психотропные газы. Обязательно присутствие инертных газов, в том числе и радиоактивных. Источником последних является распад радионуклидов минеральной части почвы. Естественная радиоактивность почвенного воздуха намного выше атмосферного.

1.3 Свойства воздушной фазы

Главные свойства воздушной фазы почв: воздухоемкость, воздухопроницаемость, высокая динамичность воздухообмена и химического состава.

Воздухоемкость — это та часть объема почвы, которая занята воздухом при данной влажности. Выделяют полную, или потенциальную воздухоемкость, которая свойственна сухим почвам. Она соответствует пористости (порозности) почв и напрямую зависит от их плотности. Актуальная воздухоемкость — это содержание воздуха в почве в каждый конкретный момент при том или ином уровне увлажнения. Таким образом, воздухосодержание (Рв) определяется:

Рв = Робщ - Pw

где Робщ — порозность почвы, Pw — влажность почвы. Все величины выражаются в процентах от объема.

Вода и воздух в почвах антагонисты: чем больше воды в почве, тем меньше воздуха. Оптимальная экологическая гармония для большинства растений — вода и воздух должны содержаться в равных по объему количествах, что соответствует влажности почвы 60% от НВ.

Воздухопроницаемость — способность почвы пропускать через себя воздух. Воздухопроницаемость — непременное условие газообмена между почвой и атмосферным воздухом. Чем она выше, тем лучше газообмен, тем больше в почвенном воздухе содержится кислорода и меньше углекислого газа. Воздух в почве передвигается по порам, не заполненным водой и не изолированным друг от друга. Чем крупнее поры аэрации, тем лучше воздухопроницаемость. В структурных почвах, где наряду с капиллярными порами имеется достаточное количество крупных некапиллярных пор, создаются наиболее благоприятные условия для воздухопроницаемости.

Динамика почвенного воздуха зависит от многих факторов. Постоянно протекающий процесс обмена почвенного воздуха с атмосферным называется аэрацией почвы.

При постоянной влажности почвы аэрация зависит от интенсивности диффузии и изменения температуры и барометрического давления.

Диффузия — перемещение газов в соответствии с их парциальным давлением. Поскольку в почвенном воздухе кислорода меньше, а углекислого газа больше, чем в атмосфере, то под влиянием диффузии создаются условия для непрерывного поступления кислорода в почву и выделения С02 в атмосферу.