Газовая фаза почв

1.6 Динамика О2 и СО2 почвенного воздуха

Содержание 02 и С02 в почвенном воздухе непостоянно и зависит от типа почвы, ее свойств (физических, химических, биологических), от времени года, погодных условий и угодья (пашня, лес, луг). На пашне состав воздуха зависит от возделываемой культуры и применяемой агротехники.

В почвах нормального увлажнения содержание кислорода, как правило, уменьшается от верхних горизонтов к нижним, количество же  углекислого газа, наоборот, увеличивается (см. табл. 3). Содержание 02 и С02 в почвенном воздухе тесно связано с наличием растительности, ее составом. Так, при наличии растительности на пахотных угодьях в составе почвенного воздуха меньше содержится 02 и больше С02, чем на паровом поле.

Особенно большое влияние на состав почвенного воздуха оказывают влага и температура почвы. С увеличением влажности уменьшается воздухоемкость, нарушается система воздухоносных пор, а следовательно, ухудшаются условия газообмена. Кроме того, от содержания влаги в почве и температуры зависит напряженность биологических и биохимических процессов и в связи с этим интенсивность потребления  кислорода и продуцирования 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, наблюдаются самые низкие концентрации углекислого газа и самые высокие — кислорода.

В годовом цикле динамики кислорода и углекислого газа в  почвенном воздухе минимальное содержание 02 и максимальное С02 может приходиться или на теплый, или на холодный период года, в  зависимости от состояния газообмена. Так, в почвах степной и полустепной зон самая высокая концентрация С02, по наблюдениям В. Б. Мацкевич (1958), была летом, а осенью и зимой почвенно-грунтовая толща разгружалась от ранее накопленного углекислого газа. На  дерново-подзолистых почвах таежно-лесной зоны, по данным И. П. Гречина (1965), как под полевыми культурами, так и под лесом в отдельные годы почвенный воздух за зимний период не только не освобождался от накопленного летом углекислого газа, но еще больше обогащался им. Удаление  углекислого газа происходило или весной, или летом, при подсыхании почвогрунтов и создании благоприятного газообмена в верхних и нижних горизонтах. Если почва в зиму уходила слабо увлажненной, с достаточной пористостью аэрации и, следовательно, с хорошим газообменом во всех горизонтах, то почвенный воздух освобождался от ранее накопленного углекислого газа и в осенне-зимний период.

Таким образом, наблюдения за динамикой 02 и С02 в газовой  фазе почв показывают, что взаимосвязь между составом почвенного воздуха и условиями, ее определяющими, многофакторна и сложна.

1.7 Экологическая значимость почвенного воздуха

Воздушная фаза - важная и наиболее мобильная составная часть почв, изменчивость которой отражает биологические и биохимические ритмы почвенных процессов. Количество и состав почвенного воздуха оказывают существенное влияние на развитие и функционирование растений и микроорганизмов, на растворимость и миграцию химических соединений в почвенном профиле, на интенсивность и направленность почвенных процессов. Кроме того, почва является поглотителем, сорбирующим токсичные промышленные выбросы газов и очищающим атмосферу от техногенного загрязнения.

Воздействие кислорода на жизнь растений проявляется в актах дыхания. При недостатке 02 дыхание ослабляется, что уменьшает метаболическую активность и в конечном итоге снижает урожай. Повышение аэрации почвы способствует лучшему развитию корней, более интенсивному поглощению питательных веществ растениями, усилению их роста и увеличению урожая при достаточном количестве почвенной воды. При отсутствии свободного кислорода в почве развитие растений прекращается. Оптимальные условия для них создаются при содержании кислорода в почвенном воздухе около 20%.

При недостатке 02 в почве создается низкий окислительно-восстановительный потенциал, развиваются анаэробные процессы с образованием токсичных для растений соединений, снижается содержание доступных питательных веществ, ухудшаются физические свойства, что в совокупности снижает плодородие почвы.

Большая часть углекислого газа почвенного воздуха образуется в процессах работы макро- и микроорганизмов, причем около 30% за счет дыхания корней высших растений и около 65% — при разложении органических остатков микроорганизмами. Избыток углекислоты угнетает развитие корней и прорастание семян. Однако современная концентрация С02 в атмосферном воздухе не вполне достаточна для потенциальной возможности биологической продуктивности зеленого листа. Приземное повышение концентрации углекислого газа может увеличивать урожай зеленой массы, что практикуется в тепличных хозяйствах. Однако следует помнить, 0О2 в высоких концентрациях -  быстродействующий яд, и при почвенных исследованиях разрезы, особенно в болотных почвах, должны быть хорошо проветриваемые, гак как С02, являясь тяжелым газом воздуха, склонен к накоплению в понижениях.

Велика почвенно-химическая и геохимическая роль диоксида углерода. Вода, насыщенная С02, растворяет многие труднорастворимые соединения - кальцит CaCO, доломит СаСО и MgC03, магнезит MgC03, сидерит FeCO. 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 равновесия влево:

Са(НС03)2 = СаСОз + Н20 + С02.

Обратная картина этого явления - выпадение СаСОэ в осадок и формирование в почвах горизонтов скопления карбонатных почвообразований (белоглазка, журавчики, карбонатная плесень).

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/(на м2 в час) 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. Сравнительный уровень плодородия почв, фиксируемый при определении «дыхания» по выделению С02, производят в оптимально насыщенной влагой почвенной массе (60% от наименьшей влагоемкости). Различия в уровнях могут изменяться в широких пределах при анализе генетически отдаленных и антропогенно измененных почв.

Оценивать воздухоемкость почв и ее экологическую значимость необходимо всегда в комплексе с другими характеристиками почвы, от которых напрямую зависит объем воздуха.

Заключение

Почвенный воздух – самый легкий и самый динамичный физический компонент почвы. В отличие от твердых частиц и воды его нельзя увидеть, нельзя осязать напрямую и лишь с помощью достаточно тонких и чувствительных приборов, специальных методов исследования можно осуществить его индикацию, определить состав и свойства. Однако пройдет совсем немного времени, и повторный анализ покажет, что состав и многие свойства почвенного воздуха изменились. И если характерное время подобных изменений для твердых частиц оценивается годами, столетиями, то для почвенного воздуха это дни, часы, а иногда и мгновения. Поэтому разовой информации о состоянии воздуха в почве недостаточно, и возникает необходимость постоянного, точного контроля его динамики. Эта задача становится чрезвычайно актуальной в настоящее время в связи с глобальными экологическими проблемами современности – парниковым эффектом, загрязнением окружающей среды, катастрофически быстрым изменением климата планеты. Одна из главных экологических функций почвенного покрова – регуляция газового режима на планете, поскольку в почвах осуществляются процессы аккумуляции и разложения органических веществ, замыкаются природные круговороты газов и паров, происходит иммобилизация активных и вредных для жизни летучих химических соединений, загрязняющих атмосферу. Насколько способна почва выполнять эту функцию в условиях надвигающегося экологического кризиса? Что может сделать человек, чтобы предотвратить этот кризис, спасти жизнь на Земле? Ведь изменения воздуха как наименее инертного жизненно-важного компонента быстрее всего отразятся на состоянии биосферы и человека. На эти вопросы невозможно дать ответ без изучения почвенного воздуха и закономерностей его динамики. Поэтому если раньше в почвоведении исследовались в основном явления, имеющие сельскохозяйственное значение, как, например, баланс между водой и воздухом, снабжение растений и почвенных организмов кислородом, то в настоящее время на приоритетные позиции выдвигаются не менее важные экологические аспекты проблемы почвенного воздуха. При этом выясняется, что недостаточно оценить поведение газовой фазы на уровне почвы как физической системы, и необходимо переходить на более высокий уровень – экосистемный, поскольку процессы образования и связывания газов и паров, их биологического круговорота, иммобилизации и транспорта не могут быть замкнуты только в почве.

Список используемой литературы

1. Вальков В.Ф., Казеев К.Ш., Колесников С.И. Почвоведение: Учебник для вузов.- М: ИКЦ "МарТ",2006

2. Гречина И.П., Кауричева И.С. Почвоведение, Издательство "Колос" Москва, 1969

3. Ковда В. А., Розонова А.Б. Почвоведение, часть 1 Почва и почвообразование.- М: "Высшая школа" 1988

4. Смагин А.В. Газовая фаза почв, Издательство Московского университета, 2005

5. Ганжара Н.Ф. Почвоведение. М.: Агроконсалт, 2001