Учебно-методический комплекс дисциплины «Основы химико-педагогических исследований» для специальности 5В011200 — «Химия» (стр. 10 )

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.

Исследованиями установлено, что в верхнем слое (0-20 см) среднее содержание воздуха довольно близко для всех изучавшихся почв, составляя 23-28% от объема почвы. 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.

ГЛАВНЫЕ СОСТАВНЫЕ ЧАСТИ ПОЧВЕННОГО ВОЗДУХА.

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 (табл.).

Таблица  Содержание основных газов в атмосферном и почвенном воздухе

(в объемных процентах) (по Ремезову)

Газ	Атмосферный воздух	Почвенный воздух
Азот	78	78-80
Кислород	21	0,1-20
Углекислый газ	0,03	0,1-15,0

Состав атмосферного воздуха более или менее постоянен (табл.) 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 углекислого газа.  При этом обычно в почвенном воздухе значительно меньше, чем в атмосферном, кислорода и больше углекислого газа.

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 СО2. В некотором количестве СО2 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 СО2 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 СО2. Схематически это выглядит так: почва поглощает О2 и выделяет СО2, что характерно для процесса дыхания. Поэтому газообмен между почвой и атмосферой называют «дыханием» почвы.

ФАКТОРЫ, СПОСОБСТВУЮЩИЕ ОБМЕНУ ПОЧВЕННОГО ВОЗДУХА С АТМОСФЕРОЙ.

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

диффузия газов, зависящая от разницы состава почвенного и надпочвенного воздуха и возрастающая с увеличением этой разницы. и другие исследователи считают роль диффузии в газообмене важнейшей; 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; ветры, создающие на неровной поверхности почвы разнообразные условия давления, а также усиливающие испарение воды, тем самым освобождая место для воздуха в почве; 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.

СОДЕРЖАНИЕ КИСЛОРОДА И УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА В ПОЧВЕННОМ ВОЗДУХЕ.

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

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.  Полное удаление кислорода из газовой смеси приводит к резкому преобладанию восстановительных процессов (снижению Eh и, соответственно, rН2; увеличению содержания в почве восстановленных форм железа). Уже незначительное количество O2 - 0,5% от объема воздуха улучшает ОВ-условия. При 2,5% кислорода rН2 достигает значения 27,9; эту концентрацию считают рубежом, характеризующим переход от анаэробных условий к аэробным. Следует отметить, что повышение концентрации СО2 в газовой смеси мало влияет на ОВ-условия почвы.

Изменение содержания O2 в газовой смеси отчетливо сказывается на соотношении окисленной и восстановленной формы N в почве: по сравнению с исходной почвой в отсутствие O2  количество NO3- падает, а NH4+ возрастает; при возрастании процента кислорода содержание NO3- постепенно увеличивается, а NH4+  - падает.

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 O2 для прорастания семян.

  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 анаэробиозиса. 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 углекислый газ.

Установлено, что содержание CO2 в почвенном воздухе, как правило, значительно - в десятки и сотни раз - выше, чем в атмосферном.

Чем интенсивнее биологические процессы в почве, тем больше она выделяет углекислого газа. По количеству выделенной CO2 можно ориентировочно судить о биологической активности почвы ().

Чем больше содержание органического вещества в почве, тем больше она выделяет CO2 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 (CO2) за счет внесенного навоза и усиление ассимиляции растениями CO2 - 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 СО2, чем на паровых участках; особенно много CO2 в лесной почве.

В течение года содержание углекислоты в почвенном воздухе значительно изменяется. Наибольшие количества СО2 наблюдаются в самое теплое время года, постепенно снижаются к осени и достигают минимальных значений зимой. Весной происходит снова постепенное увеличение содержания СО2 в почвенном воздухе. Таким образом, обнаруживается тесная связь колебаний количества углекислоты с температурой. Большое значение имеют для динамики СО2 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 СО2 в глубоких слоях достигает максимума позже, чем в вepxних, а зимой оно медленнее снижается.

Как уже указывалось выше; углекислота, представляя собой продукт биологических процессов в почве, является важным фактором химического выветривания.  СО2 почвенного воздуха находится в равновесии с СО2 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 СО2 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.