Материал: GOSY-1_vmeste

Формы почвенного воздуха

1.Свободный - смесь газов и летучих орг соед-й, свободно перемещающихся по системам почвенных пор и сообщающихся с воздухом атмосферы. Обеспечивает аэрацию почв и газообмен между почвой и атмосферой.

2.Защемленный - воздух, находящийся в порах, со всех сторон изолированных водными пробками. Неподвижен, практически не участвует в газообмене между почвой и атмосферой, существенно препятствует фильтрации воды в почве, может вызывать разрушение почвенной стр-ры при колебаниях t, Ратм, W. Чем более тонкодисперсна почвенная масса и компактней ее упаковка, тем большее кол-во защемленного воздуха (в суглинистых почвах >12% от общего объема почвы или более четвертой части всего ее порового пр-ва).

3.Адсорбированный - газы и летучие орг соед-я, адсорбированные почвенными частицами на их пов-ти. Чем более дисперсна почва, тем больше сод-т адсорбированных газов при данной t. Кол-во зависит от минералогич-го состава почв, от сод-я орг в-ва, W. Песок поглощает воздуха в 10 раз <, чем тяжелый суглинок. Мелкодисперсный кварц сорбирует СО2 в 100 раз <, чем гумус. Кол-во адсорбированных газовых компонентов (Г) рассчитывается с помощью ур-ния изотермы адсорбции Ленгмюра: Г=Г∞*(С/k+С) (при Т=const), Г - предельное значение адсорбции насыщения на единицу пов-ти адсорбента, мг; С - равновесная конц-я газа в системе, мг/л; k - эмпирический коэфф-т.

4.Растворенный - газы, растворенные в почвенной воде. Ограниченно участвует в аэрации почвы, т.к. диффузия газов в водной среде затруднена. Играют большую роль в обеспечении физиологич-х потребностей растений, микроорг-ов, почвенной фауны, в физ-химич-х процессах, протекающих в почвах. Кол-во растворенных газов подчиняется з-ну фазового равновесия Генри: C=λp/10.2, С - массовая конц-я газа, растворенного в воде, мг/л; р – парц. давление газа в почв. воздухе, МПа; 10,2 - нормальное атмосферное давление, МПа; λ – коэфф-т р-ти газа в воде, мг/л.

Воздушно-физические св-ва почв - совокупность ряда физ-х св-в почв, определяющих состояние и поведение почв. воздуха в профиле.

1.Общая воздухоемкость - max возможное кол-во воздуха, выраженное в % по объему, которое сод-ся в воздушно-сухой почве ненарушенного строения при нормальных усл-х. Общую воздухоемкость (Ров) можно определить по ф-ле Ров=Робщ-Рг, Робщ - общая порозность почвы, %; Рг - объем гигроскопической влаги, %. Зависит от их гран состава, сложения, степени оструктуренности. Численно равна объему пор (общ. пористость). Показатель соnst для той или иной почвы.

По хар-ру влияния на состояние почв.о воздуха различают:

•капиллярная: характеризует почв. воздух, размещенный в капиллярных порах малого диаметра. Ее высокий % указывает на малую подвижность почв. воздуха, затрудненную транспортировку газов в пределах почвенного профиля, высокое сод-е защемленного и сорбированного воздуха. Преобладание ее хар-но для тяжелоглинистых, бесструктурных, плотных, набухающих почв. При высоких уровнях увлажнения не обеспечивает аэрацию почв, создает анаэробные зоны и благоприятствует развитию внутрипочвенного оглеения.

•некапиллярная (порозность аэрации): воздухоемкость межагрегатных пор, трещин и камер. Включает крупные поры, межструктурные полости, ходы корней и червей в почвенной толще и связана в основном со свободным почвенным воздухом. Определяет кол-во воздуха, существующего в почвах при их капиллярном насыщении влагой. Вычисляется по ур-нию: Ра=Робщ-Рк, Ра – порозность аэрации; Рк - объем капиллярной порозности, %. Наибольших значений (25-30%) достигает в хорошо оструктуренных, слабоуплотненных почвах.

Обе зависят от гран состава.

2.Воздухосодержание – кол-во воздуха, содержащегося в почве при определенном уровне естественного увлажнения. Вычисляется по ф-ле: Рв=Робщ-Рw, Рw - объемная влажность почв, %. Колеблется в различных почвах и в различные сезоны от 0 (на переувлажненных или затапливаемых территориях) до 80-90% (на переосушенных торфяниках). Во всех типах почв воздухосодержание имеет четко выраженную сезонную динамику.

3.Воздухопроницаемость (газопроницаемость) - способность почвы пропускать через себя воздух. Определяет v газообмена между почвой и атмосферой. Зависит от гран состава почвы и ее оструктуренности, от объема и строения (конфигурации) порового пр-ва. Определяется некапиллярной порозностью. Внимание при ее исследовании следует обращать на состояние пов-ти почвы, ее разрыхленность, наличие корок, трещин. В естественных усло-х изменяется от 0 до 1 л/с и выше.

Газообмен почвы с атмосферой: за неск.часов происходит газообмен в верхнем 20 см слое. Зависит от влажности: чем >, тем хуже. >капиллярной W и полной W ухудшает. Обмен СО2 наиболее интенсивно протекает на границе раздела сред

Воздухообмен (газообмен) почвы - обмен газами между почв. воздухом и атмосферой. Определяется большим кол-вом факторов: непосредственно почвенных и внешних по отношению к ней:

1)атмосферные усл-я - суточная и сезонная амплитуды колебаний tвозд, Ратм, температурные градиенты на пов-ти раздела почва-атмосфера, турбулентность атм. воздуха, кол-во осадков и хар-р их распределения, интенсивность и объем испарения и транспирации воды;

2)физич-е св-ва почвы - гран состав, стрра, состояние повти, плотность, колво и качво пор аэрации, температур-й режим почв и режим их влажности;

3)физич-е св-ва газов – v диффузии, градиенты конц-й газов в почв.профиле и на границе раздела - атмосфера, гравитационный перенос газов под действием силы тяжести, способность к сорбции - десорбции на тв. фазе, растворение в почвенных р-рах и дегазация;

4)физ-химич-е р-ции в почвах - обменные р-ции между ППК-почв.р-ром-газовой фазой, р-ции окисления- восстановления.

Воздухообмен контролируется:

•конвекцией (перенос почв.воздуха в целом, общая движущая сила, градиент полного давления). Зависит от: изменения t, W почвы, давления, действия ветра на него;

•диффузией (перенос отдельных компонентов воздуха, движущая сила – градиент парциального давления (выравнивание конц-й). Зависит от: разности парц.давления в почве или почве и атмосфере. Остальные факторы тем или иным путем связаны с ней, либо изменяя градиенты конц-й газов, св-ва среды, через которую она идет. Конвективный (под действием температурных градиентов), гравитационный (под действием силы тяжести) газопереносы, перенос газов при изменениях атм. давления имеют подчиненное значение.

Поток газообразного в-ва (Qs), протекающего через ед площади почвенной пористой среды за е/ времени, рассчитывается, исп. ур-ние молекулярной диффузии (1-ый з-н Фика): Qs=Ds*(∂c/∂z), Ds – коэфф-т диффузии газа в почве, см²•с; с – конц-я газа в почв.воздухе, мг/см³; z - глубина слоя, см.

Коэфф-т диффузии газа в атмосфере (Dа) существенно выше, чем в почвах. Ур-ние, связывающее коэфф-ты почвен. и атмосфер. диффузии с порозностью аэрации: Ds/Dа=a*Ра^b, а, b – эмпирич-е const, характериз-щие сложение среды, через которую идет диффузия. При расчетах v диффузии нужно вносить поправки на t, которые в каждом конкретном случае имеют индивидуальные знач-я.

Состав почвенного воздуха: переменный, большую роль в формир-и играет биогенный фактор.

Имеющиеся данные о динамике состава почв. воздуха дали возможность представить зависимость интенсивности поглощения О2 почвой из атмосферы (SО2) как ф-цию многих факторов (Федоров, Гильманов, 1980): SО2=F(СО2, Ts, W, Rs, Fs, Ms, Hs...), СО2 – конц-я О2 в почв. воздухе; Ts - t почвы; W - влажность почвы; Rs – сод-е в почве корней; Fs - дыхание почв. животных; Ms - активность почв. микроорг-ов; Hs - сод-е орг в-ва в почве.

Макрогазы почв. воздуха: N2, O2, CO2.

Состав атмосферного и почвенного воздуха

Атмосфера: O2 – 20,47%; N2 – 78,3%; CO2 – 0,03%

Почва: O2 – 11-21%; N2 – 78-86%; CO2 – 0,3-3%

N2: Исслед-я динамики сод-я молек. N важны при изучении пр. азотфиксации, нитрификации и денитрификации. Изучают динамику сопутствующих ему микрогазов – N2O, NО2.

NО2 – диоксид N, промежуточный продукт денитрификации, эфемерен. N2O – образ-е связывают с пр. денитрификации; существует мнение о его фотохимич-ом влиянии на озонный пояс Земли.

O2: достаточное сод-е обеспечивает необходимый уровень микробиолог-ой деят-ти, дыхания корней растений и почв. животных, при этом в почве преобладают аэробные пр. окисления. Дефицит О2 угнетает развитие корневых волосков, вызывает массовую гибель всходов растений, провоцирует развитие болезнетворных микроорг-ов, вызывающих корневую гниль. Полный анаэробный пр начинается при сод-и 2,5%, но длительное сохранение конц-и 10-15% уже угнетает воздухолюбивые культуры. Сод-е О2 в почв.воздухе контролирует ОВ режим почв. Конц-и в различных почвах в разные сезоны колеблются в широких пределах от десятых долей до 21,0%.

CO2: Пр. дыхания и разложения, непрерывно протекающие в почвах, постоянно пополняют атмосферные запасы CO2. Биологич-е знач-е: •обеспечивает ассимиляционный пр. растений (искусственное повышение конц-и CO2 в атмосфере теплиц вызывает увеличение v фотосинтеза, дает 50- 100% прирост урожая). •избыток (>3%) угнетает развитие растений, замедляет прорастание семян, сокращает интенсивность поступления воды в растит-е клетки. Почвенно-химич-я, геохимич-я роль: •Вода, насыщенная СO2, растворяет многие труднорастворимые соед-я - кальцит СаСО3, доломит СаСО3•MgCО3, магнезит MgCО3, сидерит FeCО3. => миграция карбонатов в почвенном профиле и в сопряженных геохимич=х ландшафтах. Пр.декарбонизации - вынос (выщелачивание) карбонатов под действием увеличивающейся конц-и СO2 в почв. воздухе и в почв. р-ре; обусловлен сдвигом влево равновесия Са(НСО3)2= СаСО3+Н2О+СО2

В процессах, характеризующихся нормальным кислородным дыханием (Дк), происходит эквивалентный обмен О2 на СО2: Дк=ССO2/СО2=1

Существует целый ряд пр., вызывающих отклонение в ту или иную сторону от нормального обмена.

Почва – гл. источник поступления СО2 в атм. Ежегодно почвы выделяют 0,5 т до 50 с 1 га (эмиссия СО2). Почвы тундры – 0,3 т/год на 1 га; тайги – 3-30; степей – 40-70; тропики, субтропики – 50-90.

«Дыхание почв» - высокоинформативный показатель биологич-й активности почв, характеризуется v выделения СО2 за ед. времени с ед. пов-ти. Интенсивность колеблется от 0,01 до 1,5 г/(м²•ч). Зависит от почвенных и погодных усл-й, физиологич-х особенностей растит-х и микробиологич-х ассоциаций, фенофазы, густоты растит-го покрова. «Почвенное дыхание» характеризует биологич-ую активность экосистемы в каждый конкретный период времени, и резкие отклонения от стандартных параметров дыхания могут дать экологич-ю оценку пр., вызывающим эти отклонения.

Микрогазы: N2О, NО2, СО, предельные и непредельные УВ (этилен, ацетилен, метан), Н2, Н2S, NH3, меркаптаны, терпены, фосфин, спирты, эфиры, пары орг и неорг к-т. Конц-и: 1•10^-9-10^-12²%. Происх-е: связывают с непосредственным метаболизмом микроорг-ов, с р-циями разложения и новообраз-я орг в-в в почве, с трансформацией в ней удобр-й и гербицидов, с поступлением их в почву с продуктами техногенного загряз-я атмосферы.

Состав почв. воздуха имеет вертикальную стратификацию, определяемую продуцированием и кинетикой газов в пределах почвенного профиля. В пов-ных гор-тах, вследствие активного газообмена с атмосферой, отличия компонентного состава почв. воздуха от атмосф. выражена менее заметно, чем в нижележащих. Для бол-ва почв характерен рост конц-и СО2 в почвенном воздухе с глубиной.

Газообмен и конц-и газов в почв. воздухе зависят от режима влажности и мощности зоны аэрации (толщи почвы и грунта, расположенной выше уровня грунтовых вод). В зоне капиллярной каймы грунтовых вод: max СO2, min O2. При выходе капиллярной каймы на пов-ть корнеобитаемая биологич-я активная зона насыщается Н2О, дефицит воздуха в почве, высокие конц-и СО2, низкие О2. Грунтовые воды ниже 2,5 м не оказывают заметного влияния на состав почв. воздуха.

Динамика почвенного воздуха: определяется совокуп-тью всех явлений поступления, передвижения и трансформации газов в пределах почвенного профиля, взаимодействием газовой фазы с твердой, жидкой и живой фазами почвы.