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)

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

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)

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.

Изменение температуры и барометрического давления также обусловливает газообмен, потому  что происходит сжатие или расширение почвенного воздуха.

При известной значимости в аэрации почвы, диффузии и физического изменения объема воздушное массы важным фактором аэрации следует признать постоянную изменяемость воздухоемкости почвы, а это в первую очередь связано с динамикой влажности. Увлажнение почвы осадками или орошением, испарение воды, транспирация ее растениями - факторы постоянного газообмена почвы и атмосферы. С влажностью почвы также связано изменение поровых пространств при набухании и усадке твердой фазы почвы.

При аэрации почвы постоянна тенденция уравнивания вещественного состава воздуха почвы и атмосферы. Но равновесие всегда нарушается в сторону накопления продуктов жизнедеятельности организмов и тем в большей степени, чем выше биологическая актив-кость. В связи с этим различают суточную и сезонную динамику почвенного воздуха.

Суточная динамика определяется суточным ходом атмосферного давления, температур, освещенности, изменениями скорости фотосинтеза. Эти параметры контролируют интенсивность диффузии, дыхания корней, микробиологической активности.

Суточные колебания состава почвенного воздуха затрагивают лишь верхнюю полуметровую толщу почвы. Амплитуда этих изменений для кислорода и диоксида углерода невелика. Наиболее существенно в течение суток изменяется интенсивность почвенного дыхания.

Сезонная (годовая) динамика определяется годовым ходом атмосферного давления, температур и осадков и тесно связанными с ними вегетационными ритмами развития растений и микробиологической деятельности. Годовой воздушный режим включает в себя динамику воздухозапасов, воздухопроницаемости, состава почвенного воздуха, растворения и сорбции газов, почвенного дыхания.

Сезонная динамика состава почвенного воздуха отражает биологические ритмы. Концентрация диоксида углерода имеет в верхней толще четко выраженный максимум в период наивысшей биологической активности. В это время происходит насыщение почвенной толщи углекислотой. По мере затухания биологической деятельности происходит отток СО2 за пределы почвенного профиля. Динамика концентрации кислорода имеет обратную зависимость.

1.4 Потребление О2 и продуцирование СО2 в почве

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.

 Основными потребителями  кислорода в почве являются  корни  растений, микроорганизмы  и животное население, и лишь  незначительная часть его расходуется  на чисто химические процессы  окисления.

Количество кислорода, потребляемого растениями (высшими и низшими), зависит от биологических особенностей организма, возраста, условий среды (температура, влажность, наличие питательных веществ и т. д.) и других причин. При этом отдельные группы организмов по количеству потребляемого ими в процессе дыхания кислорода могут сильно отличаться друг от друга. Так, двухдневная культура Aspergillusniger потребляет кислорода в 50 раз больше, чем семидневные проростки ячменя. У высших растений максимум потребления кислорода  наблюдается в период цветения.

Сколько же используется кислорода непосредственно почвой в природных условиях? Об этом можно с некоторым допущением судить по продуцированию почвой углекислого газа.

Основная масса кислорода в почве расходуется в процессе  аэробного дыхания. В оптимальных условиях аэрации дыхательный  коэффициент (ДК) близок к единице или равен ей, то есть количество  выделившегося углекислого газа эквивалентно количеству поглощенного за это время кислорода. Следовательно, по количеству выделившегося С02 можно судить о количестве поглощенного 02. Однако ДК в  зависимости от ряда причин (биологические особенности растений, состав субстрата, температура и влажность почвы) может сильно меняться, чаще всего в большую сторону.

Огромное влияние на величину ДК оказывает содержание в почве кислорода, при недостатке которого ДК всегда больше единицы (С02 выделяется больше, чем поглощается 02). Кроме того, следует учесть, что углекислый газ, выделяющийся из почвы, не всегда полностью соответствует тому количеству С02, которое продуцируется в данный момент в почве. Таким образом, для хорошо аэрируемых почв этот метод расчета величины потребляемого кислорода можно принять с указанными выше допущениями. Для почв с затрудненным газообменом и пониженным содержанием кислорода пользоваться этим методом нельзя.

В этом случае выделение С02 неэквивалентно количеству  поглощаемого 02. При полном анаэробиозисе выделение С02 вообще происходит без поглощения свободного 02.

Нормально аэрируемые почвы, занятые растениями, летом в  среднем могут выделять от 2 до 10 л/м2 в сутки углекислого газа и  потреблять такие же объемы 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 будет происходить наибольшее поглощение кислорода 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 объемном весе 1,4 г/см3 может потреблять в сутки около 6—29 куб. см О2.

Результаты лабораторного опыта, приведенные в таблице 4, показывают, что максимальное количество кислорода используется пахотным слоем и что при низкой температуре поглощение кислорода резко снижается.

Таблица 4.Поглощение растворенного кислорода дерново-подзолистой почвой (отношение почвы к воде 1 : 5, время взаимодействия — сутки)

Углекислый газ образуется в почве главным образом за счет биологических процессов. Частично углекислый газ может поступать в почвенный воздух из грунтовых вод, а также в результате его десорбции из твердой и жидкой фаз почвы. Некоторое количество СО2 может  образоваться в результате превращения бикарбонатов в карбонаты при  испарении почвенных растворов [Са(НСОз)2-СаСОз + НО2 + СО2] и в результате воздействия кислот на карбонаты почвы, а также вследствие химического окисления органического вещества.

1.5 Газообмен почвенного воздуха с атмосферой

Процессы обмена почвенного воздуха с атмосферным называют аэрацией или газообменом. Газообмен осуществляется через систему воздухоносных пор почвы, сообщающихся между собой и с  атмосферой. К факторам, вызывающим газообмен, относятся: 1) диффузия; 2) изменение температуры почвы; 3) изменение барометрического давления; 4) изменение количества влаги в почве под влиянием осадков, орошения и испарения; 5) влияние ветра; 6) изменение уровня  грунтовых вод или верховодки.

Диффузия — это процесс перемещения газов в соответствии с их парциальным давлением. Поскольку в почвенном воздухе  концентрация кислорода всегда меньше, а углекислого газа больше, чем в атмосфере, то под влиянием диффузии создаются условия для непрерывного поступления кислорода в почву и выделения СО2 в атмосферу.

Изменение температуры и барометрического давления также обусловливает газообмен, так как при этом происходит, сжатие или расширение почвенного воздуха. По расчетам Н. П. Поясова, в период дневного нагревания темно-каштановой почвы из слоя от поверхности до глубины проникновения суточной температурной волны выталкивается около 1,4% почвенного воздуха, что говорит о малой эффективности этого фактора газообмена.

Поступление влаги в почву с осадками или при орошении вызывает сжатие почвенного воздуха, его выталкивание наружу и засасывание атмосферного воздуха. Выпадающие дожди, по  подсчетам Роммеля, могут обеспечить лишь 6—8% всего газообмена. 

Газообмен происходит и при испарении воды из почвы, когда на место испарившейся воды поступает равное по объему количество атмосферного воздуха. Но поскольку этот процесс протекает медленно, то и его значение в газообмене незначительно. Влияние ветра на газообмен обычно невелико и зависит от скорости ветра, макро- и микрорельефа, структуры почвы и характера ее обработки. Наибольший газообмен под влиянием ветра проявляется на пористых почвах, лишенных растительности.

Все рассмотренные факторы газообмена действуют в природных  условиях совместно, и в процессе газообмена проявляется их суммарный эффект. Однако главным и непрерывно действующим фактором поступления кислорода в почву и удаления углекислого газа из нее следует признать диффузию.

Скорость диффузии газов зависит от скорости теплового движения молекул газов (ʋ) и от длины их свободного пробега (ʎ).Так как скорость теплового движения молекул очень высока (для 02, N2, С02, Н2 и паров Н20 эта скорость соответственно равна 461, 493, 393, 1838 и 615 м/сек), то если бы диффузия зависела только от теплового  движения, она в атмосфере проходила бы почти мгновенно. Однако этого не наблюдается. Вследствие небольшой длины свободного пробега молекул газов (для 02, N2, CO2, Н2 и паров Н20 ʎ в среднем соответственно равна 10,2 - 10 -5; 9,5 -10-5; 6,5 - 10-5; 17,8 - 10-5 и 0,72 - 10-5 см) они  сталкиваются друг с другом, «толкутся» на одном месте и за единицу времени проходят значительно меньшее расстояние, чем то, которое свойственно скорости теплового движения.

Диффузия газов через почву всегда идет медленнее, чем в  свободной атмосфере (по данным Люндегорда, при нормальном газообмене в 2—20 раз). Об этом можно судить по отношению коэффициента  диффузии газа в почве (Д) к коэффициенту диффузии этого же газа в  атмосфере (До). Коэффициент диффузии равен объему газа в кубических сантиметрах, проходящего в 1 сек через 1 кв. см поверхности при  толщине слоя 1 см и градиенте концентрации, равном единице. При одной и той же температуре отношение Д: До всегда меньше единицы (табл. 5).

Таблица 5.Значение коэффициента диффузии С02(данные Н. П. Поясова)

На почвах, не сильно увлажненных и не очень плотных  коэффициент диффузии газа обычно больше 0,009 см2/сек, что обеспечивает нормальный газообмен. При меньшей скорости газообмен затруднен. Диффузия газов Через почву сильно зависит от градиента концентрации газов и пористости аэрации. Так, отвод С02 из почвы под влиянием диффузии значительно усиливается с увеличением градиента  концентрации и пористости почвы (табл. 6).

Диффузия газов в почве идет через поры аэрации, то есть поры, занятые воздухом. Однако пористость аэрации, вычисленная обычным способом (разность между общей пористостью и влажностью почвы в объемных процентах), включает не только поры аэрации, но и поры, занятые

Таблица 6.Отвод С02 из почвы под влиянием, диффузии (л/м2 в день) в зависимости от градиента концентрации и порозности почвы (Р=760 мм рт. ст. и t=25°) (по Б. Кину)

защемленным воздухом, через которые газообмен не происходит. Такие поры имеются во всех почвах, но суммарный их объем больше в тяжелых бесструктурных почвах. Наблюдения и расчеты показывают, что нормальный газообмен между почвенным и атмосферным воздухом осуществляется при пористости аэрации свыше 20% и сильно замедляется при 8—12%. Однако следует отметить, что состояние газообмена связано не только с суммарным количеством пор, но и с их размером, что зависит прежде всего от структуры почвы. В структурной почве даже при насыщении ее водой до капиллярной влагоемкости сохраняется достаточное количество крупных межагрегатных пор аэрации, которые обеспечивают нормальный газообмен. При увлажнении бесструктурной почвы до полной капиллярной влагоемкости все ее поры оказываются заполненными водой и газообмен прекращается.