что делает воздух для почвы
Что делает воздух для почвы
Глава 8. ПОЧВЕННЫЙ ВОЗДУХ
Воздушная фаза почвы – важная и наиболее динамичная составная часть почвы, находящаяся в тесной взаимосвязи с остальными фазами. Почвенным воздухом называется смесь газов и летучих органических соединений, заполняющих почвенные поры, поэтому почвенный воздух является конкурентом почвенного раствора. Количество и состав почвенного воздуха оказывают большое влияние на развитие и жизнедеятельность растений и микроорганизмов, растворимость химических соединений и их миграцию в профиле, на интенсивность почвенных процессов.
§1. Состав почвенного воздуха
Количество воздуха в почве и его состав зависят от ее воздухоемкости и воздухопроницаемости, а также от пористости и влажности, так как почвенный воздух занимает все поры, в которых нет воды. При одной и той же влажности в структурных почвах, обладающих некапиллярной пористостью, воздуха больше, чем в бесструктурных. Дополнительное насыщение почвы водой влечет за собой вытеснение из нее воздуха. Воздушный режим наиболее благоприятен в структурных и рыхлых почвах.
Главными источниками газовой фазы являются атмосферный воздух и газы, образующиеся в самой почве. Химический состав почвенного воздуха тесно связан с атмосферным, так как идет постоянный газообмен, но количественный показатель составляющих газов отличается, что обусловлено и физическими свойствами самой почвы. Чем более пористая почва, тем ближе составы почвенного и атмосферного воздуха. В результате дыхания микроорганизмов и корней растений почвенный воздух обычно намного богаче углекислым газом и беднее кислородом (табл. 12).
Если состав атмосферного воздуха в целом постоянный, то содержание кислорода и углекислого газа в почвенном воздухе может сильно колебаться.
Состав атмосферного и почвенного воздуха
В пахотных хорошо аэрируемых почвах с благоприятными физическими свойствами содержание и СО2 в течение вегетации растений не превышает 1 – 2 %, а содержание О2 не бывает ниже 18 %. При переувлажнении в тяжелых пахотных почвах содержание СО2 может достигать 4 – 6 % и более, а О2 падать до 17 – 15 % и ниже. В заболоченных почвах наблюдаются еще более высокие концентрации СО2 и низкие О2. Оптимальное содержание О2 и СО2 в почвенном воздухе соответственно 20 % и 1 %. При такой обеспеченности кислородом в почве развиваются аэробные процессы и создаются благоприятные условия для произрастания растений. Для пропашных культур (овощные и др.) желательно минимальное содержание О2 не ниже 17 %, зерновых – не ниже 14 % (овес хорошо растет и при 10 % О2). Основными потребителями кислорода в почве являются корни растений, аэробные микроорганизмы и почвенная фауна и лишь незначительная часть его расходуется на химические процессы. Недостаток кислорода ослабляет дыхание, обмен веществ, а при отсутствии в почве свободного кислорода прекращается развитие растений. Влияние недостатка кислорода в почве связано с увеличением концентрации СО2,понижением окислительно-восстановительного потенциала, развитием анаэробных (восстановительных) процессов, образованием токсичных для растений соединений (СН4, Н2S, С2Н4), снижением доступных питательных веществ, ухудшением физических свойств почвы. Все это в конечном итоге снижает плодородие почвы и урожай растений. Таким образом, СО2 и О2 являются антагонистами в почве.
Второй важный компонент почвенного воздуха – углекислый газ, который обнаруживается в почве главным образом благодаря биологическим процессам. Частично он может поступать из грунтовых вод, а также в результате его десорбции из твердой и жидкой фаз почвы. Некоторое количество СО2 может возникать при превращении бикарбонатов в карбонаты во время испарения почвенных растворов и в процессе воздействия кислот на карбонаты почвы, а также химического окисления органического вещества. Высокое содержание его в почве (> 3 %) отрицательно действует на семена, угнетает развитие растений и снижает урожай. Однако СО2 необходим для фотосинтеза (установлено, что 38 – 72 % СО2 доставляется растению из почвенного воздуха). Есть мнение, что 90 % СО2 атмосферного воздуха имеет почвенное происхождение.
В почвенном воздухе, кроме макрогазов (N2, СО2, О2), часто встречаются Н2, Н2S, СН4, NH3, предельные и непредельные углеводороды, эфиры, фосфористый водород, образующиеся в результате анаэробного разложения органического вещества и их новообразования, трансформацией в почве удобрений, гербицидов, продуктов техногенного загрязнения. Их концентрации очень малы, но этого может быть достаточно для снижения биологической активности почв.
§2. Газообмен почвенного воздуха, воздушные свойства и воздушный режим почвы. Регулирование воздушного режима почв
Между почвенным и атмосферным воздухом происходит постоянный газообмен (аэрация). Если бы его не было, то состав почвенного воздуха мог бы настолько ухудшиться, что стал бы совершенно непригодным для развития растений. Поэтому чем быстрее и полнее обменивается почвенный воздух с атмосферным, тем благоприятнее создаются в почве условия для жизни культурных растений, а также для биохимических почвенных процессов. Газообмен имеет огромное значение и для развития надземных частей растений, так как органическую массу они строят благодаря ассимиляции углекислого газа воздуха. Содержание же его в воздухе иногда бывает недостаточным для интенсивного развития растений, поэтому чем лучше развит газообмен в почве, чем больше насыщается приземный слой воздуха СО2, тем благоприятнее условия для роста растений.
Газообмен почвенного воздуха с атмосферным происходит через систему воздухоносных (некапиллярных) пор под действием диффузии, изменения температуры почвы, атмосферного давления, уровня грунтовых вод, изменения количества влаги в почве (зависящее от атмосферных осадков, орошения и испарения), ветра. Глубина газообмена около 50 см.
Главная роль в газообмене принадлежит механизму диффузии – перемещению газов в соответствии с их парциальным давлением. Поскольку в почвенном воздухе О2 меньше, а СО2 больше, чем в атмосфере, то под влиянием диффузии создаются условия для непрерывного поступления О2 в почву и выделения СО2 в атмосферу.
Изменение температуры, барометрического давления и ветра вызывают объемные изменения воздуха (сжатие или расширение), а следовательно, и общий ток его из почвы или в почву. Изменение количества влаги в почве и уровня грунтовых вод способствует газообмену, так как влага осадков вытесняет почвенный воздух, а испарение воды из почвы вызывает поступление атмосферного воздуха на ее место.
Состояние газообмена определяется воздушными свойствами почв. К воздушным свойствам почв относятся воздухопроницаемость и воздухоемкость.
Воздухопроницаемость – способность почвы пропускать через себя воздух. Она измеряется количеством воздуха в мл, прошедшим под определенным давлением в единицу времени через площадь сечения почвы 1 см 2 при толщине слоя 1 см. Чем полнее выражена воздухопроницаемость, тем лучше газообмен, тем больше в почвенном воздухе О2и меньше СО2.
Воздухопроницаемость зависит от механического состава почвы, ее плотности, структуры и некапиллярной порозности. Воздух в почве передвигается по порам, не заполненным водой и не изолированным друг от друга, чем они крупнее, тем лучше воздухопроницаемость. В структурных почвах, где наряду с капиллярными порами имеется достаточное количество крупных некапиллярных пор, создаются наиболее благоприятные условия для воздухопроницаемости, при одной лишь капиллярной пористости, свойственной бесструктурным почвам, диффузия воздуха тормозится. Снижает газообмен также образующаяся на поверхности почв корка.
Воздухоемкость – это способность почвы содержать в себе определенное количество воздуха, выражается в объемных процентах. Зависит от влажности и пористости почвы: чем выше пористость и меньше влажность, тем больше воздуха содержится в почве.
Максимальная воздухоемкость характерна для сухих почв и равна общей пористости. Однако в природных условиях почвы всегда содержат то или иное количество воды, поэтому величина воздухоемкости очень динамична.
В воздушно-сухом состоянии воздухоемкость (РВ) почвы представляет разность между общей пористостью и объемом гигроскопической воды:
где Робщ – общая порозность почвы (%), РГ – объем гигроскопической влаги (%).
В естественных условия количество пор, занятых воздухом (пористость аэрации, РАЭР), определяют по формуле:
где РW – объем пор, занятых водой (%), определяется по формуле:
Нормальная аэрация почв обеспечивается, если величина воздухоемкости превышает 15 % объема почвы. Оптимальные условия для газообмена создаются при содержании воздуха в минеральных почвах 20 – 25 %, а в торфяных – 30 – 40 %.
Воздушным режимом почв называют совокупность всех явлений поступления воздуха в почву, передвижения его в профиле почвы, изменения состава и физического состояния при взаимодействии с твердой, жидкой и живой фазами почвы, а также газообмен почвенного воздуха с атмосферным.
Воздушный режим почв подвержен суточной, сезонной, годовой изменчивости и находится в прямой зависимости от свойств почв (физических, химических, физико-химических, биологических), погодных условий, характера растительности, возделываемой культуры, агротехники.
Важным показателем воздушного режима почв является динамика СО2 и О2 в почвенном воздухе. Пахотные почвы основных типов почв поглощают при 20 °С от 0,5 до 5 мл и более О2 на 1 кг сухой почвы за 1 ч. Основные потребители кислорода и продуценты углекислого газа в почве – корни растений, микроорганизмы и почвенные животные. Потребление кислорода высшими и низшими растениями зависит от их биологических особенностей и возраста, а также от температуры и влажности среды и др. При увеличении температуры с 5 до 30 °С интенсивность поглощения О2 и выделения СО2 возрастает в 10 раз.
Выделение СО2 из почвы в приземный слой атмосферы принято называть «дыханием» почвы. Интенсивность дыхания почвы зависит от ее свойств, гидротермических условий, характера растительности, агротехнических мероприятий и является важной характеристикой газообмена и активности биологических процессов в почве. Выделение СО2 почвой усиливается при ее окультуривании в связи с активизацией биологических процессов и улучшением условий аэрации. Торфяно-глеевые почвы тундры выделяют СО2 в количестве 0,3 т/га в год, подзолистые почвы хвойных лесов – от 3,5 до 30, бурые и серые лесные почвы – от 20 до 60, степные черноземы – 40 – 70 т/га в год.
Динамика этих газов в почве сильно подвержена сезонным колебаниям, так как смена времен года сопровождается резким изменением температуры и влажности. Летом потребление кислорода и выделение углекислого газа в несколько раз больше, чем ранней весной и поздней осенью.
Наиболее благоприятно воздушный режим складывается в структурных почвах, обладающих рыхлым сложением, способных быстро проводить и перераспределять поступающие в них воду и воздух. В улучшении воздушного режима нуждаются многие почвы, особенно с постоянным или временным избыточным увлажнением.
Регулирование воздушного режима почв достигается агротехническими и мелиоративными приемами. Применяются такие мероприятия по обеспечению нормального газообмена, как разрушение почвенной корки и поддержание поверхности почвы в рыхлом состоянии путем глубокой вспашки, боронования, культивации, рыхления междурядий в период вегетации. Воздушный режим в заболоченных и периодически переувлажненных почвах регулируют осушением.
Воздушный режим почвы и развитие микроорганизмов
A.M. Елисеев, кандидат сельскохозяйственных наук
ЗНАЧЕНИЕ ВОЗДУХА в почве огромно. Воздух является не только важным фактором выветривания минеральной части почвы, но и необходимым условием развития в ней биологических процессов.
Кислород воздуха необходим, прежде всего, для дыхания корней растений, поэтому нормальное развитие растений возможно только в условиях достаточного доступа воздуха в почву. При недостаточном же его проникновении растения угнетаются, замедляют рост, а иногда и погибают.
Существенное значение имеет почвенный воздух также для аэробных микроорганизмов, интенсивная жизнедеятельность которых протекает только при наличии в почве кислорода. При отсутствии доступа воздуха деятельность аэробных бактерий прекращается, а следовательно, прекращается и образование в почве необходимых для растений питательных веществ. Кроме того, в анаэробных условиях неизбежно возникают восстановительные процессы, в результате которых в почве могут накапливаться различного рода вредные для растений закисные соединения.
Почвенный воздух отличается от атмосферного прежде всего меньшим содержанием кислорода и большей концентрацией углекислого газа. Так, по данным сельскохозяйственной академии им. К. А. Тимирязева, содержание кислорода в почвенном воздухе колеблется от 17 до 20,7 %.
Наличие воздуха является необходимым условием жизни всех живых организмов. Все организмы, заселяющие почву, дышат. Для растений кислород необходим начиная с прорастания семян и до конца периода вегетации. При недостатке кислорода в почве, например при заболачивании, растения резко снижают урожай, а иногда и гибнут.
При недостатке кислорода в почве растения и микроорганизмы берут его от растворенных в воде окисленных соединений.
Злаковые культуры легче переносят недостаток кислорода. Так, для кукурузы, выросшей на бедной кислородом почве, установлено более сильное развитие в стеблях воздухоносных полостей и, следовательно, возможность передвижения кислорода из листьев в корни.
Для риса также доказано поступление кислорода в корни через листья и стебли.
Горчица, лен и некоторые другие культуры не растут на почве с низким поступлением атмосферного воздуха.
Причиной снижения урожая часто бывает не только недостаток кислорода в прикорневой зоне растений, но и развитие в почве восстановительных процессов, идущих с образованием вредных закисных соединений металлов, угнетающих развитие корней и микроорганизмов.
На последний факт необходимо обратить особое внимание, так как грунтовые воды Харьковской области содержат количества металлов, значительно превышающие ПДК.
Кислород почвенного воздуха имеет большое значение для жизни полезных микроорганизмов в почве. Процесс нитрификации активно протекает только при свободном доступе кислорода, поэтому после рыхления почвы он всегда усиливается. В первые дни после рыхления почвы количество нитратов в ней иногда увеличивается в 5-10 раз по сравнению с их количеством до обработки.
Клубеньковые бактерии, живущие на корнях бобовых растений, активно используют молекулярный азот только при свободном доступе кислорода. Фиксация азота идет параллельно с использованием бактериями свободного кислорода воздуха при окислении различных источников углерода (глюкозы, мальтозы, декстрина и др.).
Фиксация атмосферного азота азотобактером, живущим в ризосфере, но вне корней растений, находится в прямой связи с его дыханием. Имеется определенная зависимость между запасом химической энергии в используемом азотобактером органическом веществе и количеством фиксируемого им азота: на 1 калорию фиксируется 2 мг атмосферного азота.
Для поддержания содержания гумуса и подвижных питательных веществ в почве большое значение имеет сосуществование аэробных и анаэробных форм бактерий. При благоприятных для аэробных микробов условиях, когда в почве имеется достаточное количество воды и воздуха, часть перегноя быстро разлагается вплоть до образования углекислоты, воды, аммиака, азотной кислоты. Почва постепенно обедняется перегноем, и ее плодородие снижается.
Сочетание противоположных процессов обеспечивает почвенное питание растений за счет минерализации некоторой части перегноя аэробными микробами и одновременного пополнения запасов свежего перегноя (гумуса), образуемого анаэробами.
Улучшать микробиологическую деятельность с целью правильного сочетания аэробного и анаэробного процессов можно также путем улучшения состояния пахотного слоя, повышения его воздухопроницаемости и газообмена.
Хорошая воздухопроницаемость в большинстве случаев является следствием хорошо развитой корневой системы растений, которая пронизывает весь корнеобитаемый слой почвы и после отмирания образует большое количество пор (проходов, пустот), которые в сочетании с органикой способствуют размножению почвенных червей и образованию червоточин.
Основная масса корней (до 70-90 % и более по весу) сосредоточена в пахотном (до 25 см) слое почвы. В пропашных культурах, например в кукурузе, на черноземных почвах до 33-45 % (по весу) корней находятся за пределами пахотного слоя.
Обилие микроорганизмов в пахотном слое интенсивно воздействует на органическую и минеральную части почвы, увеличивая количество доступных растениям питательных веществ. Сквозь толщу мощного пахотного слоя атмосферная влага хорошо проникает в нижнюю часть корнеобитаемого слоя, где она сохраняется лучше, чем в поверхностных горизонтах почвы.
Сложение (плотность) почвы существенно влияет на водно-воздушный и питательный режимы почвы, рост и развитие корневой системы, а следовательно, и всего растения.
При уплотнении почвы, т.е. уменьшении воздушных пор, уменьшается урожай сельскохозяйственных культур. По мере уплотнения пахотного слоя увеличивается доля недоступной воды в общем запасе ее в почве. Однако на рыхлых почвах небольшое уплотнение верхней части пахотного слоя (прикатывание после посева) увеличивает его теплопроводность, температура данного слоя повышается на 3-5°С. Кроме того, прикатывание увеличивает контакт семени с почвой, что ускоряет прорастание семян.
Кроме воздуха в свободном состоянии, в почве имеется воздух, поглощенный поверхностью коллоидных частиц при влажности почвы ниже максимальной гигроскопичности. Этот воздух обладает меньшей подвижностью по сравнению со свободным. По имеющимся данным, поглощенный воздух в сухом кварцевом песке составляет 0,75 %, в дерново-подзолистых почвах 2,26-8,88 %, в черноземах 8,28-14,6 %.
Часть газов растворена в почвенной влаге. В зависимости от непрерывно меняющегося давления они из почвенного раствора переходят в воздух или снова растворяются. Наиболее активны в этом отношении кислород и углекислый газ. Кислород поступает в почву вместе с атмосферным воздухом и в небольшом количестве с атмосферными осадками. Свободный кислород в почвенном растворе служит окислителем и поэтому играет большую роль в окислительно-восстановительных реакциях и создании урожая. Растворенная в почвенной воде углекислота способствует переходу труднорастворимых солей в более доступные растениям соединения.
Высшие растения по-разному относятся к углекислоте, содержащейся в атмосферном и почвенном воздухе. При концентрации углекислоты в почвенном воздухе более 1 % некоторые культурные растения проявляют признаки отравления. Повышение концентрации углекислоты в атмосферном воздухе до 1 % и более ведет к увеличению урожая.
Недостаток углекислоты в воздухе возмещается углекислотой, выделяемой из почвы и при дыхании микроорганизмов. Средняя по плодородию почва выделяет в один час с гектара около 5 кг углекислоты, а гектар посевов овса потребляет в час 10-15 кг углекислого газа.
Растение, особенно травянистое, потребляет двуокись углерода прежде всего из надпочвенного слоя воздуха, понижая ее концентрацию в дневные часы. Недостаток углекислого газа в воздухе восполняется в результате выделения его из почвы в ночное время, когда потребление углекислоты прекращается.
В почве углекислота накапливается главным образом в результате деятельности микроорганизмов и корней растений. Наибольшее количество углекислоты приходится на верхние слои почвы, где много корней и микроорганизмов. На глубине 20-30 см количество бактерий в 1 г почвы в 3-10 раз меньше, чем в верхнем ее слое.
Под воздушным режимом почвы понимается ход изменений количества и состава воздуха в ней за определенный промежуток времени.
Количество воздуха в почве зависит от общей ее скважности и степени заполнения скважин водой. В почве наиболее тонкие капиллярные поры бывают частично или полностью заполнены водой, а некапиллярные промежутки не могут удерживать воду, и она под действием силы тяжести стекает вниз. Воздухоемкость почвы характеризуется главным образом объемом некапиллярных пор, выраженным в процентах от всего объема почвы.
Воздухопроницаемость, т.е. способность почвы пропускать через себя воздух, зависит от строения почвы, ее скважности и пр. Как правило, более оструктуренные почвы имеют большую воздухопроницаемость.
Состав почвенного воздуха меняется под влиянием двух основных причин:
В почвах со значительной пористостью, обладающих хорошей воздухопроницаемостью, наблюдается интенсивный обмен газов, зависящий от многих факторов.
Колебания атмосферного давления вызывают перемещение газов, входящих в почву при повышении давления, и обратный их ток при уменьшении давления. Вместе с тем почва обогащается кислородом за счет атмосферного воздуха и освобождается от избытка углекислоты. При нагревании почвы днем газы в ней расширяются и часть их выделяется в приземный слой атмосферы.
Охлаждаемый ночью почвенный воздух сжимается, открывая доступ атмосферному кислороду. При увлажнении почвы часть воздуха вытесняется из почвы в атмосферу, а при высыхании освобождающиеся от воды поры вновь заполняются воздухом. Движение воздуха в приземном слое происходит турбулентно (т.е. с завихрениями), создавая локально как зоны разрежения воздуха, так и зоны повышенного давления. Таким образом, происходит «откачка-закачка» воздуха в почву.
Мероприятия по улучшению воздушного режима почвы имеют следующие задачи:
Увеличение количества воздуха в почве достигается повышением ее пористости. В хорошо обработанной мелкокомковатой почве воздухом заполнены все некапиллярные скважины. Уплотнение почвы и образование на ее поверхности корки резко снижает аэрацию и газообмен.
Воздушный режим почвы улучшается также в результате возделывания высокоурожайных культур, образующих мощную корневую систему, после отмирания которой скважность почвы значительно увеличивается, обогащения почвы органическим веществом, известкования кислых и гипсования солонцеватых почв, применения периодических глубоких полосных рыхлений (щелеваний), обработки почвы в состоянии ее физической спелости, дренирование переувлажненных почв.
Сельское хозяйство | UniversityAgro.ru
Агрономия, земледелие, сельское хозяйство
Популярные статьи
Приложения для Android
Воздушный режим почв
Воздушный режим почв — совокупность процессов взаимодействия растений с газами, содержащимися в почве.
Воздух, содержащийся в почве, его состав и газообмен с приземным слоем атмосферы относятся к земным факторам жизни растений.
Навигация
Значение воздуха в жизни растений
В процессе жизнедеятельности, растения, в противоположность процессу фотосинтеза, дышат, потребляя кислород и выделяя углекислый газ. Благодаря дыханию в растениях происходят окислительные реакции, в которых высвобождается энергия для роста и развития.
В.И. Вернадский отмечал, почва, взятая без газов, не есть почва. Говоря о значении биохимических процессов, о значении почвы в области биосферы, указываем тем самым на главенствующую роль газов в почвенных процессах.
Кислород воздуха необходим для прорастания семян. Семена, помещенные на дно сосуда и покрытые слоем воды, набухают, но не дают проростков. При контакте семян с воздухом, они дружно прорастают.
Надземная часть растений обеспечивается кислородом лучше, чем подземная. Однако иногда в практике земледелия бывает, что растения погибают от его недостатка в приземном слое воздуха. Например, в посевах озимых культур, при выпадении большого количества снега на не замерзшую почву, растения продолжают вегетировать, быстро расходую запасы кислорода под снегом. Так как новые порции кислорода не поступают, это приводит к задыханию озимых, в результате чего происходит выпревание озимых хлебов. Аналогичная ситуация складывается при образовании ледяной корки в посевах озимых.
Корневая система также нуждается в кислороде. Отношение культурных растений к недостатку почвенного воздуха различно. Наиболее требовательны в этом отношении — бобовые, масличные, корне- и клубнеплоды; менее чувствительны — зерновые, за счет частичного снабжения корней кислородом по воздухоносным полостям стеблей. Особенно сильно полости развиты у кукурузы и риса.
Кислород воздуха играет важную роль для почвенных микроорганизмов, разлагающих растительные остатки в почве. Азотфиксирующим бактериям, для нормально жизнедеятельности также нужен азот.