Склад ґрунтового повітря
Склад ґрунтового повітря
Зміст
Сучасний склад земної атмосфери, на думку В. І. Вернадського, має биогенную природу, причому величезну роль у формуванні атмосфери грає газообмін між її приземним шаром і грунтом. Атмосферне повітря являє собою суміш газів, основну масу якої створюють три - азот, кисень, аргон- інші гази присутні в незначних кількостях.
Відео: Хімія 26. Хімічний склад повітря - Академія цікавих наук
Межі змін основних газів в грунтовому повітрі орних горизонтів в періоди активної вегетації
Таблиця 9.2.
Грунт | 02, % | С02. % |
Иловато-болотна | 11,9- 19,4 | 1,1- 8,1 |
Торф`яно-глейові Дерново-підзолистий сіра лісова | 13,5- 19,5 18,9- 20,4 19,2- 21,0 | 0,8- 4,5 0,2- 1,0 0,2- 0,6 |
чорнозем звичайний чорнозем південний Каштанова | 19,5- 20,8 19,5- 20,9 19,8- 20,9 | 0,3- 0,8 0,05- 0,6 0,05- 0,5 Відео: Склад повітря |
серози | 20,1- 21,0 | 0,05- 0,3 |
Потрапляючи в грунт, атмосферне повітря зазнає значних змін. Наприклад, парціальний тиск діоксиду вуглецю (С02) Збільшується в десятки, сотні і більше разів і стає більш динамічним, ніж в атмосферному повітрі (табл. 9.2). Особливо динамічні кисень і вуглекислий газ.
Зміна складу грунтового повітря відбувається в основному внаслідок процесів життєдіяльності мікроорганізмів, дихання, окислення органічної речовини грунтів. Трансформація атмосферного повітря тим інтенсивніше, чим вище її енергетичний потенціал, біологічна активність, а також чим більш важко видалення газів за межі грунтового профілю. Залежність інтенсивності поглинання кисню грунтом з атмосфери - функція багатьох чинників: концентрації кисню в ґрунтовому повітрі-температури і вологості почви- вмісту в грунті корней- дихання грунтових тварин-активності ґрунтових мікроорганізмів вмісту органічної речовини в грунті.
Макрогази грунтового повітря. До них відносяться азот, кисень, діоксид вуглецю.
Азот. Методи його визначення складні і точність їх низька. Судячи з визначеним концентрацій Про2 і С02, вміст азоту в ґрунтовому повітрі не набагато відрізняється від атмосферного: і в грунті азот є значно переважаючим газом. Дослідження динаміки вмісту молекулярного азоту важливі при вивченні процесів азотфіксації, нітрифікації і денітрифікації. Тому особливий інтерес представляє динаміка супутніх йому мікрогазов - N20, NПро2. Діоксид азоту (N20), будучи проміжним продуктом денітрифікації, ефемерний. Найбільш важливим є вивчення змісту в грунтовому повітрі і еманацій з поверхні ґрунтів оксиду азоту (NПро2), Утворення якого пов`язують з процесами денітрифікації. Цей інтерес пов`язаний з тим, що в науковій літературі існує думка про фотохімічному вплив оксиду азоту на озоновий пояс Землі.
Кисень. Величезна роль кисню в біосфері в цілому і в грунтовому повітрі зокрема загальновідома. Достатній вміст кисню забезпечує необхідний рівень мікробіологічної діяльності, дихання коренів рослин і ґрунтових тварин, при цьому в грунті переважають аеробні процеси окислення. Дефіцит кисню пригнічує розвиток кореневих волосків, викликає масову загибель сходів рослин, провокує розвиток хвороботворних мікроорганізмів, що викликають кореневу гниль. Повний анаеробний процес, починається при зниженні вмісту кисню до 2,5%, проте тривале збереження концентрації 02 порядку 10- 15% вже пригнічує воздухолюбівие культури. Вміст кисню в ґрунтовому повітрі контролює окислювально-відновний режим ґрунтів. Концентрації кисню в ґрунтовому повітрі різних грунтів в різні сезони коливаються в широких межах від десятих часток відсотка до 21,0%.
Діоксид вуглецю (С02)
Існує думка, що діоксид вуглецю атмосфери на 90% має ґрунтове походження. Процеси дихання і розкладання, безперервно протікають в грунтах, постійно поповнюють атмосферні запаси С02. Біологічне значення цього газу багатогранно. З одного боку, він забезпечує асиміляційні процес рослин (штучне підвищення концентрації СО2 в атмосфері теплиць викликає збільшення швидкості фотосинтезу і дає 50 100% -вий приріст врожаю). У той же час надлишок СО2 в складі грунтового повітря (понад 3%) пригнічує розвиток рослин, уповільнює проростання насіння, скорочує інтенсивність надходження води в рослинні клітини. Таким чином, оптимальні рівні концентрацій СО2 в складі грунтового повітря коливаються в межах 0,3- 3,0%. Однак конкретні сільськогосподарські культури мають, мабуть, свої критичні величини, їх встановлення для різних сільськогосподарських культур з метою створення оптимальних умов аерації ґрунтів - важлива наукова проблема.Велика грунтово-хімічна і геохімічна роль діоксиду вуглецю. Вода, насичена СО2, розчиняє багато важкорозчинні сполуки - доломіт СаСОз * MgCO3, кальцит СаСОз, магнезит MgCO3, сидерит FеСОз. Це викликає міграцію карбонатів в грунтовому профілі і в сполучених геохімічних ландшафтах. Винесення (вилуговування) карбонатів під дією збільшується концентрації СО2 в грунтовому повітрі і в грунтовому розчині називається процесом декарбонізації, який обумовлений зсувом вліво рівноваги
Са (НСОЗ)2= СаСОз + Н2Про + СО2
Цей процес в даний час набув широкого поширення в ґрунтах активного зрошення.
концентрація СО2 в грунтовому повітрі коливається зазвичай від 0,05 до 10- 12%. Однак в літературних джерелах є відомості про накопичення діоксиду вуглецю в грунтовому повітрі до 15- 20% і більше. У дерново-підзолистих грунтах зазвичай 0,5-2,5% СО2.
У процесах, що характеризуються нормальним кисневим диханням (Дк), відбувається еквівалентний обмін Про2 на СО2:
Дк = ССО2/ З2= 1.
Однак існує цілий ряд процесів, що викликають відхилення в ту або іншу сторону від нормального обміну. Так, при розкладанні жирів і білків коефіцієнт дихання істотно нижче (0,7 0,8). розчинення СО2 і зв`язування його в гідрокарбонати можуть знизити Дк в деяких умовах до 0,2 0,3. Розкладання речовин, багатих киснем, викликає підвищення Дкgt; 1. Виникнення вогнищевих анаеробних зон, в яких продукування СО2gt; 2 може відбуватися без поглинання 02- дегазація ґрунтових розчинів і грунтових вод, розкладання гідрокарбонатів також викликають збільшення коефіцієнта. Всі ці процеси в ту чи іншу сторону зміщують коефіцієнт дихання, і в грунтах він рідко дорівнює 1, хоча і близький до неї.
Існує високоінформативний показник біологічної активності грунтів, так зване «дихання грунтів», яке характеризується швидкістю виділення С02 за одиницю часу з одиниці поверхні. Інтенсивність «дихання грунтів» коливається від 0,01 до 1,5 г / м2* Ч) і залежить не тільки від ґрунтових і погодних умов, але і від фізіологічних особливостей рослинних і мікробіологічних асоціацій, фенофаз, густоти рослинного покриву. «Грунтове дихання» характеризує біологічну активність екосистеми в кожен конкретний період часу, і різкі відхилення від стандартних параметрів дихання можуть дати екологічну оцінку процесам, що викликають ці відхилення.
Мікрогази. У науковій літературі існують нечисленні відомості про вміст у грунтовому повітрі таких компонентів, як N2О, N02, СО2, граничні і ненасичені вуглеводні (етилен, ацетилен, метан), водень, сірководень, аміак, меркаптани, терпени, фосфін, спирти, ефіри, пари органічних і неорганічних кислот. Походження мікрогазов пов`язують з безпосереднім метаболізмом мікроорганізмів, з реакціями розкладання і новоутворення органічних речовин в грунті, з трансформацією в ній добрив і гербіцидів, з надходженням їх в грунт з продуктами техногенного забруднення атмосфери. Концентрації мікрогазов і летючих компонентів часто не перевищують 1 * 10-9 - 1 * 10-12%. Однак цього може бути цілком достатньо для інгібуючої дії на грунтові мікроорганізми і для зниження біологічної активності грунтів.
Склад ґрунтового повітря має вертикальну стратифікацію, яка визначається продукуванням і кінетикою газів в межах грунтового профілю. У поверхневих горизонтах, внаслідок активного газообміну з атмосферою, відмінності компонентного складу грунтового повітря від атмосферного виражені менш помітно, ніж в нижчих. Для більшості грунтів характерне зростання концентрації С02 в грунтовому повітрі з глибиною. Ізолінії концентрації 02 мають зворотний тип розподілу (рис.). При утрудненому газообмене з поверхні в біогенних горизонтах грунтів можуть спостерігатися надлишкові концентрації С02 (Рис. 30). В останньому випадку дифузія газів відбувається по обидва боки від зони максимального продукування і грунтова товща активно насичується С02.
Газообмін і концентрації газів в грунтовому повітрі істотно залежать від режиму вологості і потужності зони аерації (товщі грунту і грунту, розташованої вище рівня ґрунтових вод). концентрації С02 і 02 досягають екстремальних значень в зоні капілярної облямівки грунтових вод: максимальна С02 і мінімальна 02. При виході капілярної облямівки на поверхню корнеобитаемой біологічна активна зона насичується водою. При цьому відзначаються гострий дефіцит повітря в грунті, високі концентрації С02, низькі 02. Грунтові води, розташовані нижче 2,5 м, не роблять помітного впливу на склад грунтового повітря.
Динаміка грунтового повітря
Динаміка грунтового повітря визначається сукупністю всіх явищ надходження, пересування і трансформації газів в межах грунтового профілю, а також взаємодією газової фази з твердої, рідкої і живий фазами грунту. Так як газова фаза грунту досить лабильна, динаміка ґрунтового повітря має добовий і сезонний (річний) хід. Крім того, грунтовий повітря різко відгукується на додаткове надходження вологи в грунт. Тому в зрошуваних грунтах спостерігається специфічна динаміка змісту і складу грунтового повітря в зв`язку з режимом зрошення.
Добова динаміка визначається добовим ходом атмосферного тиску, температур, освітленості, змінами швидкості фотосинтезу. Ці параметри контролюють інтенсивність дифузії (Д), дихання коренів (Rs), Мікробіологічної активності (Ms), Інтенсивність сорбції та десорбції, розчинення і дегазації.
Добові коливання складу грунтового повітря зачіпають, як правило, лише верхню півметрову товщу грунту. Амплітуда цих змін для кисню і діоксиду вуглецю не перевищує 0,1 0,3%. Найбільш істотно протягом доби змінюється інтенсивність ґрунтового дихання.
Сезонна (річна) динаміка визначається річним ходом атмосферного тиску, температур та опадів і тісно пов`язаними з ними вегетаційними ритмами розвитку рослинності та мікробіологічної діяльності. Річний повітряний режим включає в себе динаміку воздухозапасов, повітропроникності, складу грунтового повітря, розчинення і сорбції газів, грунтового дихання.
Динаміка воздухозапасов (воздухосодержанія) тісно пов`язана зворотної кореляційної зв`язком з динамікою вологості ґрунтів, і можна вважати, що вона є функцією розподілу опадів. Динаміка повітропроникності визначається також змінами стану поверхні ґрунтів від оранки до збирання і наступної оранки.
Відео: ТЗН. склад повітря
Сезонна динаміка складу грунтового повітря відображає біологічні ритми. Концентрація діоксиду вуглецю має у верхній товщі чітко виражений максимум в період найвищої біологічної активності (рис. 32). У цей час відбувається насичення грунтової товщі вуглекислотою. У міру загасання біологічної діяльності відбувається відтік С02 за межі грунтового профілю. Концентрації кисню мають зворотну залежність.
Поливи, різко змінюючи термодинамічні умови грунту, викликають суттєві зміни воздухосодержанія і складу повітря, а також інтенсивності дихання грунтів. Характер і амплітуда змін тісно пов`язані з нормою поливів.
Поливи дощуванням нормою до 250-300 м3 / га викликають слабкі зміни в складі грунтового повітря. Через 2 3 сут система відбувається в стан динамічної рівноваги, яка властива даному типу грунтів і рослинності в даному сезоні року. Поливи дощуванням нормою 500- 600 мз/ Га (найбільш поширена норма вегетаційних поливів в чорноземної зоні) викликають більш суттєві зрушення в складі грунтового повітря (рис. 34). При надлишкових поливах концентрація СО2 досягає більше 2,0%, що несприятливо для розвитку воздухолюбівих культур (овочі, плодові). При цьому знижується в 5 10 разів швидкість виділення С02 поверхнею ґрунту, т. е. асиміляційні апарат рослин працює в дефіциті діоксиду вуглецю. При поливі 1000 м 3 / га на грунтах важкого гранулометричного складу різко, до 10% падає вміст кисню, а вуглекислого газу - зростає до 5-7% - утворюються зони анаеробіозіса. В цілому це знижує інтенсивність транспірації при збільшенні випаровування, тобто поливи повинні бути оптимальні з точки зору складу грунтового повітря.
