Газообразная фаза почвы

25.06.2014

Существенным фактором жизненных процессов в почве является ее воздушная или газовая фаза. Свободное пространство между почвенными комочками пронизано воздухом, если только оно не заполнено почвенным раствором.
Воздух в почве находится в трех состояниях: а) свободный, заполняющий свободные промежутки между почвенными частицами и агрегатами; 6) растворенный в почвенном растворе; в) поглощенный или сорбированный твердой фазой почвы.
Все эти состояния воздуха имеют значение в жизни почвы. Воздух поглощается минеральными и органическими коллоидными частицами, причем наибольшее поглощение его производится органической частью и тогда, когда последняя находится в сухом состоянии. По мере увлажнения почвы поглощение воздуха уменьшается. При влажности несколько выше максимальной гигроскопической оно вовсе прекращается. Молекулы воды адсорбируются почвенными частицами сильнее, чем молекулы газов.
Различные газы адсорбируются частицами почвы с различной силой. По способности поглощаться почвой они распределяются в следующем порядке: NH3 > CO2 > O2 > N2 > H2S > CH4. Способность почв адсорбировать газы и удерживать их различна в зависимости от состава коллоидной части. Наибольшее поглощение производится перегноем, а также гидроокисью железа.
При повышении температуры способность почвы удерживать газы понижается. Наибольшее значение для биологии почвы имеет свободный воздух и воздух, растворенный в почвенной воде. Общее содержание свободного воздуха в почве зависит от ее порозности и влажности. Так как воздух и вода занимают одно и то же пространство в почве, то увеличение объема одного из этих компонентов ведет к соответствующему уменьшению другого.
Порозность почв, как отмечалось выше, величина непостоянная, она меняется от разных причин в пределах 25—50% и в редких случаях поднимается до 60%.
Почвенное пространство бывает заполнено почти целиком воздухом только в сухой почве. При поливе или в дождливое время скважины заполняются водой, вытесняя воздух.
По исследованиям А.А. Шмука верхний горизонт почвы (0—10 см) чернозема Предкавказья содержит следующие количества воздуха на 1000 см3 почвы под разными культурами:

Из этих данных видно, что количество воздуха в одной и той же почве меняется в зависимости от ее состояния и степени окультуренности, от растительного покрова и других факторов. В целине его меньше (8%), чем в окультуренной почве, под злаками меньше, чем под пропашными культурами. Наибольшее количество (32%) воздуха находится в парующей почве. Такие же примерно данные получены и при исследовании дерново-подзолистых почв (опытные поля Сельскохозяйственной академии им. Тимирязева). Содержание воздуха в них колебалось от 15 до 36%, более всего воздуха было в почве под черным паром.
Содержание воздуха в почве в течение вегетационного периода меняется мало, если ее влажность сохраняется на одном уровне. Количество воздуха уменьшается в строгом соответствии с увлажнением почвы.
Состав почвенного воздуха. Почвенный воздух никогда не бывает такого же состава, как воздух атмосферы. Он более разнообразен по качественному и объемному содержанию составляющих его газов.
Как известно, воздух атмосферы состоит из азота — 79,01 %, кислорода — 20,96% и углекислоты — 0,03%. Кроме этого, в воздухе атмосферы обнаруживаются и другие газы в незначительных количествах (неон, криптон, аргон, ксенон, гелий и др.).
Воздух почвы отличается от атмосферного более высоким количеством CO2. Содержание в нем кислорода меняется в меньших пределах, а азота — остается почти без изменения. Кроме атмосферных, в почвенном воздухе содержатся многие другие газы, образуемые в результате жизнедеятельности организмов или дыхания почвы. В нем обнаруживаются различные органические и неорганические летучие соединения: аммиак, сероводород, метан, органические кислоты, спирты, эфиры, смолы и многие другие соединения — продукты метаболизма микробов, растений и животных.
Состав почвенного воздуха изучен слабо. Наиболее важным компонентом почвенной атмосферы является углекислый газ, конечный продукт разложения органического вещества. По выделению углекислого газа судят об интенсивности биохимических процессов, совершающихся в почве.
Количество углекислоты в почве заметно меняется в зависимости от состава и типа почв, от жизнедеятельности почвенного населения, от климатических и других условий. Особенно велика зависимость образования углекислоты от микроорганизмов. Все то, что способствует развитию и жизнедеятельности микроорганизмов, увеличивает продукцию данного газа. Люндергард считает, что две трети всей углекислоты, находящейся в почвенном воздухе, образуется в результате деятельности бактерий, а одна треть — корней растений.
В почвах, богатых органическими веществами, или перегноем, как правило, CO2 больше, чем в почвах, где гумусовых веществ мало.
Виленский приводит следующие показатели образования углекислоты в разных почвах (CO2 в кг на гектар за один час):

Под пологом леса, по данным Зонна, воздух более насыщен CO2, чем в поле; осенью (16—17 сентября) выделялось CO2:

Количество углекислоты в почве резко меняется в зависимости от состава растительных остатков. По данным Стоклаза один грамм сухого вещества корней при разложении выделяет в течение 24 часов CO2 в мг:

Выделение этого газа почвой, по данным Макарова, колеблется в пределах от 400 до 600 кг на гектар в течение суток. На полях севооборота за вегетационный сезон выделяется углекислоты (в тоннах на гектар): на пару — 35, под озимой рожью — 65, под овсом — 79, под травой первого года пользования — 98.
Под разной растительностью образование и выделение углекислоты почвой сильно различается. Например, под клевером выделяется CO2 в. единицу времени — 0,558 г, под сераделлой — 0,305 г, под горчицей 0,218 г, под рисом — 0,285 г с каждого квадратного метра почвы.
Наибольшее количество углекислоты выделяется из-под бобовых трав — клевера, люцерны и др. Объясняется это активной жизнедеятельностью клубеньковых бактерий. По данным Бонда, дыхание клубеньков на корнях сои было в 3 раза выше, чем дыхание корней на единицу сухой массы. Общая масса клубеньков выделила CO2 значительно больше, чем масса корней всего растения.
В приземном слое воздуха может содержаться 10% и более CO2 вследствие поступления ее из почвы. В глубоких слоях почвы воздух более насыщен углекислым газом, чем в верхних.
Динамика выделения углекислого газа меняется в зависимости от фазы вегетации растений. Под зерновыми культурами выделение газа наибольшее в период цветения, под травами— в период бутонизации, перед укосом. Макаров связывает максимум выделения CO2 с наибольшим развитием корневой системы в данной фазе развития растений. По нашим наблюдениям, период наиболее интенсивного выделения CO2 совпадает с максимальным развитием прикорневой микрофлоры.
Отмечается большое влияние температуры на микробиологическую деятельность, а следовательно, на образование CO2. Опыты показывают, что повышение температуры с 15 до 28° увеличивает образование углекислого газа в почве в 2 раза.
Зависимость дыхания почвы от некоторых из этих факторов можно изобразить в виде кривых (рис. 52).

Картина количественных колебаний кислорода в почвах обратна той, которая описана для CO2. В верхнем слое, до 30 см глубины, количество кислорода равно 15—20%. По мере углубления содержание его резко убывает. На глубине 60—90 см весной кислорода очень мало, содержание его выражается долями процента (0,3—0,8). В летние месяцы количество его в глубоких слоях почвы повышается, достигая в июле на той же глубине 15—19%, а в августе даже на глубине 180 см 11—13%. В октябре содержание кислорода снова уменьшается. Эти колебания обусловлены температурой и влажностью.
Совершенно очевидно, что с изменением содержания кислорода все биологические процессы будут меняться не только в количественном, но и в качественном отношении. При наличии достаточного притока кислорода будут протекать преимущественно окислительные процессы, а при недостатке его — восстановительные.
Газы почвенного воздуха могут находиться в растворенном состоянии. Как уже сообщалось выше, почвенный раствор содержит всегда большее или меньшее количество воздуха и газов, находящихся в почве и атмосфере.
Растворимость газов в почвенном растворе зависит от их природы, парциального давления, от температуры и от концентрации солей в растворе. Согласно закону Генри растворимость газа в жидкости прямо пропорциональна его давлению. Если жидкость соприкасается со смесью газов, то каждый из них будет растворяться не под влиянием общего давления, а соответственно своему парциальному давлению.
Наибольшей растворимостью из почвенных газов обладают СО2. аммиак, сероводород и некоторые другие. Слабее растворяется кислород и очень слабо азот. Зависимость растворимости газов от температуры показана в табл. 10.

В почвенном растворе всегда имеется много электролитов, поэтому растворимость газов в нем ниже, чем в чистой воде. Почвенный раствор засоленных почв содержит меньше газов, чем раствор незасоленных почв. Поглощение газов в гумусированных почвах выше, чем в негумусированных.
В результате микробиологической деятельности в почве обнаруживаются аммиак, сероводород, водород, метан и другие метаболиты, аэробной и анаэробной микрофлоры, а также и такие органические летучие соединения, как уксусная и масляная кислоты, спирты, эфиры, соединения ароматического ряда и др. Специфический запах земли обусловлен летучими метаболитами микробов, преимущественно актиномицетов. Их природа не выяснена. В почвенном воздухе находятся и многие другие соединения, являющиеся источниками прямого и дополнительного питания, а также и некоторые летучие соединения, подавляющие рост и развитие отдельных микробов.
Н.Г. Холодный прямыми опытами установил наличие питательных веществ в воздухе атмосферы и почвы. Он показал, что некоторые бактерии и грибы, а также отрезанные кончики корней растения вполне удовлетворительно растут в капле среды, где единственным источником питания были испарения почвы.
Присутствие в почвенном воздухе питательных веществ было установлено и в наших опытах следующим способом. Культура неспороносной палочки — Bact. album, выделенная из почвы, не способна развиваться на синтетической среде Чапека. Ho эта же бактерия, помещенная в капле той же среды в почвенную камеру, начинает хорошо развиваться и давать многочисленные поколения. Следовательно, из почвы выделялись и поступали в каплю среды летучие вещества, которые обеспечивали нормальный рост клеток данной культуры.
Мейсель с сотрудниками показал, что отдельные компоненты витаминов — тиамина, никотиновой кислоты, парааминобензойной кислоты, находящиеся в воздухе, используются микроорганизмами. Биотические вещества поступают в атмосферный и почвенный воздух из почвы и от растений. По мнению Холодного, витамины, выделяемые в воздух растениями, используются микроорганизмами почвы и самими растениями. Наиболее богат летучими витаминами воздух лесов и лугов.
Шавловский обнаружил тиамин и никотиновую кислоту в почвенном воздухе серой лесной почвы и в оподзоленном черноземе.
В воздухе почвы могут находиться летучие соединения, токсические для отдельных видов микробов. Наши опыты показали, что клетки стафилококка — Staph. aureus, помещенные в висячей капле в почвенную камеру, приготовленную из лесной дерново-подзолистой почвы, не развиваются или развиваются слабо, тогда как в контроле или в камере с другими почвами (черноземом, огородной почвой) развитие их протекает нормально. Было отмечено угнетающее действие испарений почвы из-под. льна и отсутствие подобного действия на развитие бактерий испарений почвы из-под клевера.
В почвенном воздухе обнаруживаются и радиоактивные вещества, обычно в виде продуктов распада радия и других веществ.