Воздушный режим почвы
Среди условий плодородия почвы воздуха имеет большое значение. Грунт содержит воздуха, проникающего из атмосферы, а также газы, образующиеся в почве в результате биохимических процессов, которые происходят в нем. Воздух занимает в почве все промежутки, не занятые водой. Кроме того, некоторое количество его растворена в почвенной влаге и поглощена коллоидами почвы.
Почвенный воздух заметно отличается от атмосферного. В последнем содержится (в процентах к объему): азота - 78,08, кислорода - 20,95, углекислого газа - 0,03. В нем также, но меньше, содержатся и другие газы: аргон, гелий, водород, озон, радон.
В состав воздуха входит водяной пар, количество которой мало меняется (от 0 до 4%). Вблизи некоторых промышленных предприятий в воздухе могут быть вредные примеси: сернистый газ, хор, сероводород и др.
Важнейшей составной частью воздуха для жизни растений и микроорганизмов являются кислород и углекислый газ. Биологические процессы в почве связанные с поглощением кислорода и выделение углекислоты. Поэтому грунтовое воздуха от атмосферного отличается меньшим содержанием кислорода и большей концентрацией углекислого газа. Содержание кислорода в почвенном воздухе может составлять 11-20%.
Углекислоты в воздухе пахотного слоя содержится от 0,1 до 1%, но чаще 0,8%. С внесением свежих органических удобрений содержание углекислоты может повышаться до 2, а иногда даже до 7-8%. В отдельных случаях при анаэробном разложении органики и недостаточном газообмене в почвенном воздухе обнаруживают сероводород и метан.
Потребность в молекулярном кислороде сельскохозяйственных культур начинается сразу же после посева и прорастания семян. Длительное пребывание семян в переувлажненных условиях почвы приводит к задержке его прорастания.
При отсутствии газообмена между грунтовым и атмосферным воздухом весь кислород в почве расходуется в течение двух суток. Максимум использования его корнями растений приходится на период цветения растений. На этот период приходится максимум накопления углекислоты в почве под такими культурами, как рожь, пшеница, горох, свекла, картофель, клевер и др. При недостаточном количестве кислорода в почве корни растений отмирают вследствие растворенных в воде окисленных соединений почвы. Поэтому нитраты могут восстанавливаться в нитриты не только под влиянием деятельности микроорганизмов, но и корней растений. При этом в почве начинают скапливаться восстановленные соединения, чем резко нарушается питание растений.
На недостаток кислорода в почве растения реагируют неодинаково: злаковые меньше, чем бобовые. Очень на недостаток кислорода реагируют картофель, ячмень, люпин и меньше - гречка и рис. Несмотря на относительно большую устойчивость против недостатка кислорода злаковых растений, все же их урожай в значительной степени снижается. Причиной этого является влияние вредных закисных соединений, образующихся в почве при его недостаточной аэрации. Кислород необходим растениям для дыхания. Он является источником энергии, расходуемой при поступлении воды и питательных веществ в клетки, для роста, синтетических процессов и тому подобное.
Много кислорода потребует полезные почвенные микроорганизмы. Нитрификация активно происходит только при свободном доступе кислорода. В связи с этим она всегда активизируется при рыхлении почвы. В первые дни после рыхления нитраты появляются иногда в 5-10-кратных количествах по сравнению с их наличием в возделывания.
Клубеньковые бактерии, живущие на корнях бобовых растений, активно действуют и усваивают молекулярный азот только при свободном поступлении кислорода. Фиксация азота происходит параллельно с использованием бактериями свободного кислорода при окислении различных источников углерода.
Фиксация атмосферного азота азотобактером, что живет на корнях растений, находится в прямой связи с дыханием. Существует определенная зависимость между запасом химической энергии в использованной азотобактером органическом веществе и количеством фиксированного ним азота (на 1 ккал фиксируется 2 мг атмосферного азота).
Кислород необходим для микроорганизмов, участвующих в питании культурных растений. Микориза, а также много микробов прикорневой зоны тесно связаны с высшими растениями. Они являются аэробными организмами и требуют наличия кислорода в почве.
Высшие растения по-разному реагируют на содержание углекислоты в атмосферном и почвенном воздухе. В условиях концентрации углекислоты в почвенном воздухе более 1% некоторые культурные растения проявляют признаки отравления, тогда как повышение концентрации ее в атмосферном воздухе до 1% и более сопровождается увеличением урожая. Установлена прямая зависимость ассимиляции многих растений от повышения содержания углекислоты в воздухе.
Запас СО 2 в воздухе составляет около 600 биллионов тонн углерода. С этого запаса растения земного шара ежегодно используют около 19 биллионов тонн. Поэтому только при постоянном возобновлении углекислоты в атмосфере создается круговорот ее в природе и обеспечивается бесперебойное питание растений. Недостаток СО 2 в воздухе компенсируется углекислотой, выделяется из почвы и при дыхании организмов.
Травянистые растения используют углекислоту прежде всего с приземного слоя воздуха, где ее концентрация выше. За счет почвенной углекислоты быстро пополняется недостаток СО 2 в нижних слоях атмосферы. Недостаток углекислоты здесь в дневные часы легко пополняется ночью, когда прекращается фотосинтез. При снижении температуры ночью уменьшается и продуцированию углекислоты в почве, но ночью растения не используют СО 2, а наоборот, выделяют его при дыхании. Все это восстанавливает дневные расходы СО 2. Это еще больше усиливает газообмен между почвенным и атмосферным воздухом.
В почве СО 2 накапливается в основном под влиянием жизнедеятельности микроорганизмов и корневой системы растений. Корневая система культурных растений очень чувствительна к высокой концентрации СО 2 в почве, но микроорганизмы способны сравнительно легко ее переносить. Амонификуючи и нитрифицирующие бактерии прекращают свою жизнедеятельность при содержании СО 2 более 30%. Жизнедеятельность почвенных бактерий усиливается и выделения СО 2 увеличивается при внесении преимущественно органических удобрений, содержащих калий, фосфор, серу. Образование СО 2 способствует тепло, равномерная влажность, что составляет 40% ПВ почвы, рыхление почвы, одновременное внесение органических и минеральных удобрений. Больше СО 2 в верхних слоях почвы, где значительно больше микроорганизмов и где активность их выше. На глубине 20-30 см количество бактерий в 1 г почвы уменьшается в 3-10 раз. На глубине 1 м и более количество бактерий уменьшается еще больше. Несмотря на то, что наибольшее количество СО 2 сосредоточена в верхних слоях почвы, концентрация его в более глубоких слоях меньше, а газообмен значительно замедлен.
Кроме свободного состояния, почвенный воздух может быть в состоянии поглощенного коллоидными частицами почвы при его влажности ниже максимальной гигроскопичности. Поглощено воздуха характеризуется меньшей подвижностью, чем вольный воздух. Количество воздуха, поглощенного сухой почвой, неодинакова в разных почвах. Поглощение почвой молекул газов зависит от степени увлажнения почвы, температуры (с повышением температуры поглощения уменьшается), давления (с повышением давления поглощения становится больше), химического состава грунтовых коллоидов, химической природы газов. Найин-тенсивнише поглощается водяной пар, затем в понижающем порядке - углекислый газ, кислород, азот.
Кроме содержания в почве свободных и поглощенных газов, почвенная влага имеет растворенные в ней газы. Они переходят из почвенного раствора в воздух или вновь растворяются. Наиболее активными являются кислород и углекислый газ. С понижением температуры грунтовых вод растворимость кислорода и особенно углекислого газа увеличивается. Свободный кислород в почвенном растворе является окислителем, поэтому играет значительную роль в окислительно-восстановительных реакциях и формировании урожая. Растворимый в грунтовой воде углекислота способствует переходу труднорастворимых солей в более доступные для растений соединения.
Под воздушным режимом понимают совокупность всех явлений: поступление воздуха в почву, его перемещения и расходования в нем, обмен газами между почвой, атмосферой, твердой и жидкой фазами, потребления и выделения газов живыми существами почвы. Количество воздуха в почве зависит от плотности и степени заполненности щелей водой. Воздухоемкость определяется объемом грунтовых пор, заполненных воздухом при влажности почвы, равной НВ. Капиллярные поры (диаметром менее 0,1 мм) частично или полностью заполнены водой, а некапиллярной (диаметром более 0,1 мм) - воздухом. Объем некапиллярных пор в процентах от общего объема почвы определяет некапиллярной пористость и составляет важную часть повитроемности почвы, существенно повышается после его рыхление в связи с увеличением промежутков между грунтовыми комочками. Таким образом, воздушный режим связан с водным режимом почвы и хорошо поддается регулированию на почвах, имеющих водоупорную дрибногрудочкувату структуру (0,25-10 мм). Воздух, который перемещается в промежутках почвы, аэрируют его. Однако избыток влаги (близкой к полной влагоемкости или выше нее) при определенных условиях приводит к появления щелей с воздухом, которые закрыты водяными пробками. В связи с отсутствием газообмена в таких щелях увеличивается содержание СО 2, а кислород используется микроорганизмами и корнями растений. Это наблюдается, главным образом, в уплотненных слоях почвы. С высыханием почвы водные пробки исчезают, открываются соединения грунтовых щелей с атмосферным воздухом.
Почвенный воздух взаимодействует с твердой и жидкой фазами почвы. Оно может заполнять свободные от воды щели, может быть поглощенным коллоидными частицами и содержаться в почвенном растворе.
Состав почвенного воздуха изменяется под влиянием биологических процессов, происходящих в почве, и активности газообмена с атмосферным воздухом.
Почвы, имеют значительные щели, достаточное повитроемкисть и воздухопроницаемость (способность почвы пропускать воздух), характеризуются хорошей аэрацией.
Обновлению почвенного воздуха способствуют следующие факторы: диффузия газов - тепловое движение молекул в направлении уменьшения их концентрации; колебания атмосферного давления, которое приводит к поступлению атмосферного воздуха в почву при его повышении, а также к выделению почвенного воздуха при уменьшении давления; колебания температуры, когда при дневном нагревании почвенный воздух расширяется и частично выходит из почвы, а ночью, охлаждаясь, сжимается, открывает возможность поступлению атмосферного воздуха в почве; изменение влажности почвы при выпадении осадков и при орошении, когда воздух вытесняется водой и когда оно поступает в почву при использовании влаги корнями и в результате испарения с почвы; ветер способствует газообмена на полях, не занятых растениями. В реальных условиях поля всегда оказывается комплексное воздействие этих факторов.
При разработке мероприятий по улучшению воздушного режима почвы учитывают: обеспеченность почвы достаточным количеством воздуха; изменение водного и воздушного режима; обеспеченность хорошего газообмена между почвой и атмосферой; улучшения состава приземного слоя воздуха; регулирования правильного соотношения в почве между аэробным и анаэробным процессами.
При выращивании растений на полях происходит частичное распыления и уплотнения почвы, что приводит к уменьшению повитроемности и нуждается в улучшении аэрации. В хорошо обработанной дрибногрудочкуватому почве воздухом заполнены не-капиллярные щели.
В разных почвенно-климатических зонах корневая система растений неодинаково обеспечена водой и воздухом. На Полесье растения лучше обеспечены водой и воздухом, чем в Степи. Поэтому в условиях Полесья целесообразно иметь в почве больше некапиллярных щелей - более 50% общей плотности. В засушливых условиях лучше, когда некапиллярной промежутки занимают менее половины объема общей щилинности.
На воздухообмен также влияет растительность. На открытых грунтах и при относительно небольшой плотности растений на площади он усиливается благодаря влиянию ветра на верхний слой почвы и легче происходит в приземном слое, особенно на почвах, имеющих большую некапиллярной плотность. Растительность также влияет на колебания температуры почвы и тем самым - на интенсивность воздухообмена.
Для улучшения воздушного режима почвы принимают такие меры: обогащение почвы органическое вещество; известкование кислых почв; гипсование щелочных почв; глубокая вспашка плугами с предплужниками; своевременность и высокое качество обработки почвы различными орудиями; углубление пахотного слоя; правильные севообороты с соответствующей системой обработки почвы и удобрения.
