2.4. Химический состав газовой фазы почв

Газовая фаза почвы представлена почвенным воздухом и парообразной влагой. Почвенный воздух занимает все поры почвы, свободные от воды.

Величина суммарного объема почвенных пор составляет 25-65 % объема почвы. Источником почвенного воздуха являются воздух атмосферы и образующиеся в почве газы. Характерная особенность почвенного воздуха – насыщенность парами воды; его относительная влажность около 100 %.

Почвенный воздух существенно отличается по составу от атмосферного воздуха. Это зависит от биологических процессов, совершающихся в почве. Корневые системы высших растений и аэробные микроорганизмы энергично поглощают кислород и выделяют углекислый газ. Избыток СО₂ из почвы выделяется в атмосферу, а атмосферный воздух, обогащенный кислородом проникает в почву. Таким образом, почвенный воздух находится в состоянии газового обмена с атмосферным воздухом. Поэтому, при почвенный слой атмосферы содержит в несколько раз больше углекислоты, чем воздух на высоте нескольких метров. Газовый обмен совершается путем диффузии, благодаря колебанию температур, движению атмосферных осадков и др. Наиболее активно газовый обмен протекает в самых приповерхностных частях почвы. Поэтому нижние горизонты почвенного профиля более обогащены углекислотой, чем верхние. Об интенсивности газообмена свидетельствует количество выделяемого почвой углекислого газа, которое достигает 10 литров за сутки на площади 1 м².

Чем интенсивнее протекают биологические процессы в почве, тем больше выделяется углекислоты. Особенно много СО₂ под лесом. Количество углекислоты в почвенном воздухе меняется на протяжении года, достигая максимума в теплое время года и минимума зимой. В результате постоянного газообмена между почвой и атмосферой устанавливается подвижное равновесие.

В почвенном воздухе по сравнению с атмосферным меньше кислорода и больше диоксида углерода (СО₂). В ту или иную сторону может изменяться и содержание азота (табл. 12).

Почвенный воздух болотных и заболоченных почв может содержать заметные количества NH₃, СН₄, Н₂.

В составе почвенного воздуха постоянно присутствуют в очень небольшом количестве нелетучие органические соединения (углеводороды жирного и ароматического ряда, сложные альдегиды, спирты и др.), образующиеся в процессе жизнедеятельности микроорганизмов. Эти вещества могут поглощаться корнями, способствуя росту растений и повышению их жизнедеятельности.

В составе почвенного воздуха выделяют макрогазы, постоянно присутствующие в нем, и микрогазы, или газы-эфемеры, содержащиеся в микроколичествах, и не всегда встречаются в почвах.

Макрогазы. Среди макрогазов почвенного воздуха выделяют азот, кислород и диоксид углерода.

Азот преобладает в почвенном воздухе. Его содержание обычно не намного отличается от атмосферного. Изменения в основном обусловлены связыванием азота азотфиксирующими микроорганизмами и денитрификацией. При развитии денитрификации наряду с молекулярным азотом в почвенном воздухе в микроколичествах появляются NO и NO₂.

Таблица 12

Содержание различных газов и летучих органических соединений

в атмосферном и почвенном воздухе

по С.В. Каспарову, Н.С. Панникову (Мамонтов В.Г., 2006)

Газы и летучие органические соединения	Содержание, %
	в атмосфере	в почве
N2	79,1	68 - 73
O2	21,9	5 - 21
CO2	0,03	0,1 - 20
H2	5 10^-5	1 - 810^-6
CO	110^-5	1 - 810^-6
NO	110^-5	1 - 1010^-4
N2O	510^-6	4 - 4010^-5
SO2	–	310^-7
H2S	–	210^-7
CH3SH	–	310^-7
CH3S	–	110^-6
CH4	310^-5	1 - 810^-7
C2-C2O	2 - 24010^-7	1 - 3510^-6

Кислород по содержанию в почвенном воздухе в большинстве случаев находится на втором месте. В верхних, хорошо аэрируемых горизонтах почвенного профиля его содержание обычно приближается к атмосферному, хотя в зависимости от сезона года может колебаться в пределах 10-20 %. Количество кислорода в почвенном воздухе с глубиной уменьшается.

Наиболее динамичны из всех газов почвенного воздуха кислород и диоксид углерода. Им принадлежит очень важная роль в жизни почвы и населяющих ее организмов.

Почва постоянно в течение теплого сезона поглощает кислород и выделяет углекислый газ. Основные потребители кислорода в почве: корни растений; аэробные микроорганизмы; почвенная фауна; химические процессы. Источником кислорода является атмосферный воздух, который поступает в почвенный воздух диффузно с осадками и оросительной водой. Кислород участвует в актах дыхания растений, и при его отсутствии растения погибают. При недостатке кислорода в почве развивается глеевый процесс, который резко ухудшает агрономические свойства почв, рост и развитие растений. Оптимальное содержание кислорода в почвенном воздухе 19-20 %.

Диоксид углерода присутствует в почвенном воздухе в большем количестве, чем в атмосферном. В верхних горизонтах автоморфных почв его содержание составляет 0,2-0,8 %. В нижележащих горизонтах почвенного профиля количество диоксида углерода, как правило, возрастает.

В почвенный воздух диоксид углерода поступает главным образом в результате жизнедеятельности почвенных макро- и микроорганизмов, минерализации органического вещества, дыхания корней растений, для которых в общем выделении СО₂ почвой доходит до 40 %. Насыщение диоксидом углерода почвенного воздуха происходит при выделении СО₂ грунтовых вод в процессе их испарения, выделении СО₂ из твердой и жидкой фаз почвы при разложении карбонатов, одна треть количества углекислоты выделяется корнями растений.

Средняя концентрация углекислого газа в воздухе, равная 0,03 %, недостаточна для потенциально возможного урожая сельскохозяйственных культур. Искусственное повышение концентрации углекислоты в приземном воздухе повышает урожай растительной массы на 30–100 %. Оптимальное содержание углекислоты в почвенном воздухе составляет от десятых долей процента до 1-2 %, повышенные концентрации (более 2-3 %) угнетают развитие растений.

Таким образом, содержание О₂ и СО₂ в почвенном воздухе непостоянно и зависит от типа почвы, ее свойств, от времени года, погодных условий и вида угодья (пашня, сенокос, луг). На пашне состав воздуха зависит от возделываемой культуры и применяемой агротехники. Газообмен почвы с атмосферой может быть затруднен плотным сложением почвы, избыточной увлажненностью, при которой вода занимает не только капиллярные пространства, но и макропоры. При этом в почвенном воздухе резко уменьшается содержание кислорода, и развиваются анаэробные микробиологические процессы, в результате которых образуется метан, сероводород, аммиак и другие газы.

Микрогазы. Наряду с макрогазами в почвенном воздухе содержатся газообразные вещества различной природы, присутствующие в микроколичествах. К ним относятся NO, N₂O, H₂S, CO, водород, аммиак, а также, разнообразные органические соединения – этилен, ацетилен, метан, меркаптаны, эфиры и т.д. В почвенном воздухе обнаружены такие биологически активные компоненты, как летучие витамины, гормоны, фитонциды и т.д., придающие специфические ароматы, например аромат «спелой почвы».

Содержание микрогазов в почвенном воздухе невелико и обычно не превышают n10^-4 – n10^-12 %. Однако в некоторых случаях этого вполне достаточно, для того чтобы оказать токсичное влияние на корневую систему растений и ингибировать жизнедеятельность микроорганизмов. В воздухе некоторых почв газы, обычно присутствующие в микроколичествах, накапливаются в высоких концентрациях (метан и водород в болотных почвах или сероводород в почвах, на которых возделывают рис).

Иногда в составе почвенного воздуха могут присутствовать некоторые газы, диффундирующие через толщи горных пород из мест их скопления. В результате этого явления почвы над нефтяными и газовыми месторождениями бывают обогащены углеводородами, над складами радиоактивных элементов - гелием, радиоактивными эманациями. На этом основаны специальные газовые геохимические методы поисков месторождений полезных ископаемых.

Формы почвенного воздуха. Воздух в почве находится в трех состояниях: свободном, адсорбированном и растворенном.

Свободный почвенный воздух представляет собой смесь газов и летучих органических соединений, свободно перемещающихся в незаполненных водой порах почвы и сообщающихся с воздухом атмосферы. Воздух, находящийся в такой форме, обеспечивает аэрацию почв и их газообмен с атмосферой. В суглинистых и глинистых по гранулометрическому составу почвах некоторое количество свободного воздуха изолируется в порах водными пробками. Такой воздух называют защемленным. В почвах тяжелого гранулометрического состава на защемленный воздух приходится более 12 % от общего объема почвы. Защемленный воздух неподвижен и участвует в газообмене между почвой и атмосферой только путем диффузии через водную среду. Скорость такой диффузии на несколько порядков ниже, чем скорость диффузии в газовой среде. Из-за присутствия защемленного воздуха замедляется фильтрация воды в почве. Защемленный воздух может быть причиной разрушения агрегатов при колебаниях атмосферного давления, температуры и влажности почвы.

Адсорбированный почвенный воздух — газы и летучие органические соединения, адсорбированные поверхностью твердой фазы почвы. Количество адсорбированного воздуха возрастает по мере увеличения степени дисперсности почвы, содержания органического вещества, минералов монтмориллонитовой группы и соединений типа гидроксидов железа. Далее приведены данные о количестве воздуха, адсорбированного различными объектами (табл. 13).

Поглощение воздуха почвой увеличивается с ростом атмосферного давления или с уменьшением температуры.

Таблица 13

Количество адсорбируемого воздуха, см³ / 100г почвы

(Ковда В.А., 1985)

Объект	Количество адсорбционного воздуха
кварцевый песок (частицы размером < 0,5 мм)	0,75±0,20
супесь	2,26±0,12
легкий суглинок	4,93±0,15
тяжелый суглинок	6,99±0,08
чернозем суглинистый	9,03±0,20

Из почвенного воздуха твердой фазой почвы активнее поглощаются более тяжелые и относительно легко сжимаемые газы в следующей последовательности: NH₃ > CO₂ > O₂ > N₂.

Больше всего адсорбированного воздуха содержится в сухой почве, при ее увлажнении происходит десорбция ранее сорбированных газов, что отражается на составе свободного почвенного воздуха. Процесс адсорбции газов в основном обратимый, но иногда имеет место и необратимая сорбция (например, необратимая сорбция СО₂ достигает 10 мг/100 г почвы).

Твердое вещество почвы более энергично поглощает молекулы водяного пара, чем молекулы газов, а так как в почве высокое содержание водяного пара, то поглощение газов почвы не велико. Из почвенных газов в наибольшей степени сорбируется азот.

Растворенный воздух представляет собой газы, растворенные в почвенной воде. Почвенный раствор всегда содержит определенное количество растворенных газов, находящихся в динамическом равновесии с газами почвенного воздуха. Растворимость газов в почвенных растворах возрастает при повышении атмосферного давления, при увеличении их концентрации в свободном почвенном воздухе, а также при понижении температуры почвы.

Растворимость кислорода сравнительно невысокая, значительно выше она у диоксида углерода, сероводорода и особенно аммиака. Растворенные газы играют большую роль в обеспечении физиологических потребностей растений, физико-химических и химических процессах, протекающих в почве.

Итак, между почвенным и атмосферным воздухом происходит постоянный газообмен. Имеются сведения, что более 90 % углекислоты воздуха имеет почвенное происхождение. Глобальная роль почвенного покрова заключается в регулировании состава атмосферного воздуха.