Kurs_fiziki_pochv_Shein_E_V__2005

302	Ч. XIII. ГАЗОВАЯ ФАЗА ПОЧВЫ

кислородапочвойи выделенияСО2 достигают величинn·101– 104мг/ (м2 час). Причем в суточном цикле эмиссия, как правило, для почв бореального пояса характеризуется дневными и вечерними максимумами, что объясняется суточным ходом температуры почвы, отличающимся от атмосферы (см. часть XIV), а минимум приходится на утренние часы время начала прогрева почвы. Для количественнойхарактеристикипроцессадыханияпочвыиспользуют так называемый респирационный коэффициент. Этот коэффициент есть отношение выделенного из почвы СО2 к поступившему

впочву количеству О2 за определенный промежуток времени. Величинаэтого коэффициента,близкаякединице,характеризуетхорошо аэрируемые почвенные условия. Однако даже в хорошо аэрируемых почвах в летние месяцы он может увеличиваться до 1.05 за счет высокой дыхательной активности почвенной биоты и корней растений.

Эмиссии СО2 почвой в большей мере уделяется внимание

всвязи с так называемым «парниковым эффектом». Этот эффект

(кратко) состоит в том, что такие газы, как СО2, СО, СН4, N2O создаютватмосфере некийгазообразныйэкран,подобный стеклуили пленкев парнике,который пропускает коротковолновуюрадиацию, нонепропускаетдлинноволновую,тепловую.Тоестьпоступающую на поверхность почвы пропускает, выделяемую нет. Вот приземный слой атмосферы идолжен прогреватьсяпри повышениисодержания этих газов в атмосфере. Полагают, что климатические изменения связаныс производственнойдеятельностью,увеличивающей долю этих газов. Однако, по-видимому, доля человека в этих процессах преувеличена (см. «К вопросу о.»). Физика этих процессов связана в основном с потоками газов, которые определяются рядом законов с соответствующими физическими параметрами. Это законы газопереноса в почвах.

3. Перенос газов в почве

Каквслучаепереносатепла,такивслучаепереносаионов и других веществ в почве, основными механизмами переносагазов являются конвекция (массовый поток) и диффузия (поток за счет градиента концентрации). В разных случаях эти две составляющие газопереносамогут иметьразличноезначение.Остановимся наэтом подробнее.

3. Перенос газов в почве

303

«Квопросу о»

Где же находятся «легкие» планеты?

Когда рассуждают о глобальных эффектах, связанных с равновесием газов в атмосфере и парниковом эффекте, нередко сказывается незнание или неумениепользоваться основнымизаконамиэкологии.Говорят, чтотропические леса надо бдительно охранять от вырубания, так как они поглощают углекислый газ и выделяют кислород. И их за это нередко называют «легкими планеты». Охранять да! Это уникальные объекты. Однако это не легкие (легкие животных поглощаюткислородивыделяютСО2),аскорее«антилегкие».Ноне этоглавное. Главное,чтотропическиелеса климаксныеобразования. Тоесть природные формирования, находящиеся в равновесии: сколько поглотили, столькоивыделили.ИниокакомспасениипланетыотувеличенияСО2 ватмосфересихпомощьюнестоитиговорить.Аспасатьбудутрастительныесообщества,которыестремительнорастут, набираютзасчетфотосинтезабиомассу. В этом случае кислород будет выделяться в непропорционально большем количестве (при фотосинтезе), чем СО2 (при дыхании). Что же это за сообщества? Это быстро растущие деревья и кустарники в поймах рек, на вырубках все, что быстро наращивает биомассу и в особенности древесные растения, они долго сохраняют высокую скорость прироста за счет многоярусного строения фотосинтетической части. Выделять же углекислый газ, метан и другие так называемыепарниковыегазыбудутпреимущественно,конечноже, незаводыи фабрики,апреждевсегогидроморфныепочвыи болота. Большинствоученых сходится на том, что среди источников углерода в атмосферу почвенное дыханиев7 10разпревосходитиндустриальныевыделения.Вотношениижеметанасоотношениеприходныхирасходныхстатейнеплохоизучено.Так,ипоэкспертнымоценкам,ипоразногородабалансовымрасчетам,из500 600млнтонн ежегодной эмиссии метана в атмосферу до половины может приходиться на долю гидроморфных наземных образований болот, рисовников, пойменных почв. А роль автоморфных почв в очистке атмосферы от метана за счет действия почвенных аэробов метанотрофных бактерий не столь значительна и составляет около 7% (сравнитесвкладомфотохимического стока почти90% расходных статей). Интересно, что в болотах этот газ либо сразувыделяется в атмосферу, либо до поры до времени находится в виде пузырьков внутри торфяной толщи. Стоит резко прогреть эту толщу, неразумно осушить, и большиеколичества скопленийэтихпузырьковых газовмогут выделиться ватмосферу. Вот и получается, что прогревающиеся громадные верховые болота Западной Сибири и будут основным мировым поставщиком и хранилищем (в видепузырьков!)парниковыхгазов.Адля качественнойоценкивкладатехили иныхприродныхобразованийв«дыхание»иработу«легкихпланеты»необязательно проводить долговременные эксперименты, надо лишь знать и уметь использоватьэкологические,биологическиезаконы.Недаромговорят:«Знание основныхпринциповможетосвободитьотполучения конкретногознания».

304	Ч. XIII. ГАЗОВАЯ ФАЗА ПОЧВЫ

3.1. Конвекция

Этопереноспочвенныхгазовсмассовымипотокамивоздуха иводы,действующейсилойкоторогоявляетсяперепаддавлений пнев- матическогоисуммыкапиллярно-сорбционногоигравитационногодав- лений влаги. При переносе газа в растворенном состоянии следует использоватьуравнениеДарсии/илиРичардсадлярасчетапереносаводы. Затем, зная концентрацию растворенного газа, можно рассчитать и количествоперенесенноговрастворенномсостояниигаза.Значениеэтого типа переноса в общем переносе газов невелико. Простые расчеты это подтверждают. В поступившем в почву кубометре воды содержится примерно 6 литров кислорода. Среднеепотребление О2 корнями растенийсоставляет0.2л/часна1кгкорневоймассы.Следовательно,поступившее количество О2 будет израсходовано примерно за сутки.

Конвективный перенос газас воздухом будет определяться явлениемвоздухопроницаемостипочвиописыватьсяуравнением:

qk KaCa dPa , a dz

где qak – конвективный поток газа, происходящий под действием

градиента пневматического давления (dPa/dz), Ka – воздухопроницаемость почвы [м2], Ca концентрация соответствующего газа в движущемся воздухе, динамическая вязкость воздуха [Па с].

Причинвозникновенияперепадапневматическогодавленияможет быть несколько:

1)изменение атмосферного давления;

2)возникновение временных перепадов за счет порывов ветра, неровностейповерхности;

3)выпадение осадков, орошение, которые вытесняют почвенный воздухиз поровогопространства почвы;

4)изменение температуры почвы, приводящее к расширению

исжатию воздуха в почве.

Рассмотрим последовательно возможное влияние этих процессов на смены газов в почве, их выделение в атмосферу.

Изменениеатмосферногодавления.Еслипредположить,чтоатмосферное давление изменилось от 760 до 750 мм рт. столба, то по закону Бойля Мариотта (P1V1 = P2V2) объем газов в почве изменится лишь на 1/76 части. Это, конечно же, немного. И существенного значения этот процесс нагазообмен почвенного и атмосферного воздуха оказывать не может.

Врйменные перепады давления могут возникать в случае порывов ветра над поверхностью почвы, в случае движения воздуха над

4. Методы исследования газового состава почвенного воздуха

305

а	б

зона повышенного давления

Рис.XIII.4. Движение воздуха, создающее локальные повышения (а) и понижения (б) пневматического давления над почвой

неровностями поверхности. На рис.XIII.4 приведены случаи локальногоповышениядавления(рис.XIII.4,а)илипонижениядавления(рис. XIII.4,б) за счет движения воздуха над поверхностью почвы.

Объяснитьтакиелокальныепониженияилиповышениядавлений можно,привлекаязаконБернулли,гласящий,чточембольшескорость движения жидкости или газа, тем меньше давление в потоке. Вот и получается, что в микропонижениях давление будет выше, чем над микроповышениями. Эти локальные перепады должны вызвать движение воздуха и соответственно конвективный перенос газов. Однакои этоявлениевременное,связанноеспорывамиветра,локальное и существенного вклада в процесс газообмена не оказывает.

Влияниевыпаденияосадков,орошения.Этовлияниепроявляется в том, что поступающая в почву вода вытесняет поровый воздух. Но действительно так ли интенсивно вода «выдавливает» воздух? Еслинаповерхностьпочвыпоступило10ммводн.слояосадков(впрочем, весьма заметное изменение запасов влаги, ЗВ), то изменение

объемной влажности составит:

ЗВ , h b

или если b близко к 1 г/см3 и рассматривается слой мощностью (h) 10 см, то = 1/(10 · 1) = 0.1, или всего на 10%. Соответственно ивоздухосодержаниеизменитсятолькона 10%.Значениеэтогоявления в газообмене также невелико.

Последний фактор конвективного газопереноса температура, нагревание и остывание почвы в течение суток. Опять-таки, сделаем простые расчеты, учитывая, что изменение температуры линейно связано с объемом газа (PV = RT, где R газовая постоянная, остальные обозначения те же). И если в течение суток температура

306	Ч. XIII. ГАЗОВАЯ ФАЗА ПОЧВЫ

днем увеличится на 20°, а ночью снизится на 20°, т.е. перепад температур окажется весьма заметным 40°, то сменится всего лишь 40/ 273 0.15, т.е. всего 0.15 части объема. И этот процесс конвективного переноса оказывается незначительным.

В итоге получается, что процесс конвективного переноса, которыйможетвключатьразнообразныепроцессы(поступлениеврастворенном виде с осадками, поливами, «поршневое»движение воздуха, возникающеевследствиевпитыванияводы,суточноеизменениетемпературы, порывы ветра над неровной поверхностью, изменения атмосферного давления), не оказывает существенного, т.е. стабильного, интенсивного и долговременного по действию, влияния на газоперенос. Остается рассмотреть процесс диффузии газов, который и оказывается основным в случае газообмена почвенного воздуха с атмосферным.

3.2. Диффузия

Итак,основнойпроцессгазообменамеждупочвеннымвоздухомиатмосферным,главныйпроцессаэрациипочвиэмиссииСО2 – это диффузия. Процесс диффузии, происходящий вследствие градиента концентрации газа (dc/dz), описывается уравнением Фика

(1-йзаконФика):

qad D dcdz ,

где qad диффузионный поток газа, D эффективный коэффициент

диффузии [см2/сут, см2/сек].

Для расчета диффузионного потока того или иного газа необходимо знать градиент его концентрации и эффективный коэффициент диффузии. Об измерении концентраций газов (прежде всего СО2) – чуть позже. А вот эффективный коэффициент диффузии характерная почвенная величина. Изучим ее подробнее.

Если газ диффундирует в свободной атмосфере, его диффузия характеризуется коэффициентом диффузии (D0). Этот коэффициент зависит от свойств рассматриваемого газообразного компонента при условии постоянства температуры, давления. Для таких распространенных газов, как О2 и СО2, при стандартных условиях (атмосферное давление 1030 см водн. столба, температура 20°) величины D0 составляют0.177и0.139см2/сут.Авотвпочведиффузиябудетпроисходитьв более«стесненных»условиях тольков поровомпространстве почв. Газ будет передвигаться в порах, свободных от воды, различногодиаметраиизвилистости.Поэтомунередкоучитываютэтидвафактора(порозностьаэрациииизвилистостьпор)впростомуравнениитипа:

4. Методы исследования газового состава почвенного воздуха

307

D1 D0 fair ,

где D1 коэффициент диффузии газа в поровом пространстве с учетом порозности аэрации ( air) и извилистости (f) пор.Указывают (Воронин,1986;Campbell,1985),чтопривысокойпорозностиаэрации,т.е. в структурных или легких почвах при невысокой влажности, можно использовать выражение D1 = D0 0.66 air . А вот если поры будут заполняться водой, указанное уравнение использовать нельзя. И при полностьюзаполненномпоровомпространстве,приводовместимости считается (Смагин, 1999; Campbell, 1985), что коэффициент диффузии газа в почве на 4 порядка меньше, чем в атмосфере при нормальных условиях.

Кромезаполненияпорводойиихизвилистостинапроцессепереноса газа в почве будет сказываться и активная в отношении газов почвенная поверхность. Это явление носит название активированной диффузии. Молекулам газа необходима дополнительная энергия для своего передвижения в поровом пространстве, так как поверхностная энергия твердой фазы в поровом пространстве почвы лимитирует газоперенос. Явление активированной диффузии также можно учесть ввидедополнительногокоэффициентадиффузииD2.

Еслижидкостьилигаздвижутсявпоровомпространствеструктурной почвы, то будут возникать явления смешения, образования струек, т.е. явление динамической дисперсии. В этих условиях, так же, как и при переносе растворимых веществ в почве, на перенос газов в поровом пространстве будут оказывать влияние строение порового пространства и скорость передвижения. Для газов это явление будет аналогично явлению гидродинамической дисперсии (см. часть XI). Поэтому и коэффициент диффузии газа в почве будет определяться скоростью движения газа в почве, т.е. зависеть от массовогопотокапочвенноговоздуха.Нередкоиспользуютзависимость коэффициента диффузии газа в почве от скорости конвективного газопереноса следующего вида: D3 = 0.7D0 + 1.75v 2 , где v скорость конвективногогазопереноса.

Все указанные явления в виде переноса газов по извилистому, свободному от воды поровому пространству (D1), активированной диффузии (D2), динамической дисперсии (D3) обычно, как и в случае с движением растворенных веществ, объединяют в одно явление

эффективнойдиффузии:

Dэфф D1 D2 D3 ,

308	Ч. XIII. ГАЗОВАЯ ФАЗА ПОЧВЫ

что и позволяет использовать один коэффициент коэффициент эффективной диффузии (Dэфф) при расчетах газопереноса. При этом, однако, в большинстве случаев его необходимо определять экспериментально, ведь структура порового пространства, активность поверхности твердой фазы в каждом почвенном горизонте уникальны. В самом общем случае предполагают наличие степенной зависимо-

ститипа:

D эфф m D0 airn ,

где m и n эмпирические константы. Общий вид этой зависимости подтверждается данными многих авторов. На рис.XIII.5 приведены зависимости эффективного коэффициента диффузии от порозности аэрациидерново-подзолистойсреднесуглинистойпочвы(Московская обл., по данным А.В.Смагина, 1999), также указывающие на степенной характер зависимости коэффициента эффективной диффузии от порозностиаэрации.

Таккакосновныепараметрыгазопереноса(концентрациигазов впочве,коэффициентыэффективнойдиффузии)необходимоопределять экспериментально, кратко остановимся на методах их определения.

D , см2 /час эфф

	350
	300
	250
	200	A1 (0-5)
		A1 (5-10)
	150	A1E (10-20)
	100	E (20-35)
	50	B1 (35-60)
		B2 (60-110)
	0

0	20	40	60	80
		Порозность аэрации,%

Рис. XIII.5. Зависимость коэффициента эффективной диффузии от порозности аэрации (по данным А.В.Смагина, 1999)

4. Методы исследования газового состава почвенного воздуха

309

4. Методы исследования газового состава почвенного воздуха

Узловойзадачейприисследованиигазовогосоставапочвенноговоздухаявляетсяточныйисвоевременныйотборпробииххранениевплотьдоаналитическогоопределения.Самоопределениелегко осуществляется либо на газовых хроматографах различных марок, либо на специальных газоанализаторах. Поэтому отбор проб с соответствующихглубинпочвыииххранение основнаяпочвенно-физи- ческая задача.

Для отбора проб в естественных почвах используют специализированныебурыилистационарныеустановкигазопробоотборников. Буры, как правило, представляют собой тонкие трубки (чем тоньше внутренний диаметртакой трубки,тем меньше буферныйобъем воздуха, тем быстрее устанавливается равновесие), запаянные с нижнего,заостренногоконца.Околонижнегоконцатрубкиимеетсяигланаконечник, над которой расположены несколько отверстий сбоку, через которые и устанавливается равновесие между воздухом внутри трубки и почвенным воздухом (рис XIII.6,а). На другом конце такой трубки-бура имеется клапан или герметически закрытая резиновая трубка, надетая на трубку-бур. Трубка-бур внедряется в почву нанеобходимуюглубинуиоставляетсявтакомположениинанесколькочасов. Заэто времяпроисходит установлениеравновесия газового состава внутри трубки и почвенного воздуха на глубине отбора. Затем обычный шприц заполняют до половины инертной жидкостью (какправило,насыщенныйрастворNaCl).Шприцвтыкаютврезиновуютрубку,отбираютпробувоздухавнутрьшприца.(Первыепорции проб воздуха следует выбросить для гарантии полной идентичности воздуха в трубке и почвенного.) Во время этих операции почвенный воздух контактирует со стеклом шприца и насыщенным раствором повареннойсоли.Последнийиспользуетсякак«инертнаяжидкость», так как в насыщенных растворах солей газ практически не растворяется. Для хранения проб воздуха используют маленькие стеклянные пузырьки,герметическизакрытыерезиновойпробкойизаполненные до отбора проб инертной жидкостью. Затем в резиновую пробкуэтого стеклянного стаканчика одновременно втыкают иглу шприца и шприц с пробой воздуха. Впускают почвенный воздух в стаканчик, одновременно вытесняя через иглу инертную жидкость. Нескольких кубических сантиметров газа обычно бывает вполне достаточно для анализа. Стаканчик переворачивают вниз пробкой так, чтобы инертная жидкость контактировала с резиновой пробкой, а газ находился в верхней части стаканчика, контактируя с инертной жидкостью

310	Ч. XIII. ГАЗОВАЯ ФАЗА ПОЧВЫ

истеклянным дном стаканчика. В таком состоянии возможно его хранение достаточно длительное время (несколько суток или даже недель). Перед определением анализируемый воздух отбирают из стаканчика с помощью шприца и вводят пробу в хроматограф, газоанализатор или другие устройства для химического анализа газовых смесей.

Вслучае стационарных исследований на необходимую глубину помещаютнебольшуюстекляннуюворонку,соединеннуючерезтрубку свыведеннойнаповерхностьрезиновой, герметическизакрытойтрубкой (рис. XIII.6,б). Воронка, соединительная трубка тщательно засыпаютсяпочвойинаповерхностинаходитсятолькорезиноваятрубка. Принеобходимостиотборапробспомощьюшприцасинертнойжидкостью отбирают пробу воздуха, аналогично тому, как это делается приотборепробизпочвенногоиглы-бура.Вседальнейшиеоперации идентичны.

Если есть необходимость отбирать пробы воздуха из гидроморфныхпочв,изслоев,насыщенныхвлагой,тодноворонкизакрывают полиэтиленовойпленкой.Диффузияпочвенныхгазовпроисходитчерез тончайшие поры полиэтиленовой пленки, в то время как жидкая вода через пленку не проходит. И в этом случае через несколько суток устанавливается равновесие между растворенными и пузырьковыми газами в почве и воронке. В дальнейшем остается только аккуратно идостаточно медленно отбирать пробыпочвенного воздуха

ианализировать их по обычным процедурам.

Рис. XIII.6. Схема почвенного бура (а) и стационарного устройства (б) для отбора почвенного воздуха

4. Методы исследования газового состава почвенного воздуха

311

Рис. XIII.7. Схема камеры для изучения дыхания почв, эмиссии СО2 и других газов

Весьма важными являются и измерения эмиссии газов с поверхности почвы. В этом случае используют так называемые эмиссионные камеры-пробоотборники, представляющие собой цилиндрические (кубические) емкости, открытые с одной стороны и имеющие несколькоотверстийдляотборапроб,закрытыхрезиновымипробками на противоположной стороне. В почву врезается основание, по периметру которого имеется специальный желоб, в который и помещается пробоотборная емкость (рис. XIII.7).

В желоб наливается вода или любая другая затворная жидкость, которая служит «водным замком», предотвращающим поступление атмосферного воздуха внутрь камеры. В необходимый срок за определенный промежуток времени из камеры через отверстия с резиновыми пробками шприцем с инертной жидкостью отбираются пробы воздуха. Дальнейший их анализ аналогичен описанному выше.

По изменению концентрации газа в камере можно рассчитать поток газа из почвы. Камеру необходимо снимать с поверхности почвы в период между измерениями во избежание излишнего накопления газов, перегрева и других серьезных нарушений эмиссии газов из почвы.

Дляопределенияважнейшегофизическогопараметрадиффузии газов в почве – коэффициента эффективной диффузии используют различные методы. Один из самых, на наш взгляд, удобных и простых – диффузиметр на основе колбы Бунзена (Смагин, 1999). Этот диффузиметр представлен на рис. XIII.8.